The solution of the undergoing climate and energy crises requires a radical transformation of the energy system, in which sustainability, no carbon emissions and energy efficiency ought to play a paramount role. 

This revolution should extend to all areas of the energy system, including the space heating and cooling sector, which accounts for a third of the European final energy demand and, in the European continent, it is still mostly supplied by fossil fuels.

District heating is a simple but powerful technology that can contribute to tackle this challenge. As a network infrastructure, it is characterised by the flexibility of the heat production, allowing the incorporation of a wide range of heat sources over time. Furthermore, it enables the recycling of heat that would otherwise be wasted and the use of local heat sources in a more cost-effective manner. Moreover, its coupling with the electricity sector can facilitate the increase of intermittent electric renewable energy sources. 

Nevertheless, at the moment, district heating only covers a tenth of the European space heating and cooling needs, albeit with significant differences among countries. In addition, the development of new district heating networks is capital intensive and can only be justified in those areas where the concentration of the heat demand is sufficiently high to deliver a lower cost to society than an individual alternative. 

Therefore, it is crucial to assess the potential of district heating and to identify the target areas for in-depth investigations. This necessity demands easy and straightforward tools, which can provide a first order approximation of the construction cost of new networks. 

One of these tools is the capital cost model developed by Persson & Werner, which is based on, among others, the effective width parameter. This is an indicator of the required trench length in an area supplied by district heating and has been related to the building density. 

This work has contributed to the understanding of the effective width parameter in a wide range of building densities, taking advantage of one of the largest district heating networks in Denmark, and provided new equations that relate it to various indicators of building density. 

Furthermore, the average pipe diameter of district heating pipes has been linked to another crucial parameter in district heating technology, the linear heat density, extending prior work conducted by Persson and Werner. 

In addition, Persson and Werner's model and the newly found empirical expressions have been validated in various Danish district heating networks, showing that the model provides relatively accurate results on an aggregate level and large areas but dismally fails in low-extension areas. 

Finally, the model has been applied to the European Union showing that district heating networks could potentially supply a third of the heat demand in 2050.

Lösningen av de pågående klimat- och energikriserna kräver en radikal omvandling av energisystemet, där hållbarhet, inga koldioxidutsläpp och energieffektivitet bör spela en avgörande roll.

Denna revolution bör sträcka sig till alla delar av energisystemet, inklusive sektorn för uppvärmning och kylning av byggnader, som står för en tredjedel av Europas slutliga energibehov och på den europeiska kontinenten fortfarande till största delen försörjs av fossila bränslen.

Fjärrvärme är en enkel men kraftfull teknik som kan bidra till denna utmaning. Som nätverksinfrastruktur kännetecknas den av flexibilitet i värmeproduktionen, vilket möjliggör inkorporering av ett brett utbud av värmekällor över tid. Dessutom möjliggör det återvinning av värme som annars skulle gå till spillo och användning av lokala värmekällor på ett mer kostnadseffektivt sätt. Dessutom kan dess koppling till elsektorn underlätta ökningen av intermittenta elektriska förnybara energikällor.

Detta till trots täcker fjärrvärme för närvarande bara en tiondel av det europeiska behovet av uppvärmning och kylning av byggnader, om än med betydande skillnader mellan länderna. Utbyggnaden av nya fjärrvärmenät är dessutom kapitalkrävande och kan endast motiveras i de områden där koncentrationen av värmebehovet är tillräckligt hög för att ge en lägre kostnad för samhället än ett individuellt alternativ.

Därför är det avgörande att bedöma potentialen för fjärrvärme och att identifiera målområdena för fördjupade utredningar. Denna nödvändighet kräver enkla och okomplicerade verktyg, som kan ge en första ordningens uppskattning av investeringskostnader för nya nätverk.

Ett av dessa verktyg är kapitalkostnadsmodellen utvecklad av Persson & Werner, som bygger på bland annat parametern effektiv bredd. Detta är en indikator på den erforderliga dikeslängden i ett område som försörjs av fjärrvärme och har relaterats till byggnadstätheten.

Detta arbete har bidragit till förståelsen av effektiv bredd-parametern i ett vitt spektrum av byggnadstätheter, vars studium drar fördel av ett av de största fjärrvärmenäten i Danmark, och har gett nya ekvationer som relaterar den till olika indikatorer på byggnadstäthet.

