Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Energy conservation measures in buildings heated by district heating - A local energy system perspective
Linköping University, Department of Management and Engineering, Energy Systems. Linköping University, The Institute of Technology.
Tekniska Verken Linköping AB.
Linköping University, Department of Management and Engineering, Energy Systems. Linköping University, The Institute of Technology.
Tekniska Verken Linköping AB.
2010 (English)In: Energy, ISSN 0360-5442, E-ISSN 1873-6785, Vol. 35, no 8, p. 3194-3203Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

The extensive energy use in the European building sector creates opportunities for implementing energy conservation measures (ECMs) in residential buildings. If ECM are implemented in buildings that are connected to a district heating (DH) system, the operation of DH plants may be affected, which in turn may change both revenue and electricity production in cogeneration plants. In this study a local energy system, containing a DH supplier and its customer, has been analysed when implementing three ECMs: heat load control, attic insulation and electricity savings. This study is unique since it analyses economic and CO2 impacts of the ECMs in both a user and a supplier perspective in combination with a deregulated European electricity market. Results show that for the local energy system electricity savings should be prioritised over a reduction in DH use, both from an economic and a global CO2 perspective. For the DH supplier attic insulation demonstrates unprofitable results, even though this measure affects the expensive peak load boilers most. Heat load control is however financially beneficial for both the DH supplier and the residences. Furthermore, the relation between the fixed and variable DH costs is highlighted as a key factor for the profitability of the ECMs.

Place, publisher, year, edition, pages
Elsevier Science B.V., Amsterdam. , 2010. Vol. 35, no 8, p. 3194-3203
Keywords [en]
Energy conservation measures; District heating; Combined heat and power; Optimisation; Residential buildings
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:liu:diva-58169DOI: 10.1016/j.energy.2010.04.001ISI: 000280017300008OAI: oai:DiVA.org:liu-58169DiVA, id: diva2:342920
Note
Original Publication: Kristina Difs, Marcus Bennstam, Louise Trygg and Lena Nordenstam, Energy conservation measures in buildings heated by district heating - A local energy system perspective, 2010, Energy, (35), 8, 3194-3203. http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2010.04.001 Copyright: Elsevier Science B.V., Amsterdam. http://www.elsevier.com/ Available from: 2010-08-11 Created: 2010-08-09 Last updated: 2018-11-05
In thesis
1. District Heating and CHP: Local Possibilities for Global Climate Change Mitigation
Open this publication in new window or tab >>District Heating and CHP: Local Possibilities for Global Climate Change Mitigation
2010 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Global warming, in combination with increasing energy demand and higher energy prices, makes it necessary to change the energy use. To secure the energy supply and to develop sustainable societies, construction of energy-efficient systems is at the same time most vital. The aim of this thesis is therefore to identify how a local energy company, producing district heating (DH), district cooling (DC) and electricity in combined heat and power (CHP) plants, can contribute to resource-efficient energy systems and cost-effective reductions of global carbon dioxide (CO2) emissions, along with its customers. Analyses have been performed on how a local energy company can optimise their DH and DC production and what supply-side and demand-side measures can lead to energy-efficient systems in combination with economic and climate change benefits. The energy company in focus is located in Linköping, Sweden. Optimisation models, such as MODEST and reMIND, have been used for analysing the energy systems. Scenario and sensitivity analyses have also been performed for evaluation of the robustness of the energy systems studied. For all analyses a European energy system perspective was applied, where a fully deregulated European electricity market with no bottlenecks or other system failures was assumed.

In this thesis it is concluded that of the DH-supply technologies studied, the biomass gasification applications and the natural gas combined cycle (NGCC) CHP are the technologies with the largest global CO2 reduction potential, while the biomass-fuelled plant that only produces heat is the investment with the smallest global CO2 reduction and savings potential. However, the global CO2 reduction potential for the biomass integrated gasification combined cycle (BIGCC) CHP and NGCC CHP, the two technologies with highest electricity efficiencies, is highly dependent on the assumptions made about marginal European electricity production. Regarding the effect on the DH system cost the gasification application integrated with production of renewable biofuels (SNG) for the transport sector is the investment option with the largest savings potential for lower electricity prices, while with increasing electricity prices the BIGCC and NGCC CHP plants are the most cost-effective investment options. The economic outcome for biomass gasification applications is, however, dependent on the level of policy instruments for biofuels and renewable electricity. Moreover, it was shown that the tradable green certificates for renewable electricity can, when applied to DH systems, contribute to investments that will not fully utilise the DH systems’ potential for global CO2 emissions reductions.

