Skip to ContentSkip to Navigation

Centre for Energy Economics Research

Faculty of Economics and Business
Header image Centre of Expertise CEER

Optimal design of district-heating system depends on characteristics neighbourhood as well as situation in electricity market

Datum:07 september 2021
District Heating Systems
District Heating Systems

From a societal perspective, the optimal design of district-heating systems depends on both the characteristics of the houses which have to be connected, in particular how much heat they demand, and the situation in the electricity market. When the electricity price is expected to be high in the future and/or when the electricity is mainly generated by non-renewable resources, then is not optimal to use heat pumps as they require enormous amounts of electricity. In such circumstances, it can be more beneficial for a society to use residual heat, e.g. from an industry with a delivery temperature of 70 degrees Celsius, provided that the distance between heat source and houses is limited.

ARTIKEL IN NEDERLANDS ONDER AAN DEZE PAGINA

Read the full report

This follows from a social-costs-benefit analysis of various design options of district-heating systems in the city of Groningen, conducted by prof. Machiel Mulder and Daan Hulshof from the University of Groningen. This municipality has the ambition to build a district-heating system in the North-west of the city in order to reduce the consumption of natural gas and, hence, to contribute to the reduction of CO2 emissions.

The method of social-cost-benefit analysis enables researchers to take all kind of effects of policy measures on board, not only effects (i.e. costs and benefits) which are having a market price, but also so-called external effects, like environmental emissions or the effort required from households to adapt their houses. The research of Mulder and Hulshof shows that the construction of a district-heating system in the city of Groningen is a beneficial investment from societal perspective when the value of reducing CO2 emissions is set at 500 euro per ton or higher. This outcome requires that the heat is delivered to the houses at a temperature of 70 degrees Celsius, that the price of electricity is not too high (i.e. much lower than the current market prices) and that the electricity is mainly generated from renewable sources.

District-heating systems which offer heat at temperatures below 70 degrees Celsius are relatively expensive when houses have to invest in insulation and heat distributors. In addition, these houses generally have to install heat pumps, which not only result in higher costs of electricity use, but also lead to a higher utilisation of the electricity-distribution grid, which may require extra investments. Because of this, it is often the least expensive option to offer heat at 70 degrees Celsius as then such investments and costs are not required. When in such systems the source heat is below that delivery temperature (for instance, aqua thermal energy), also heat pumps in the system are required. As a consequence, also these systems show a high demand for electricity. As a matter of fact, this electricity should be not too expensive and also generated in a renewable way, otherwise the costs would be too high and the (environmental) benefits too small.

When these conditions do no hold, such district-heating systems are relatively expensive from a societal perspective.  The first-best alternative system is the one which uses residual heat from an industry which can be delivered at a higher temperature. Of course, the source of this residual heat should be located near by the users of heat, otherwise the costs of transporting the heat would make the project unprofitable, also from a societal perspective.

For more information, please contact:

Prof. dr. Machiel Mulder: machiel.mulder@rug.nl of 06-31035729

Read the full report

NEDERLANDS:

Optimaal ontwerp stadsverwarming hangt af van kenmerken woningen én stroommarkt

Het maatschappelijk optimale ontwerp van een systeem van stadsverwarming hangt niet alleen af van hoe goed de aan te sluiten woningen geïsoleerd zijn en hoeveel warmte ze dus nodig hebben, maar ook van de toekomstige situatie op de stroommarkt. Wanneer verwacht wordt dat de stroomprijs hoog zal zijn of wanneer de stroom vooral met kolen- of gascentrales wordt opgewerkt, dan is het maatschappelijk niet optimaal om gebruik te maken van warmtepompen omdat die immers veel stroom nodig hebben. Het kan dan gunstiger zijn om restwarmte uit een industrie, met een hogere temperatuur (eerst 70 graden, later wellicht 50 graden Celsius) te gebruiken, mits de afstand tussen de warmtebron en de aan de sluiten woningen beperkt is.

Dit blijkt uit een maatschappelijke kosten-baten analyse (MKBA) van verschillende vormen van warmtesystemen in de gemeente Groningen die door Machiel Mulder en Daan Hulshof van de Rijksuniversiteit Groningen is uitgevoerd. Deze gemeente is van plan om in het Noordwesten van de stad stadsverwarming aan te leggen om daarmee huizen van het aardgas af te halen en op die manier een bijdrage te leveren aan de vermindering van de CO2-emissies.

In een MKBA worden alle kosten en baten van een project berekend, zowel die kosten en baten die afzonderlijke huishoudens en bedrijven direct in hun portemonnee voelen, als kosten en baten die maatschappelijk ook van belang zijn, maar niet in een prijs zijn uitgedrukt. Gedacht kan daarbij worden aan het maatschappelijk belang van minder milieuvervuiling of van een vermindering van de aardgasconsumptie. Uit het onderzoek van Mulder en Hulshof blijkt dat het aanleggen van een lokaal warmtenetwerk in het Noordwesten van de gemeente Groningen maatschappelijk gezien een gunstige investering is wanneer de waarde van het reduceren van CO2-emissies op minimaal 500 euro/ton CO2 wordt gezet. Het is dan wel van belang dat de warmte op 70 graden Celsius bij de woningen wordt afgeleverd, dat de stroomprijs daalt (en veel lager is dan momenteel) en de stroom grotendeels met hernieuwbare bronnen wordt opgewekt.

Warmtesystemen die warmte van minder dan 70 graden Celsius aanbieden, zijn relatief duur omdat dan in woningen grote kosten moeten worden gemaakt voor isolatie en andere warmteafgifteapparatuur.  Bovendien zullen in zulke systemen huishoudens vaak warmtepompen moeten installeren, wat niet alleen leidt tot hogere stroomkosten, maar ook tot een groter beslag op het elektriciteitsdistributienetwerk, waardoor de capaciteit ervan moet worden uitgebreid. Daarom is vaak de minst dure optie een warmtesysteem waarbij de warmte met een temperatuur van 70 graden wordt afgeleverd bij de woningen omdat dan zulke aanpassingen niet nodig zijn. Als dan warmte wordt gebruikt van minder dan 70 graden Celsius (bijvoorbeeld uit aquathermie) dan zijn ook warmtepompen nodig om de temperatuur te verhogen naar 70 graden. Het gevolg daarvan is dat ook deze systemen een grote behoefte aan stroom hebben, afhankelijk van de brontemperatuur. Het spreekt voor zich dat deze stroom niet te duur moet zijn. Ook moet die stroom zoveel mogelijk duurzaam worden opgewekt, want anders heeft de aanleg van het warmtesysteem weinig effect op de CO2-emissies.

Als aan deze voorwaarden niet is voldaan, dan zijn zulke warmtesystemen vrij duur. Het ligt dan voor de hand te kijken naar systemen waarbij warmtebronnen van hogere temperatuur  kunnen worden gebruikt. Dit kan restwarmte zijn van bijvoorbeeld industrieën De cruciale factor voor de maatschappelijke rentabiliteit hier is de afstand tussen bron en de aan te sluiting woningen. Deze afstand moet beperkt zijn vanwege de hoge kosten van de benodigde transportinfrastructuur.

Voor meer informatie:

Prof. dr. Machiel Mulder: machiel.mulder@rug.nl of 06-31035729

Lees gehele rapport