Vidare har den genomsnittliga rördiametern för fjärrvärmerör kopplats till en annan avgörande parameter inom fjärrvärmetekniken, den linjära värmedensiteten, vilket utökar tidigare arbete utfört av Persson och Werner.

Dessutom har Persson och Werners modell och de nyfunna empiriska uttrycken validerats i olika danska fjärrvärmenät, vilket visar att modellen ger relativt exakta resultat på aggregerad nivå och stora ytor men mindre så i lågutbyggnadsområden.

Slutligen har modellen tillämpats på EU som visar att fjärrvärmenät potentiellt kan tillgodose en tredjedel av värmebehovet år 2050.

Climate change is one of the greatest challenges humanity is facing, and combating it requires a radical transformation of the energy system. This transition must combine net-zero greenhouse gas emissions with energy efficiency and sustainability. From a European perspective, it would also bring the added benefit of achieving energy independence and security of supply.

The ecological transition must reach all sectors of the energy system, including the heating and cooling sector. In Europe, this sector accounts for one third of final energy demand and it is still mainly covered by fossil fuels such as coal, oil, or natural gas. To replace these polluting sources, society has a broad range of technological alternatives. First, demand could be reduced through improved building insulation. However, beyond a certain point, demand reductions become prohibitively expensive, making it necessary to also substitute fossil-based heating and cooling with lower- or zero-emission sources. Among these alternatives are individual heat pumps, biomass, and district heating and cooling networks.

District heating and cooling systems consist of a network of pipes distributing heat and/or cold from one or more production plants to end users, mainly buildings in the residential and service sectors. Like electricity grids, these networks are characterized by their ability to integrate diverse heat and cold sources over time. They can also recycle waste heat from various sources that would otherwise be completely wasted. Another key advantage of district networks is their integration with the electricity system. Thermal storage in networks is significantly cheaper than electrical storage, and linking the two sectors via combined heat and power (CHP) plants, large-scale heat pumps, and electric boilers enables the system to capitalize on this cost advantage. In this way, surplus renewable electricity can be cost-effectively stored as heat, helping the integration of higher shares of renewable energy sources such as solar and wind.

Thanks to these benefits, several European countries have prioritized district networks, and in some, they cover more than half of heating demand in the residential and service sectors. However, their average share across the European Union is much lower, around 10%. Given the advantages of district systems, their further development could significantly aid the ecological transition of the heating and cooling sector. Therefore, estimating their potential at the European level is crucial. As earlier studies have pointed out, the potential of district heating and cooling networks largely depends on the cost of the pipe infrastructure, which varies significantly depending on local conditions. Although detailed network costs can be estimated at the neighbourhood or city scale using hydraulic and structural models, applying these methods across broader regions, such as countries or the entire Europe, is not feasible due to the extensive data and computation required. Therefore, developing simplified models to estimate network costs at larger scales is essential.

District networks can also take different forms depending on parameters such as supply and return temperatures and the location of heat and cold production plants. These and other factors lead to a wide variety of network configurations, but they can generally be grouped into two main categories: warm or conventional networks and cold or ambient-temperature networks. In the former, heat is supplied at the temperature needed for space heating and domestic hot water. In the latter, heat is delivered at near-ambient temperatures, requiring end users to have heat pumps to raise the temperature to usable levels. Previous studies have argued that cold networks might be more cost-effective because they can use non-insulated pipes similar to those used for drinking water, thermal losses are negligible, and the same network can provide both heating and cooling through the bidirectional use of distributed heat pumps. However, very few studies have quantitatively compared the two configurations.

This thesis has addressed these two aspects of district heating and cooling systems. First, it investigated their potential at the European scale. As noted, this requires simplified models to estimate pipe network costs across large areas. One such model is that of Persson and Werner, which provides a first approximation of these costs. A key parameter in their model is the effective width, which indicates the required trench length in an area to be supplied by district heating. Previous studies had not determined reliable effective width values for all urban typologies, nor had they sufficiently accounted for the necessary connection length to individual buildings since most attention had focused on the distribution network.

This thesis carried out a detailed geographic analysis of two of the largest district heating systems in Denmark, which allowed the development of new equations for estimating effective width. These equations relate this parameter to urban density indicators such as the number of buildings and built area. The updated Persson & Werner model was then validated on several test areas and found to provide reasonably accurate estimates when used at aggregated levels and over large areas, but it showed limited accuracy at small scales.