Also illustrated is that conversion of industrial processes, utilising electricity and fossil fuels, to DH and DC can contribute to energy savings. Since DH is mainly used for space heating, the heat demand for DH systems is strongly outdoor temperature-dependent. By converting industrial processes, where the heat demand is often dependent on process hours instead of outdoor temperature, the heat loads in DH systems can become more evenly distributed over the year, with increased base-load heat demand and increased electricity generation in CHP plants as an outcome. This extra electricity production, in combination with the freed electricity when converting electricity-using processes to DH, can replace marginal electricity production in the European electricity market, resulting in reduced global CO2 emissions.

Demonstrated in this thesis is that the local energy company, along with its customers, can contribute to reaching the European Union’s targets of reducing energy use and decreasing CO2 emissions. This can be achieved in a manner that is cost-effective to both the local energy company and the customers.

Abstract [sv]

Den globala uppvärmningen i kombination med ett ökat energibehov och stigande energipriser gör det nödvändigt att förändra energianvändningen. Energieffektiva system är samtidigt en förutsättning för att kunna säkra energitillförseln och utveckla hållbara samhällen. Fjärrvärme har en viktig roll att fylla i den här omställningen. I fjärrvärmesystemen kan värmeresurser som annars kan vara svåra att nyttiggöras, som till exempel spillvärme och förbränning av avfall tas tillvara. Fjärrvärme kan även bidra till elproduktion i kraftvärmeverk där totalverkningsgraden är högre än vid separat el- respektive värmeproduktion. En omställning av energisystemet till en ökad användning av fjärrvärme och minskad användning av el genom effektiviseringar och konverteringar från olja och el till fjärrvärme kan bidra till att skapa energieffektiva system.

Syftet med den här avhandlingen är att identifiera hur ett lokalt energibolag som producerar fjärrvärme, fjärrkyla och el i kraftvärmeverk kan bidra till att skapa energieffektiva system och kostnadseffektiva globala koldioxidreduktioner tillsammans med sina kunder. Det energibolag som framförallt har studerats i den här avhandlingen är Tekniska Verken i Linköping AB. För att optimera energibolagets fjärrvärme- och fjärrkylaproduktion har energisystemanalyser genomförts, där både åtgärder på tillförsel- och användarsidan har studerats. Genom att se energiförsörjningen ur ett systemperspektiv kan man undvika att ekonomiska och miljömässiga vinster vid en anläggning ersätts av förluster någon annanstans. Optimeringsmodeller, som MODEST och reMIND, har använts för energisystemanalyserna där även scenarier och känslighetsanalyser har inkluderats. För alla energisystemanalyser har ett europeiskt energisystemperspektiv använts där en totalt avreglerad europeisk elmarknad utan flaskhalsar eller andra systemfel antagits.

Slutsatser från analyserna är att det lokala energibolaget kan bidra till kostnadseffektiva globala koldioxidreduktioner genom ett effektivt nyttjande av bränslen i kraftvärmeanläggningar och i bioraffinaderier. Speciellt kraftvärmeanläggningar med hög elverkningsgrad, som t.ex. biomasseförgasning- och naturgaskombianläggningar, har en betydande global koldioxidreduktionspotential. Även biomasseförgasningsanläggningar som är integrerade med produktion av förnybara drivmedel för transportsektorn har visat sig kostnadseffektiva med stor potential att reducera de globala koldioxidutsläppen. Styrmedel har dock en stor påverkan på det ekonomiska utfallet för förgasningsanläggningarna.

