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Optimal Diversification of Heat Sources for Largeaustrian District

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Optimal Diversification of Heat Sources for Largeaustrian District DISSERTATION Optimal Diversification of Heat Sources for Large Austrian District Heating Systems ausgeführt zum Zwecke der Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der technischen Wissenschaften unter der Anleitung von Ao. Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Reinhard Haas E370 - Institut für Energiesysteme und elektrische Antriebe eingereicht an der Technischen Universität Wien Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik von Dipl.-Ing. Nikolaus Rab, M.Sc. (WU) Die approbierte Originalversion dieser Dissertation ist in der TU Wien Bibliothek verfügbar. The approved original version of this doctoral thesis is available at the TU Wien Bibliothek. Wien, 2019 Nikolaus Rab tuwien.at/bibliothek Die approbierte Originalversion dieser Dissertation ist in der TU Wien Bibliothek verfügbar. tuwien.at/bibliothek The approved original version of this doctoral thesis is available at the TU Wien Bibliothek. Kurzfassung Zahlreiche Studien sprechen der Fernwärme eine bedeutende Rolle innerhalb nach- haltiger Energiesysteme der Zukunft zu. Heutzutage sind gasbefeuerte Kraft-Wärme- Kopplungsanlagen ein zentrales Standbein großer Fernwärmesysteme in Österreich. Die stark fallenden Börse-Strompreise der vergangenen Jahre erschweren zusehends einen wirtschaftlichen Betrieb dieser Anlagen. Diese Strompreisentwicklungen stellen dadurch eine wirtschaftliche Bedrohung für diese Fernwärmesysteme als Gesamtes dar und zeigen gleichzeitig die Bedeutung einer ausgewogenen Diversifikation des Fernwärmeerzeugungs- Portfolios auf. In der vorliegenden Dissertation wird zunächst eine detaillierte Analyse der wirtschaftlichen Charakteristika sowie der Risikoexposition verschiedenster Fernwär- metechnologien durchgeführt. Dabei werden mehrere wissenschaftliche Beiträge gemacht. Zum einen wird als Grundlage für die Investitionsentscheidungen in eine Fernwärmetechno- logie unter Unsicherheit die Verteilung zeitlich gemittelter Primärenergiepreise (levelized input energy prices) mittels Ergebnisse aus der asiatischen Optionspreistheorie hergeleitet. Zum anderen wird eine dynamische Kostenallokation für Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen auf Basis des aktuellen Deckungsbeitrages der Stromerzeugung eingeführt. Schließlich wird ein nicht-konvexes Optimierungsmodell zur Selektion von Fernwärmeportfolien bei unterschiedlicher Risikoaversion entwickelt. Die Anwendung des Modells zeigt für die drei großen österreichischen Fernwärmesysteme Wien, Linz und Graz deutlich die Bedeu- tung einer Integration von Niedertemperatur-Abwärmequellen mittels Wärmepumpen für die Möglichkeit langfristig stabile und wettbewerbsfähige Fernwärmepreise für den Endkunden bereitzustellen. Die approbierte Originalversion dieser Dissertation ist in der TU Wien Bibliothek verfügbar. The approved original version of this doctoral thesis is available at the TU Wien Bibliothek. iii tuwien.at/bibliothek Die approbierte Originalversion dieser Dissertation ist in der TU Wien Bibliothek verfügbar. tuwien.at/bibliothek The approved original version of this doctoral thesis is available at the TU Wien Bibliothek. Abstract Numerous recent studies foresee district heating play an important role in the development of future sustainable energy systems. Today large Austrian district heating systems mainly rely on combined heat and power plants fueled by natural gas. Due to changes in the electricity market in the last years, these plants have rather poor economic prospects. The electricity price development endangers the economic viability of the existing district heating systems and indicates the need for a proper diversification of price risks. Within this thesis an in-depth analysis of the financial characteristics and risk exposures of different district heating generation technologies is carried out. Hereby new scientific contributions are made by deriving the distribution of levelized input energy prices for the purpose of enabling district heating investment decisions under uncertainty based on insights gained from Asian option theory. Furthermore, a dynamic cost allocation of combined heat and power plants depending on the actual contribution margin of electricity generation is introduced. Finally, a non-convex optimization model is developed for the optimal selection of district heating generation portfolios for different levels of risk aversion. The application of this model for the district heating systems of Vienna, Linz and Graz particularly stresses the value of including low-temperature heat sources via heat pumps for ensuring stable and competitive prices for district heating customers. Die approbierte Originalversion dieser Dissertation ist in der TU Wien Bibliothek verfügbar. The approved original version of this doctoral thesis is available at the TU Wien Bibliothek. v tuwien.at/bibliothek Die approbierte Originalversion dieser Dissertation ist in der TU Wien Bibliothek verfügbar. tuwien.at/bibliothek The approved original version of this doctoral thesis is available at the TU Wien Bibliothek. Contents Kurzfassung iii Abstract v Contents vii 1 Introduction 1 1.1 Motivation ................................... 