Two further improvements were added to the model to account for the fact that not all buildings may be connected and that heat demand is expected to decline in the future. The enhanced model was applied to all the European Union to estimate the costs and thus the potential of district networks. One key finding is that these systems could cost-effectively meet one third of the Europe’s residential and service sector heat demand by 2050.

The second part of this work examined the economic costs of warm and cold networks, both for heating only and for combined heating and cooling. This analysis is based on a detailed case study of Bilbao, which considered all key system components: heat/cold generation, distribution grid, and final-user connections. The results show that for heating-only systems, warm networks are more cost-effective due to the aggregation of demand (not all users require heat simultaneously), flexibility in energy sourcing, economies of scale in thermal storage, and lower electricity prices for industrial consumers, even when transport network costs are higher. These conclusions remain valid under varying economic conditions, including rising natural gas prices (e.g. due to the war in Ukraine) and high interest rates. However, when both heating and cooling are supplied, the costs of warm and cold networks are very similar. Warm systems require a parallel district cooling network, while cold networks do not require extra infrastructure, and the additional operating costs are minimal.

Finally, the case study focused on Bilbao also assessed how competitive district networks are compared to other low-carbon options like individual heat pumps and the predominant form of heat supply, natural gas. The comparison indicates that although both types of district networks are more cost-effective than individual heat pumps, they cannot outcompete natural gas, mainly due to the lack of a carbon pricing mechanism that would reflect its true social and environmental cost.

Klimatförändringarna är en av de största utmaningarna mänskligheten står inför, och att hantera dem kräver en radikal omställning av energisystemet. Denna omställning måste förena nettonollutsläpp av växthusgaser med energieffektivitet och hållbarhet. Ur ett europeiskt perspektiv innebär omställningen också en fördel i form av stärkt i form av minskat importberoende av energi och stärkt försörjningstryggheoch försörjningstrygghet.

Den gröna omställningen måste nå alla delar av energisystemet – inklusive uppvärmnings- och kylasektorn. I Europa står denna sektor för cirka en tredjedel av den totala slutanvändningen av energi och är fortfarande i stor utsträckning baserad på fossila bränslen som kol, olja och naturgas. För att ersätta dessa förorenande energikällor finns det ett antal teknologiska alternativ tillgängliga. Framför allt kan efterfrågan minskas genom bättre isolering av byggnader. Men efter en viss nivå blir ytterligare renoveringar oproportionerligt dyra. Det är därför också nödvändigt att ersätta fossilbaserad uppvärmning och kylning med lågutsläpps- eller nollutsläppskällor. Bland dessa alternativ finns individuella värmepumpar, biomassa samt fjärrvärme och fjärrkyla.

Fjärrvärme och fjärrkyla består av nätverk av rör som distribuerar värme och/eller kyla från en eller flera produktionsenheter till slutanvändare – huvudsakligen byggnaderbyggnader som används för bostäder och lokaler. Precis som elnätet har dessa system fördelen att de över tid kan integrera många olika värme- och kylakällor. De kan dessutom utnyttja överskottsvärme/kyla från källor som annars skulle gå förlorade. En annan väsentlig fördel med fjärrvärme är dess samspel med elsystemet. Termisk lagring i fjärrvärmesystem är avsevärt billigare än elektrisk lagring, och kopplingen mellan sektorerna via kraftvärmeverk, stora värmepumpar och elpannor gör det möjligt att utnyttja denna kostnadsfördel. På så sätt kan överskottsel från förnybara energikällor omvandlas till värme och lagras billigt – vilket underlättar integrationen av sol- och vindenergi i det övergripande energisystemet.

Tack vare dessa fördelar har flera europeiska länder prioriterat fjärrvärme, och i vissa av dessa täcker den mer än hälften av uppvärmningsbehovet i bostads- och lokalsektorn. Den genomsnittliga andelen i Europa är dock avsevärt lägre – omkring 10%. Mot bakgrund av fjärrvärmens fördelar kan en vidareutveckling av teknologin ge ett betydande bidrag till den gröna omställningen av uppvärmnings- och kylasektorn. Det är därför avgörande att bedöma dess potential på europeisk nivå. Som tidigare studier har visat beror denna potential i hög grad på kostnaderna för rörinfrastrukturen, som varierar betydligt beroende på lokala förhållanden. Även om detaljerade nätkostnader kan uppskattas på kvarters- eller stadsdelsnivå med hjälp av hydrauliska och strukturella modeller, är det inte realistiskt att tillämpa dessa metoder på nationell eller europeisk nivå på grund av den datamängd och de beräkningar som krävs. Det är därför nödvändigt att utveckla förenklade modeller för att uppskatta nätkostnader i större skala.