Dessutom har studierna visat att energibesparingar kan åstadkommas genom att konvertera el och fossilbränsledrivna industriella processer till fjärrvärme och fjärrkyla. Eftersom fjärrvärme framförallt används för lokaluppvärmning är värmelasten i fjärrvärmesystem säsongsbetonad. Genom att konvertera industriella processer som inte är utetemperaturberoende till fjärrvärme kan fjärrvärmelasten bli mindre säsongsbetonad och mer jämt fördelad över året. En jämt fördelad värmelast är fördelaktig för driften av fjärrvärmeanläggningar och kan bidra till mer elproduktion i kraftvärmeanläggningar. Den extra elproduktionen, tillsammans med den el som blivit tillgänglig efter konvertering av eldrivna processer till fjärrvärme, kan ersätta europeisk marginalelsproduktion vilket kan reducera de globala koldioxidutsläppen.

Det som har framkommit av dessa studier är att det lokala energibolaget, tillsammans med sina kunder, kan bidra till att uppfylla de mål den Europeiska Unionen har angående reduktionen av energianvändningen och koldioxidutsläppen. Dessutom kan detta ske på ett kostnadseffektivt sätt för både energibolaget och dess kunder.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköpings universitet, 2010. p. 77
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 1336
Keywords
District heating, combined heat and power, carbon dioxide emissions, optimisation, energy policies
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-58716 (URN)978-91-7393-325-4 (ISBN)
Public defence
2010-10-08, ACAS, A-huset, Campus Valla, Linköpings universitet, Linköping, 10:15 (Swedish)
Opponent
Supervisors
Available from: 2010-09-01 Created: 2010-08-23 Last updated: 2010-09-01Bibliographically approved
2. Corporate and city GHG inventories: Impact on global CO2 emissionswhen considering electricity and CHP-based district heating
Open this publication in new window or tab >>Corporate and city GHG inventories: Impact on global CO2 emissionswhen considering electricity and CHP-based district heating
2018 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

One initiative to reduce greenhouse gas (GHG) emissions involves developing standards for GHG inventories. Companies and cities (regions) can use GHG inventories to compile and report their GHG emissions. Standards for corporate and city GHG inventories often claim that GHG inventories can be used for identifying emissions opportunities, building reduction strategies and setting, measuring and reporting emissions targets. Attributional emissions factors are generally used in corporate and city GHG inventories. For purchased electricity, heat and steam, this means using average emission factors for regional or national production of each energy carrier. Also contractual emissions factors can be used. Changes in emissions from affected production elsewhere are not included. For purchased electricity and district heating (DH), a GHG inventory can be improved by lowered purchases or by purchasing a different energy carrier.

Furthermore, combined heat and power (CHP) technology can help reduce global GHG emissions in the supply and conversion of energy, as CHP production is more efficient than conventional separate production of electricity and heat. In CHP production, excess heat from electricity production is utilised for heating buildings, hot water, industry processes etc., either directly or through DH systems.

This thesis analyses how emissions reduction measures based on corporate or city GHG inventories, carried out using GHG Protocol standards, affect global CO2 emissions when electricity or CHP-based DH is affected. The incentive of a GHG inventory to a company purchasing electricity and DH, and to a city regarding purchases and production of electricity and DH in its region, is analysed. This is done for GHG inventories conducted in a nation where electricity produced within the nation is regarded as CO2-lean (Sweden) and in a nation where it is more CO2-rich (Germany). The indirect incentive to the DH company to change its production, in order to improve the GHG inventory of its customers and of the city where the DH system is located, is also analysed. Consequential analyses are used to assess how global CO2 emissions are affected by changes in purchases or production of electricity and DH that are incentivised by the GHG inventories studied. These consequential analyses include changes in emissions from affected electricity production elsewhere.

The results show that the strength of incentive to reduce purchase of electricity or CHP-based DH by a company or in a city can differ between GHG inventories and consequential analysis. This is most clear when electricity produced within the nation is regarded as CO2-lean (Sweden) while affected electricity production elsewhere is CO2-rich. For replacing purchases of CHP-based DH with electricity, or vice versa, the incentive in a GHG inventory can be the reverse of that in a consequential analysis. Moreover, the incentive to lower the use of electricity is lost when contractual emissions factors with zero emissions, such as renewable electricity guarantees of origin (RE-GOs), are used. In addition, purchase of electricity RE-GOs, which have a large surplus and no requirement of additionality, is less likely to cause a corresponding increase in production of renewable electricity.