1 1.2 URBEM-DK .................................. 3 1.3 State of the Art ................................. 3 1.4 Core Objectives ................................. 4 1.5 Scientific Contributions and Structure of the Thesis ............ 5 I Economic Characteristics of District Heating in Austria 7 2 Demand and Supply 9 2.1 District Heating Load ............................. 10 2.1.1 Variation Over Time .......................... 10 2.1.2 Load Duration Curve (LDC) ..................... 13 2.2 District Heating Sources ............................ 16 2.2.1 Combustion Plants ........................... 16 2.2.2 Waste Heat ............................... 21 2.2.3 Heat Pumps ............................... 23 2.2.4 Non-Combustible Renewables ..................... 26 2.2.5 Technical Parameters ......................... 27 2.2.6 Financial Parameters .......................... 30 3 Input Energy 35 3.1 Markets and Prices ............................... 36 3.1.1 Fossil Fuels ............................... 36 3.1.2 Wood Fuels ............................... 39 Die approbierte Originalversion dieser Dissertation ist in der TU Wien Bibliothek verfügbar. The approved original version of this doctoral thesis is available at the TU Wien Bibliothek. 3.1.3 Electricity ................................ 39 3.1.4 Volatilities and Correlations ...................... 41 vii tuwien.at/bibliothek 3.2 Long-Term Uncertainties ............................ 44 3.2.1 Stochastic Dynamics of Energy Prices (Pt)t≥0 . 44 3.2.2 Distribution of Levelized Energy Prices P¯ . 46 3.3 Input-Related Costs .............................. 48 3.3.1 Transmission and Transportation Costs CT . 48 3.3.2 Taxes .................................. 51 4 Cost Curves of Single DH Technologies 53 4.1 Fixed and Variable Costs ........................... 54 4.1.1 Heat-Only Technologies ........................ 55 4.1.2 CHP Technologies ........................... 56 4.1.3 Waste Heat Technologies ....................... 60 4.2 Cost Curves ................................... 62 II District Heating Generation Portfolio Selection 65 5 Generation Expansion Planning 67 5.1 Introduction to GEP .............................. 68 5.1.1 Inclusion of Existing Plants ...................... 69 5.2 Convex Programming GEP .......................... 70 5.2.1 Reformulation of the Standard GEP . 70 5.2.2 Analytical Characteristics ....................... 72 5.2.3 Linearisation .............................. 74 5.3 Mixed-Integer Linear Programming (MILP) GEP . 76 5.3.1 Discretisation and Extension of the Standard GEP . 76 5.3.2 Flexibility Modeling .......................... 76 5.3.3 Program Formulation ......................... 81 5.4 Discussion .................................... 85 6 Modern Portfolio Theory 87 6.1 Standard Portfolio Theory ........................... 88 6.1.1 Program Formulation ......................... 88 6.1.2 Analytical Characteristics ....................... 89 6.1.3 Discussion ................................ 90 6.2 Integrated Portfolio Theory .......................... 91 6.2.1 Risk-Averse Stochastic Programming . 91 6.2.2 Convex Quadratic Programming Approximation . 94 6.2.3 Solution Algorithm ........................... 95 7 Large District Heating Systems in Austria 99 7.1 Characteristics .................................100 Die approbierte Originalversion dieser Dissertation ist in der TU Wien Bibliothek verfügbar. The approved original version of this doctoral thesis is available at the TU Wien Bibliothek. 7.1.1 Annual District Heating Generation . 100 7.1.2 Main Technical Characteristics . 101 viii tuwien.at/bibliothek 7.2 Generation Portfolios and Available Heat Sources . 102 7.2.1 Combustion Plants with Renewable Fuels . 102 7.2.2 Combustion Plants With Fossil Fuels . 103 7.2.3 Waste Heat Sources . 106 7.2.4 Non-Combustible Renewables . 108 7.2.5 Heat Pumps ...............................108 7.3 Mean-Variance Optimal Expansion Strategies . 110 7.3.1 Input Data for the IPT model . 110 7.3.2 Selected Generation Portfolios . 114 8 Conclusions and Outlook 123 8.1 Key Role of Portfolio Diversification . 123 8.2 Transformation of Large DH Systems in Austria . 124 8.3 Outlook for Future Research . 125 A Mathematical Proofs 127 A.1 Generation Expansion Planning . 127 A.2 Modern Portfolio Theory . 131 List of Figures 133 List of Tables 135 Bibliography 137 Die approbierte Originalversion dieser Dissertation ist in der TU Wien Bibliothek verfügbar.
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