Fjärrvärme kan anta olika former beroende bland annat på framlednings- och returtemperaturer samt produktionsanläggningens placering. Dessa och andra faktorer leder till olika typer av nätkonfigurationer, som i allmänhet kan delas in i två huvudtyper: Uppvärmda (konventionella) nät och tempererade nät som inte är förvärmda. I uppvärmda nät levereras värme vid den temperatur som krävs för rumsuppvärmning och tappvarmvatten. I tempererade nät levereras värmen vid en temperatur nära omgivningens, vilket innebär att slutanvändarna behöver värmepumpar för att höja temperaturen. Tidigare studier har lyft fram att tempererade nät kan vara mer konkurrenskraftiga eftersom de möjliggör användning av oisolerade rör (som för dricksvatten), eftersom värmeförlusten är minimal, samt att samma nät kan användas för både uppvärmning och kylning via tvåvägskommunikation med värmepumpar. Det finns dock få kvantitativa jämförelser mellan de två huvudtyperna.

Denna avhandling har behandlat dessa två huvudaspekter av fjärrvärme- och fjärrkylasystem och genomfört en skattning avfjärrvärmepotentialen i Europa samt beräknat kostnaderna för uppvärmda respektive tempererade nätkonfigurationer. Först analyserades potentialen för fjärrvärme på europeisk nivå. Som nämnts kräver detta förenklade modeller för att uppskatta nätkostnader över stora geografiska områden. En sådan modell har utvecklats av Persson och Werner och ger en omedelbar indikation av de förväntade kostnaderna. En nyckelparameter i deras modell är storheten effektiv bredd (eng. effective width), som anger den rörlängd som krävs i ett område för att etablera fjärrvärme. Tidigare studier har för denna parameter inte fastställt tillförlitliga värden för stadsområden med låg eller varierande befolkningstäthet och har endast i begränsad omfattning tagit hänsyn till anslutning av enskilda byggnader – fokus har främst legat på distributionsnätet.

Denna avhandling har genomfört en detaljerad geografisk analys av två av Danmarks största fjärrvärmesystem, vilket har möjliggjort utvecklingen av mer precisa metoder för att uppskatta effektiv bredd. Dessa metoder relaterar den effektiva bredden till byggnadstäthet, mätt som antal byggnader och bebyggd yta. Den uppdaterade modellen från Persson och Werner validerades därefter i flera testområden och visade sig ge rimligt noggranna uppskattningar på aggregerad nivå, men lägre precision i mindre skala.

Modellen förbättrades dessutom så att den tar hänsyn till att inte alla byggnader nödvändigtvis kommer att anslutas, samt att värmeförbrukningen förväntas minska framöver. Den uppdaterade modellen tillämpades därefter på hela EU för att uppskatta kostnader och potential för fjärrvärme. Ett centralt resultat är att sådana system på ett kostnadseffektivt sätt kan täcka en tredjedel av värmebehovet i bostads- och lokalsektorn i Europa år 2050 – och därmed utgöra en väsentlig del av vägen mot en grön omställning av den europeiska kontinenten.

Den andra delen av avhandlingen analyserade de analyserade de ekonomiska förutsättningarna för uppvärmda respektive tempererade nätkonfigurationer – både för ren uppvärmning och för kombinerad uppvärmning och kylning. Analysen är baserad på en detaljerad fallstudie av en stadsdel i den spanska staden Bilbao, där alla nyckelkomponenter i ett fjärrvärmesystem inkluderades: Värme-/kylaproduktion, distributionsnät och anslutning av slutanvändare. Resultaten visar att uppvärmda nätkonfigurationer för ren uppvärmning är mest kostnadseffektiva – dels på grund av efterfrågeaggregering (inte alla använder värme samtidigt), flexibilitet i energikällor, stordriftsfördelar vid värmelagring, samt lägre elpriser för industrikonsumenter – även när nätkostnaderna är högre. Dessa slutsatser förblir giltiga under olika ekonomiska antaganden, inklusive stigande gaspriser (till exempel som en följd av kriget i Ukraina) och höga räntor. När både uppvärmning och kylning ska levereras är däremot kostnaderna för uppvärmda och tempererade nät i stort sett likvärdiga. Uppvärmda nät kräver ett separat fjärrkylanät, medan tempererade nät inte kräver ytterligare infrastruktur, samt att deras driftskostnader är minimala.