Furthermore, when the highest emission reduction per Euro invested is sought (e.g. when investment resources are limited), the investment ranking of a heat-only boiler and a CHP plant can differ depending on whether the focus is on improving a city GHG inventory or lowering global CO2 emissions. Moreover, if the DH company improves (reduces) the average emissions factor for DH, it improves the GHG inventory of its customers and of the city where they are located. In a DH system based on bio-fuelled CHP production, the average emissions factor for DH improves when CHP electricity production is lowered to the extent that production of heat at the oil-fuelled heat-only boiler (used for peak heat production) is minimised. However, according to consequential analysis, this would lead to an increase in global CO2 emissions.

Based on the results of this thesis, it is concluded that measures which include changes in purchases or production of electricity or CHP-based DH can increase global CO2 emissions when based on how corporate or city GHG inventories in general value CO2 emissions of electricity and DH. It is therefore unfortunate that GHG Protocol standards for corporate and city GHG inventories advocate basing emissions reduction decisions on GHG inventories. There is nonetheless an obvious risk of reported and communicated GHG inventories being used as a basis for emissions reductions decisions. If the aim is actual reduction of global CO2 emissions, average or purchased emissions factors should not be used for purchased electricity and CHP-based DH when assessing, reporting or communicating the impact of companies and cities (regions) on CO2 emissions. Instead, a consequential approach should be used for climate evaluation of purchased electricity and DH.

Abstract [sv]

Ett av många initiativ för att minska utsläpp av klimatpåverkande gaser är framtagandet av regelverk för klimatredovisningar. Klimatredovisningarna kan användas av företag och städer (regioner) för att sammanställa och rapportera om företagets eller stadens utsläpp av klimatpåverkande gaser. I regelverken för framtagande av klimatredovisningarna betonas ofta att klimatredovisningen kan användas för att identifiera var utsläppsminskningar kan göras, att utveckla strategier för att minska klimatpåverkande utsläpp samt för att sätta, mäta och följa upp mål för klimatpåverkande utsläpp. En klimatredovisning innehåller vanligtvis bokföringsvärden, vilket innebär att lokala genomsnittliga utsläppsfaktorer används för köpt el och värme. Även köpta utsläppsfaktorer kan användas. Klimatredovisningen inkluderar inte ändringar i utsläpp från produktion som påverkas någon annanstans. En klimatredovisning kan förbättras t ex genom att mindre energi köps eller genom byte av energibärare.

För el- och värmeförsörjning kan kraftvärmeteknik bidra till minskade globala utsläpp av koldioxid (CO2), eftersom kraftvärmeproduktion är mer effektivt än separat produktion av el och värme. Vid kraftvärmeproduktion tas överskottsvärmen från elproduktionen tillvara för att värma byggnader, varmvatten, industriprocesser mm, antingen direkt eller via fjärrvärmesystem.

I denna avhandling analyseras hur globala utsläpp av CO2 påverkas av åtgärder som påverkar förbrukning eller produktion av el och fjärrvärme, när beslut om sådana åtgärder baseras på ett företags eller en stads klimatredovisning, gjorda enligt Greenhouse Gas Protocols regelverk. Incitamenten i ett el- och fjärrvärmeköpande företags klimatredovisning och i en stads klimatredovisning analyseras. Detta görs för klimatredovisningar utförda i ett land där elproduktionen inom landet är CO2-mager (Sverige) och ett land med mer CO2-rik elproduktion (Tyskland). Dessutom analyseras de indirekta incitament som dessa klimatredovisningar ger till det lokala fjärrvärmeföretaget att ändra sin produktion för att förbättra sina kunders klimatredovisningar och klimatredovisningen för staden där fjärrvärmeverksamheten finns. Konsekvensanalyser görs för att beräkna hur olika åtgärder som stödjs av klimatredovisningarna påverkar globala CO2-utsläpp. I konsekvensanalyserna inkluderas också förändringar i utsläpp från påverkad elproduktion, även om den förändringen sker någon annan stans.

