Högupplöst kartläggning och rumslig analys av kol-fria värmekällor för fjärrvärme : Helsingfors fallstudie

Heat production together with electricity production stands for 31% of the global CO2 emissions. The production is as of today still highly dependent on fossil fuels, with a global district energy mix share of fossil fuels of 90%. To stay in line with the Paris Agreement, district heating must be configured away from fossil fuels by utilizing new emission free heat sources as well as creating higher energy efficient cities by incorporating more waste heat recovery. Helsinki has a District Heating (DH) dominated by fossil fuels and proclaimed goals of becoming carbon-­neutral by 2035, as of 2020 the annual heat demand in the city was 6.4TWh of heat. To do so, there is a need for research to investigate ways to include carbon-­free heat sources into the current heating system. There is currently a limited amount of literature available in this area and from the identified research gap the following main research question was developed. How can Helsinki achieve carbon-­free district heating? To easier answer the main research question, three three sub­questions were developed. (1) How large is the energy potential for non­-carbon based heat sources in Helsinki for district heating? (2) Where are the heat sources located? (3) What are the techno-­economic implications of the heat sources? A high resolution heat source mapping and spatial analysis was conducted for the city of Helsinki where low grade heat sources were to be identified for the purpose of district heating. The work focused on the following heat sources: Grocery Retail, Ice Rinks, Subway Stations, Data Centers, Wastewater, Sea Water Heat Pumps and Geothermal Energy. The developed model consists of five steps: (1) Heat source identification, (2) Technical potential evaluation, (3) DH-network mapping & Spatial analysis, (4) Economic model, and (5) Techno-­Economic evaluation. A total of 363 heat source points was identified and evaluated. The combined results of the heat sources were a total capacity of 1257.56 MW with a resulting total annual heat production of 7008.31 GWh. The majority of the capacity and heat was contributed from seawater heat pumps and geothermal heat pumps. Around 84% of the mapped heat sources were within 100 meters of the current district heating piping network. The economical findings show that a majority of the heat sources yield a positive net present value and a discounted payback period of below 11 years. The levelized cost of heat was within reasonable expectations when compared to existing data where Data centers showed the most promising result. The study can conclude that Helsinki can potentially achieve a non-­carbon­ based district heating system with a sufficient heat production management strategy. Värme­- och elproduktionen står tillsammans för 31% av de globala koldioxidutsläppen. Produktionen är idag fortfarande starkt beroende av fossila bränslen med en global andel fossila bränslen i fjärrvärmeblandningen på 90%. För att hålla sig i linje med Parisavtalet måste fjärrvärmen konfigureras bort från fossila bränslen genom att utnyttja nya utsläppsfria värmekällor samt skapa mer energieffektiva städer genom att utnyttja mer återvinning av spillvärme. Helsingfors har en fjärrvärme som domineras av fossila bränslen och har utsatt mål om att bli koldioxidneutralt senast 2035, vid 2020 hade staden en årlig värmekonsumption på 6.4 TWh. För att uppnå detta behövs forskning för att undersöka hur man kan inkludera koldioxidfria värmekällor i det nuvarande värmesystemet. Det finns för närvarande bristfällig mängd litteratur på detta område och utifrån den identifierade forskningsluckan utvecklades följande huvudsakliga forskningsfråga. Hur kan Helsingfors uppnå koldioxidfri fjärrvärme? För att lättare kunna besvara huvudfrågan utvecklades tre underfrågor. (1) Hur stor är energipotentialen för icke kolbaserade värmekällori Helsingfors för fjärrvärme? (2) Var finns värmekällorna? (3) Vilka är de tekno-­ekonomiska konsekvenserna av värmekällorna? En högupplöst kartläggning av värmekällor och en rumslig analys genomfördes för Helsingfors stad där lågkvalitativa värmekällor skulle identifieras för fjärrvärme. Arbetet fokuserade på följande värmekällor: Livsmedelsbutiker, isbanor, tunnelbanestationer, datacenter, avloppsvatten, värmepumpar för havsvatten och geotermisk energi. Den utvecklade modellen består av fem steg: (1) Identifiering av värmekällor, (2) Utvärdering av teknisk potential, (3) Kartläggning av DH­-nätverk och rumslig analys, (4) Ekonomisk modell och (5) Teknisk-ekonomisk utvärdering. Totalt 363 värmekällor identifierades och utvärderades. De kombinerade resultaten av värmekällorna var en total kapacitet på 1,257.56 MW med en total årlig värmeproduktion på 7,088.31 GWh. Merparten av kapaciteten och värmen kom från havsvattenvärmepumpar och geotermisk värme. Cirka 84% av de kartlagda värmekällorna låg inom 100 meter från det nuvarande fjärrvärmerörnätet. De ekonomiska resultaten visar att majoriteten av värmekällorna gav ett positivt nettonuvärde och en diskonterad återbetalningstid på mindre än 11 år. Den standardiserade kostnaden för värme låg inom rimliga gränser när den jämförs med befintliga data, där datacenter visade det mest lovande resultatet. Givet studiens resultat kan slutsatsen erhållas att Helsingfors potentiellt kan uppnå ett fossilfritt fjärrvärmesystem med en tillräcklig produktions-­ och värmehanteringsstrategi för fjärrvärme.