Slutligen bedömde fallstudien av Bilbao hur konkurrenskraftiga fjärrvärmesystem är jämfört med andra lågutsläppslösningar som individuella värmepumpar och den mest utbredda uppvärmningsformen – naturgas. Jämförelsen visar att båda typerna av fjärrvärme är mer kostnadseffektiva än individuella värmepumpar, men att de inte kan konkurrera med naturgas – främst eftersom det saknas ett pris på koldioxidutsläpp som återspeglar naturgasens verkliga samhälls- och miljökostnader.

Den grønne omstilling skal nå ud til alle dele af energisystemet – herunder også varme- og kølesektoren. I Europa står denne sektor for omkring en tredjedel af det samlede slutenergiforbrug og er fortsat overvejende baseret på fossile brændsler som kul, olie og naturgas. For at erstatte disse forurenende energikilder har samfundet adgang til en række teknologiske alternativer. Først og fremmest kan efterspørgslen reduceres gennem bedre isolering af bygninger. Men efter et vist niveau bliver yderligere renovering uforholdsmæssigt dyrt. Det er derfor også nødvendigt at erstatte fossilbaseret opvarmning og køling med lav- eller nulemissionskilder. Blandt disse alternativer er individuelle varmepumper, biomasse samt fjernvarme og -køling.

Fjernvarme og fjernkøling består af netværk af rør, som distribuerer varme og/eller kulde fra en eller flere produktionsenheder til slutbrugere – primært bygninger i bolig- og servicesektoren. Ligesom elnettet har disse systemer den fordel, at de over tid kan integrere mange forskellige varme- og kuldekilder. De kan desuden udnytte overskudsvarme og -kulde fra kilder, der ellers ville gå tabt. En anden væsentlig fordel ved fjernvarme er dens samspil med elsystemet. Termisk lagring i fjernvarmesystemer er væsentligt billigere end elektrisk lagring, og forbindelsen mellem sektorerne via kraftvarmeværker, store varmepumper og elkedler gør det muligt at udnytte denne prisfordel. På den måde kan overskudsstrøm fra vedvarende energikilder omdannes til varme og lagres billigt – hvilket understøtter integrationen af sol- og vindenergi i det samlede energisystem.

Takket være disse fordele har flere europæiske lande prioriteret fjernvarme, og i nogle dækker den over halvdelen af varmebehovet i bolig- og servicesektoren. Den gennemsnitlige andel i Europa er dog væsentligt lavere – omkring 10%. I lyset af fjernvarmens fordele kunne en videreudvikling af teknologien yde et markant bidrag til den grønne omstilling af varme- og kølesektoren. Det er derfor afgørende at vurdere dens potentiale på europæisk niveau. Som tidligere studier har påpeget, afhænger dette potentiale i høj grad af omkostningerne ved rørinfrastrukturen, som varierer betydeligt afhængigt af lokale forhold. Selvom detaljerede netomkostninger kan estimeres på kvarters- eller byniveau ved hjælp af hydrauliske og strukturelle modeller, er det ikke realistisk at anvende disse metoder på nationalt eller europæisk plan på grund af datamængden og de beregninger, der kræves. Det er derfor nødvendigt at udvikle forenklede modeller til estimering af netomkostninger i større skala.

Fjernvarme kan antage forskellige former afhængigt af blandt andet fremløbs- og returløbstemperaturer samt placeringen af produktionsanlæg. Disse og andre faktorer fører til forskellige typer netkonfigurationer, som generelt kan opdeles i to hovedtyper: Opvarmede (konventionelle) net og tempererede net, der ikke opvarmes. I opvarmede net leveres varme ved den temperatur, der er nødvendig til rumopvarmning og varmt brugsvand. I tempererede net leveres varmen ved en temperatur tæt på omgivelsernes, og slutbrugerne har derfor behov for varmepumper til at hæve temperaturen. Tidligere studier har fremhævet, at tempererede net kan være mere konkurrencedygtige, fordi de muliggør brug af uisolerede rør (som dem til drikkevand), da varmetabet er minimalt, og fordi det samme net kan anvendes til både opvarmning og køling gennem tovejskommunikation med varmepumper. Der findes dog kun få kvantitative sammenligninger mellem de to hovedtyper.