Resultaten visar att styrkan i incitamentet att minska ett företags eller en stads inköp av el eller fjärrvärme kan skilja sig mellan en klimatredovisning och en konsekvensanalys. Detta är särskilt tydligt när klimatredovisningen görs i ett land där elproduktionen inom landet är CO2-mager (Sverige) medan den påverkade elproduktionen är CO2-rik. När det gäller utbyte av fjärrvärme mot el eller tvärtom kan en klimatredovisning ge motsatta incitament jämfört med den ledningen en konsekvensanalys ger. När köpta emissionsfaktorer med nollutsläpp för el används, t ex förnybara ursprungsgarantier, försvinner incitamentet att minska elanvändningen. Det är dessutom mindre sannolikt att ett köp av förnybara ursprungsgarantier för el medför motsvarande ökning av produktion av förnybar el, då överskottet av förnybara ursprungsgarantier för el är stort och additionalitetskrav saknas.

När investeringsresurser är begränsade kan det vara av intresse att utvärdera vilken investering som ger mest reduktion av klimatpåverkande gaser per investering. Avhandlingens resultat visar att investering i hetvattenproduktion och kraftvärmeproduktion då kan komma att sinsemellan rangordnas olika, beroende på om målet är att förbättra stadens klimatbokslut eller om målet är att minska globala utsläpp av CO2.

Om fjärrvärmeföretaget förbättrar (minskar) genomsnittlig emissionsfaktor för sin fjärrvärme, förbättras klimatbokslutet för deras kunder och för staden där fjärrvärmesystemet är beläget. Resultaten visar också att i ett fjärrvärmesystem, som baseras på ett bioeldat kraftvärmeverk och där olja används för efterfrågetoppar när det är som allra kallast, förbättras fjärrvärmens emissionsfaktor när elproduktionen i kraftvärmeverket minskas. Dock visar konsekvensanalysen att ett sådant agerande kan medföra ökade globala utsläpp av CO2.

Baserat på resultaten dras slutsatsen att beslut om åtgärder, som påverkar köp eller produktion av el eller kraftvärmebaserad fjärrvärme, kan orsaka ökning av globala CO2-utsläpp om de baseras på de incitament ett klimatbokslut ger. Det är därför olyckligt att GHG Protocols regelverk för företags och städers klimatbokslut rekommenderar att klimatboksluten används för beslut som avser att minska utsläpp av CO2. Även om de inte rekommenderade detta, finns ändå en uppenbar risk att rapporterade och kommunicerade klimatbokslut används som bas för beslut om åtgärder som syftar till minskade utsläpp av CO2.

Om syftet är minskade globala CO2-utsläpp bör genomsnittliga och köpta emissionsfaktorer inte användas för klimatvärdering av köpt el och kraftvärmebaserad fjärrvärme när ett företags eller en stads (regions) klimatpåverkan beräknas, rapporteras eller kommuniceras. För klimatvärdering av köpt el och fjärrvärme bör i stället en konsekvensbaserad metod användas.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2018. p. 75
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Licentiate Thesis, ISSN 0280-7971 ; 1812
National Category
Energy Engineering Energy Systems
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-152490 (URN)10.3384/lic.diva-152490 (DOI)9789176852545 (ISBN)
Supervisors
Available from: 2018-11-05 Created: 2018-11-05 Last updated: 2019-10-12Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(627 kB)1631 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 627 kBChecksum SHA-512
f9e5c4df5b3382582ee62d2b8b331f24035571711f2171714dfa302f512b300a9d695e188de92bfd09e7279dd5e0b1a7c9101053e666c2a4e6ff7f63420c05e4
Type fulltextMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full text

Search in DiVA

By author/editor
Difs, KristinaBennstam, MarcusTrygg, LouiseNordenstam, Lena
By organisation
Energy SystemsThe Institute of Technology
In the same journal
Energy
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 1631 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 524 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf