Investment Optimization and Risk Assessment for District Heating Decarbonization Pathways for a Case Study

Um das Ziel der Klimaneutralität bis 2050 zu erreichen, müssen Maßnahmen in allen Bereichen der Energieversorgung ergriffen werden. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Dekarbonisierung des Wärme- und Kältesektors. Der Einsatz fossiler Brennstoffe zur Wärmeerzeugung muss reduziert und durch erneuerbare Energiequellen wie Biomasse, Geothermie oder industrielle Abwärme ersetzt werden. Investitionen in die Dekarbonisierung von Fernwärmenetzen sind in den kommenden Jahren entscheidend, um die Klimaziele zu erreichen. Gleichzeitig sind mit der Einführung erneuerbarer Technologien Risiken verbunden, insbesondere aufgrund von Unsicherheiten hinsichtlich der zukünftigen Klimaentwicklung und Energiepreisfluktuationen. Ziel dieser Arbeit ist es, einen optimalen Investitionsplan für ein ausgewähltes Fernwärmenetz zu entwickeln und dessen wirtschaftliche Robustheit unter verschiedenen Unsicherheitsszenarien zu bewerten. Die zentralen Forschungsfragen lauten: Welche Technologien sollten in einem bestehenden Fernwärmenetz implementiert werden, um bis 2050 Klimaneutralität zu erreichen, unter Berücksichtigung von Unsicherheiten bei Energiepreisen und Verfügbarkeiten? Wann ist der optimale Zeitpunkt für Investitionen in diese Technologien, um einen effizienten Übergang zu gewährleisten? Und wie wirken sich Unsicherheiten auf Investitionsentscheidungen aus? Für die Fallstudie wurde die Produktionsseite des Fernwärmenetzes modelliert, einschließlich bestehender und potenzieller zukünftiger Wärmequellen wie Wärmepumpen, Abwärme und Biomassekessel. Das Modell berücksichtigt künftige Versorgungs- und Speicheroptionen. Unterschiedliche Szenarien wurden untersucht, um die Auswirkungen verschiedener Strategien zu analysieren, darunter die Einführung von Wärmespeichern oder die Senkung der Netztemperaturen. Unsicherheiten bezüglich zukünftiger Brennstoffpreise wurden bewertet, und die zugehörigen Wahrscheinlichkeiten wurden für eine quantitative Risikobewertung bestimmt. Auf Basis der EU-Energieeffizienzrichtlinie wurde für jedes Szenario ein Investitionspfad bis 2050 optimiert. Zur Analyse der Robustheit dieser Pfade kam eine Monte-Carlo-Simulation zum Einsatz. Abschließend wurden die Wirtschaftlichkeit jedes Pfads sowie das zugehörige Risiko quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass Kurzzeit-Wärmespeicher eine sichere Investition darstellen und die betriebliche Flexibilität erhöhen. Langzeitspeicher ermöglichen eine Verschiebung der Wärmeproduktion von Zeiten hoher erneuerbarer Energieverfügbarkeit auf Zeiten mit Spitzenbedarf, unterstützen damit eine vollständige Elektrifizierung, erhöhen jedoch die Abhängigkeit von Strompreisen. Frühe Investitionen in Wärmepumpen sind wirtschaftlich vorteilhaft, insbesondere in Kombination mit Wärmespeichern und reduzierten Netztemperaturen. Die Reduzierung der Netztemperaturen verbessert die Effizienz des Netzes und erleichtert die Einbindung von Umgebungswärme. Gas-KWK-Anlagen erfordern eine sorgfältige Planung, um Fehlinvestitionen zu vermeiden. Biomasse bleibt unter den aktuellen Annahmen rentabel, jedoch müssen regionale und regulatorische Einschränkungen weiterhin beobachtet werden.