Denne afhandling har behandlet disse to hovedaspekter af fjernvarme- og kølesystemer: Fjernvarmepotentialet i Europa og omkostningerne ved henholdsvis opvarmede og tempererede netkonfigurationer. Først er potentialet for fjernvarme på europæisk niveau blevet analyseret. Som nævnt kræver dette forenklede modeller til at estimere netomkostninger over store geografiske områder. En sådan model er udviklet af Persson og Werner og giver en umiddelbar indikation af de forventede omkostninger. Et nøgleparameter i deres model er den såkaldte effective width, som angiver den nødvendige rørlængde i et område for at etablere fjernvarme. Tidligere studier har ikke fastlagt pålidelige værdier for byområder med varierende befolkningstæthed og har i begrænset omfang taget højde for tilslutningen til de enkelte bygninger – fokus har hovedsageligt været på distributionsnettet.

Denne afhandling har gennemført en detaljeret geografisk analyse af to af Danmarks største fjernvarmesystemer, hvilket har muliggjort udviklingen af mere præcise metoder til at estimere effective width. Disse metoder relaterer textit{effective width} til bygningstætheden, målt som antal bygninger og bebygget areal. Den opdaterede model fra Persson og Werner blev derefter valideret i flere testområder og viste sig at give rimeligt nøjagtige estimater på aggregeret niveau, men lavere præcision i mindre skala.

Modellen blev desuden forbedret, så den tager højde for, at ikke alle bygninger nødvendigvis bliver tilsluttet, samt at varmeforbruget forventes at falde fremover. Den opdaterede model blev derefter anvendt på hele EU til at estimere omkostninger og potentiale for fjernvarme. Et centralt resultat er, at sådanne systemer omkostningseffektivt kan dække en tredjedel af varmebehovet i bolig- og servicesektoren i Europa i 2050, og dermed udgøre en væsentlig del af vejen mod en grøn omstilling af det europæiske kontinent.

Anden del af afhandlingen analyserede de økonomiske omkostninger ved henholdsvis opvarmede og tempererede netkonfigurationer, både til ren opvarmning og til kombineret opvarmning og køling. Analysen er baseret på et detaljeret casestudie af Bilbao, hvor alle nøglekomponenter i et fjernvarmesystem blev inddraget: Varme-/køleproduktion, distributionsnet og tilslutning af slutbrugere. Resultaterne viser, at opvarmede netkonfigurationer til ren opvarmning er mest omkostningseffektive, dels på grund af efterspørgselsaggregering (ikke alle bruger varme samtidigt), fleksibilitet i energikilder, stordriftsfordele ved varmelagring og lavere elpriser for industriforbrugere, selv når netværksomkostningerne er højere. Disse konklusioner forbliver gyldige under forskellige økonomiske forudsætninger, herunder stigende gaspriser (eksempelvis som følge af krigen i Ukraine) og høje renter. Når både opvarmning og køling skal leveres, er omkostningerne ved opvarmede og tempererede net derimod stort set ens. Opvarmede net kræver et separat fjernkølingsnet, mens tempererede net ikke kræver yderligere infrastruktur, og deres driftsomkostninger er minimale.

Endelig vurderede casestudiet af Bilbao, hvor konkurrencedygtige fjernvarmesystemer er sammenlignet med andre lavemissionsløsninger som individuelle varmepumper og den mest udbredte opvarmningsform – naturgas. Sammenligningen viser, at begge typer fjernvarme er mere omkostningseffektive end individuelle varmepumper, men at de ikke kan konkurrere med naturgas, primært fordi der mangler en pris på CO₂-udledning, som afspejler naturgassens reelle samfunds- og miljøomkostninger.

El cambio climático es uno de los principales desafíos que afronta la humanidad y la lucha contra el mismo requiere una transformación radical del sistema energético. Esta transición ha de aunar unas emisiones de gases de efecto invernadero netas nulas con la eficiencia energética y la sostenibilidad. Además, desde una perspectiva europea, la lucha contra el cambio climático tendría el beneficio adicional de lograr la independencia energética y la seguridad de suministro.  

