Heating and cooling account for a substantial share of final energy use and greenhouse gas emissions in Europe. District heating systems play a central role in decarbonising heat supply by enabling the integration of centralised, low-carbon heat sources. However, as fossil fuels and waste incineration are phased out and biomass availability becomes increasingly constrained, district heating systems face growing challenges related to cost, resource availability, and long-term resilience. In this context, industrial and urban excess heat and cold could support a low-carbon, flexible heat supply. Despite significant documented technical potential, excess heat remains poorly integrated into district heating systems due to spatial constraints, temperature mismatches, operational variability, and fragmented decision-making among industrial actors, network operators, and policymakers.

Energy system optimisation models are widely used to support long-term energy planning and policy analysis. However, when applied to excess heat recovery, existing modelling approaches struggle to capture several critical dimensions for decision-making, including spatial feasibility, heat quality, operational behaviour, and uncertainty. At the same time, empirical evidence on how excess heat performs within real district heating systems under different technical and market conditions remains limited. This thesis addresses these gaps by combining real-world case studies with the development of methodological models to support strategic planning for excess-heat recovery in district-heating systems.

The overall aim of this thesis is to develop and apply modelling approaches that enable a comprehensive and robust assessment of the integration of excess heat into district heating systems. The work is structured around three research questions, each addressing a distinct but interconnected aspect of the problem.

The first research question examines how well existing energy system optimisation models meet the analytical needs of decision-makers involved in excess heat recovery planning. Through a structured review of modelling tools and an assessment of stakeholder requirements, the thesis shows that while current models provide robust representations of technology costs, energy balances, and long-term investment dynamics, they fall short in representing spatial variation, heat quality, and operational constraints. These limitations are particularly problematic for excess heat recovery, where feasibility and value depend strongly on distance to demand, temperature levels, and temporal stability of supply. The analysis further highlights that limited flexibility and transparency in many models reduce their usefulness for stakeholder engagement. This research question establishes the need for modelling approaches that go beyond single-model optimisation and motivates the development of a multi-model framework.

The second research question investigates how a multi-model framework can improve the analysis of excess heat integration into district heating systems. To address this question, the thesis develops a modular multi-model framework that links exergy analysis, spatial least-cost network optimisation, long-term techno-economic optimisation, and high-resolution operational validation. The framework is implemented using iterative soft linking between models, ensuring that spatial feasibility, heat quality, and operational constraints are consistently reflected in long-term investment planning. The framework is applied to both a new district heating system and a large existing system. The results show that spatial proximity and source temperature strongly influence early investment decisions, while electricity prices and competition with existing technologies shape excess heat uptake in mature systems. Operational validation reveals differences between long-term investment pathways and short-term utilisation patterns, highlighting the importance of thermal storage and flexible operation in aligning planning and operation.

The third research question explores how district heating systems can be planned and adapted to remain resilient amid long-term uncertainty, systemic risks, and external shocks. To address this question, the thesis develops a stochastic–clustering–resilience framework that combines uncertainty sampling with long-term optimisation and post-processing analysis. This approach enables the identification of representative investment pathways and the evaluation of their performance across a wide range of future conditions. The results show that systems with diversified, flexible technology portfolios that combine excess heat recovery with electrification options such as heat pumps, electric boilers, and thermal storage perform best in terms of cost, emissions, and robustness. In contrast, systems that rely heavily on combustion-based technologies are more sensitive to fuel price volatility, policy changes, and supply disruptions.

Across all research questions and case studies, the modelling results demonstrate that excess heat can contribute significantly to cost-effective, low-carbon district heating systems, but only when spatial, thermal, operational, and uncertainty-related factors are jointly considered. Excess heat delivers the greatest system value when evaluated as part of a flexible and diversified technology portfolio rather than as a stand-alone resource.

The contributions of this thesis are twofold. First, it provides insights from multiple real-world district heating case studies, clarifying when and how industrial and urban excess heat can be effectively integrated under varying spatial, technical, and policy conditions. Second, it advances methodological approaches to excess heat modelling by developing a coherent multi-model framework that links industrial-, network-, and system-level perspectives. By integrating spatial, exergy, techno-economic, operational, and uncertainty analyses within a transparent and extensible workflow, the thesis provides improved decision support for planners, district heating operators, and policymakers. It contributes to a deeper understanding of how flexibility and adaptability, rather than single-technology optimisation, underpin resilient and sustainable transitions in district heating systems.