La transición ecológica debe afectar a todos los sectores del sistema energético, incluido el sector de la climatización. En Europa, este sector supone un tercio de la demanda final de la energía; dicha demanda aún está cubierta principalmente por combustibles fósiles como el carbón, el petróleo o el gas natural. Para sustituir estas fuentes de energía contaminantes la sociedad tiene a su disposición una amplia gama de opciones. En primer lugar, podría reducirse la demanda final mediante la mejora del aislamiento térmico de los edificios. No obstante, las reducciones de la demanda más allá de cierto punto resultan prohibitivas, por lo que también se hace necesario sustituir las fuentes de calor y frío fósiles por otras con emisiones menores o nulas. Entre las diferentes opciones tecnológicas a las que se podría recurrir, se encuentran las bombas de calor individuales, la biomasa o las redes de calor y frío.  

Las redes de calor y frío, también conocidas como sistemas de calefacción urbana o calefacción a distancia, están formadas por una red de tuberías que distribuyen el calor y el frío desde una o varias plantas de producción hasta los consumidores finales, principalmente edificios en los sectores residencial y de servicios. Al igual que otras redes como la eléctrica, las redes de calor se caracterizan por su capacidad para integrar diferentes fuentes de calor y frío a lo largo del tiempo. Además, estos sistemas permiten aprovechar el calor residual proveniente de múltiples fuentes, que de otra forma sería completamente desperdiciado. Otra ventaja de las redes de calor y frío para el sistema energético en su conjunto deriva de su integración con el sistema eléctrico. El almacenamiento térmico en redes resulta mucho más económico que el almacenamiento eléctrico y la conexión de los dos sectores a través de centrales de cogeneración, grandes bombas de calor y calderas eléctricas, permite aprovechar esta ventaja económica. Así, los excedentes de producción renovables pueden almacenarse en forma de calor, permitiendo de este modo incrementar la penetración de fuentes renovables como la solar o la eólica.  

Gracias a estas ventajas, algunos países europeos apostaron por desarrollar su uso y en varios cubren más de la mitad de la demanda de calor en los sectores residencial y servicios. Sin embargo, en el conjunto de la Unión Europea su aportación media es mucho menor, tan sólo del 10%. Dadas las ventajas de las redes de calor y frío mencionadas previamente, su desarrollo en Europa más allá de su expansión actual podría facilitar la transición ecológica del sector de la climatización. Por lo tanto, la estimación de su potencial a nivel europeo tiene una importancia primordial. Tal y como han señalado estudios anteriores, el potencial de las redes de calor y frío depende fundamentalmente de los costes de las redes de tuberías y éstos varían significativamente de un lugar a otro en función de las características locales. Aunque estos costes pueden determinarse fácilmente en barrios o ciudades enteras gracias al uso de modelos hidráulicos y estructurales, su aplicación en zonas más extensas (regiones, países o toda Europa), no resulta viable dado el gran número de cálculos y la gran cantidad de información precisada. Por consiguiente, el desarrollo de modelos sencillos que permitan obtener una estimación de los costes de redes en aplicaciones a gran escala resulta primordial.  

Por otra parte, las redes de calor y frío pueden adoptar configuraciones diversas en función de varios parámetros como las temperaturas de impulsión y retorno o la ubicación de las plantas de producción de calor y frío. La combinación de estos y otros parámetros resulta en múltiples tipos de redes, pero que pueden clasificarse en dos grandes categorías: las redes de temperatura elevada y las redes de temperatura ambiente. Por un lado, en las redes de alta temperatura o convencionales, las plantas de producción suministran todo el calor a la temperatura que necesitan los consumidores para la calefacción y la producción de agua caliente sanitaria. Por otro lado, las redes de baja temperatura distribuyen calor a temperaturas próximas a la temperatura ambiente y es necesario que los consumidores dispongan de bombas de calor capaces de elevar la temperatura hasta el nivel requerido. Estudios anteriores han defendido que las redes de temperatura ambiente podrían ser más económicas, ya que las redes podrían construirse con tuberías sin aislamiento iguales a las empleadas en redes de agua potable, las pérdidas de calor serían inapreciables y sería factible aprovechar la misma red para suministrar tanto calor como frío gracias al doble uso de las bombas de calor distribuidas. No obstante, hay muy pocos estudios que hayan comparado cuantitativamente los dos tipos de redes.   

Esta tesis ha tenido como objetivo abordar estos dos aspectos de las redes de calor y frío. En primer lugar, se ha investigado su potencial a nivel europeo. Tal y como se ha mencionado previamente, para lograr esta meta hace falta disponer de modelos sencillos que permitan calcular los costes de las redes en áreas extensas. Una de las herramientas desarrolladas con este fin es el modelo de Persson y Werner, que ofrece una primera aproximación a estos costes. Este modelo cuenta con varios parámetros entre los que se encuentra la anchura efectiva, effective width en inglés, que proporciona la longitud de zanja necesaria en una zona en la que se vaya a implantar una red. Desgraciadamente, estudios previos no habían logrado identificar los valores de la anchura efectiva en todos los tipos de zonas urbanas. Además, tampoco se había prestado suficiente atención a la longitud necesaria de las acometidas a cada edificio, ya que toda la atención se había centrado en la red de distribución.  

En esta tesis se ha efectuado un análisis geográfico detallado de dos de las redes de calor más extensas de Dinamarca, gracias al cual se han podido obtener nuevas ecuaciones para la anchura efectiva. En dichas ecuaciones se relaciona la anchura efectiva con varios indicadores de densidad urbana como el número de edificios y la superficie construida. Posteriormente se ha aplicado el modelo de Persson & Werner, con las nuevas ecuaciones, a varias zonas con el fin de validarlo y se ha podido determinar que el modelo proporciona estimaciones relativamente precisas cuando se emplea a nivel agregado y en zonas de elevada extensión, pero que su precisión deja que desear cuando se utiliza en zonas pequeñas. 

Al modelo se le añadieron posteriormente dos mejoras con el fin de tener en cuenta el hecho de que probablemente no todos los edificios se conecten a la red y que las demandas de calor disminuirán indudablemente en el futuro. Una vez mejorado, se aplicó el modelo de Persson y Werner a todos los países de la Unión Europea (UE-27), con el objeto de estimar los costes de las redes de calor y así su potencial. Uno de los hallazgos de este estudio es que estos sistemas podrían proveer un tercio de la demanda europea de calor en los sectores residencial y de servicios para 2050.  

En segundo lugar, este trabajo ha examinado los costes económicos de las redes de temperatura elevada y ambiente, tanto para el suministro único de calor, como para el suministro conjunto de calor y frío. Este examen se ha llevado a cabo por medio de un estudio detallado de la ciudad de Bilbao, en el que se han tenido en cuenta todos los elementos que conforman un sistema de climatización urbana: producción de calor y frío, transporte y conexiones con los consumidores finales. Los resultados de esta investigación muestran que, para el suministro exclusivo de calor, las redes de temperatura elevada serían más económicas que las redes de temperatura ambiente gracias a la simultaneidad de consumos (no todos los consumidores demandan calor al mismo tiempo, por lo que la central de producción tan solo tiene que proveer el consumo agregado), la posibilidad de combinar múltiples fuentes de energía, la economía del almacenamiento térmico a gran escala y los menores precios de la electricidad para consumidores industriales. Estos costes totales más bajos se producen incluso a pesar de los mayores costes de la red de transporte. Además, estos hallazgos son sólidos ante una serie de cambios en las condiciones económicas entre las que se encuentran la subida drástica de precios del gas natural a raíz de la guerra de Ucrania o unos tipos de interés elevados. Sin embargo, cuando las redes han de suministrar los dos tipos de servicios, frío y calor, los costes son muy similares. Mientras que en la red de temperatura elevada es preciso construir una red de frío paralela a la de calor, en la red de temperatura ambiente no es necesario realizar ninguna inversión y los costes de operación adicionales son muy reducidos.  

Finalmente, el estudio centrado en Bilbao también evaluó la competitividad de las redes de calor con otras fuentes bajas en carbono como las bombas de calor individuales y la principal fuente de calor en la actualidad, el gas natural. Esta comparación indica que, si bien los dos tipos de redes de calor serían más económicos que las bombas de calor individuales, no lograrían desbancar al gas natural, dado que la imposición sobre el mismo es prácticamente nula, lo que no permite que los consumidores tengan en cuenta el coste social de las emisiones de carbono.