Uppvärmning och kylning står för en betydande andel av den slutliga energianvändningen och utsläppen av växthusgaser i Europa. Fjärrvärmesystem spelar en central roll i utfasningen av fossila bränslen i värmeförsörjningen genom att möjliggöra integration av centraliserade värmekällor med låga koldioxidutsläpp. I takt med att fossila bränslen och avfallsförbränning fasas ut och tillgången på biomassa blir alltmer begränsad, står fjärrvärmesystem inför ökande utmaningar kopplade till kostnader, resurstillgångar och långsiktig resiliens. I detta sammanhang kan industriell och urban överskottsvärme och -kyla bidra till en koldioxidsnål och flexibel värmeförsörjning. Trots en betydande dokumenterad teknisk potential är integrationen av överskottsvärme i fjärrvärmesystem fortfarande begränsad på grund av rumsliga begränsningar, temperaturskillnader, driftmässig variation samt fragmenterat beslutsfattande mellan industriella aktörer, nätoperatörer och beslutsfattare.

Optimeringsmodeller för energisystem används i stor utsträckning för att stödja långsiktig energiplanering och policyanalys. När de tillämpas på återvinning av överskottsvärme har befintliga modelleringsmetoder dock begränsad förmåga att fånga upp flera dimensioner centrala för beslutsfattande, såsom rumslig genomförbarhet, värmekvalitet, driftsbeteende och osäkerhet. Samtidigt är den empiriska kunskapen begränsad gällande hur överskottsvärme fungerar inom verkliga fjärrvärmesystem under olika tekniska och marknadsmässiga förhållanden. Denna avhandling adresserar dessa kunskapsluckor genom att kombinera fallstudier från verkliga system med metodutveckling inom modellering för att stödja strategisk planering av återvinning av överskottsvärme i fjärrvärmesystem.

Det övergripande syftet med denna avhandling är att utveckla och tillämpa modelleringsmetoder som möjliggör en omfattande och robust analys av integrationen av överskottsvärme i fjärrvärmesystem. Arbetet är strukturerat kring tre forskningsfrågor som var och en behandlar en distinkt men sammanlänkad aspekt av problemområdet.

Den första forskningsfrågan undersöker i vilken mån befintliga energisystemmodeller svarar mot de analytiska behov som beslutsfattare har vid planering av återvinning av överskottsvärme. Genom en strukturerad genomgång av modelleringsverktyg och en analys av intressenters behov visar avhandlingen att befintliga modeller ger robusta beskrivningar av teknikkostnader, energibalanser och långsiktiga investeringsdynamiker, men att deras förmåga att representera rumslig variation, värmekvalitet och driftmässiga begränsningar är begränsad. Dessa begränsningar är särskilt problematiska för återvinning av överskottsvärme, där genomförbarhet och värde i hög grad beror på avståndet till efterfrågan, temperaturnivåer och stabiliteten i värmetillförseln över tid. Analysen visar också att begränsad flexibilitet och transparens i många modeller minskar deras användbarhet i dialog med intressenter. Denna forskningsfråga etablerar därmed behovet av modelleringsmetoder som går bortom enskilda optimeringsmodeller och motiverar utvecklingen av ett multimodellramverk.

Den andra forskningsfrågan undersöker hur ett multimodellramverk kan stärka analysen av hur överskottsvärme integreras i fjärrvärmesystem. För att besvara denna fråga utvecklar avhandlingen ett modulärt multimodellramverk som kopplar samman exergianalys, rumslig kostnadsoptimering av nät, långsiktig teknoekonomisk optimering samt högupplöst operativ validering. Ramverket implementeras genom iterativ mjuk koppling mellan modeller, vilket gör det möjligt att konsekvent integrera rumslig genomförbarhet, värmekvalitet och driftmässiga begränsningar i långsiktig investeringsplanering. Ramverket tillämpas både på ett nytt fjärrvärmesystem och på ett befintligt system. Resultaten visar att rumslig närhet och källtemperatur starkt påverkar tidiga investeringsbeslut, medan elpriser och konkurrens med befintliga tekniker påverkar upptaget av överskottsvärme i mer mogna system. Operativ validering visar också skillnader mellan långsiktiga investeringsbanor och kortsiktiga utnyttjandemönster, vilket understryker betydelsen av termisk lagring och flexibel drift för att anpassa planering och drift.

Den tredje forskningsfrågan undersöker hur fjärrvärmesystem kan planeras och anpassas för att upprätthålla sin resiliens under långsiktig osäkerhet, systemrisker och externa störningar. För att besvara denna fråga utvecklar avhandlingen ett ramverk som kombinerar stokastisk analys, klustring och resiliensanalys genom att integrera osäkerhetssampling, långsiktig optimering och efterföljande resultatanalys. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt att identifiera representativa investeringsbanor och utvärdera deras prestanda under ett brett spektrum av framtida förutsättningar. Resultaten visar att system baserade på diversifierade och flexibla teknikportföljer, där återvinning av överskottsvärme kombineras med elektrifieringsalternativ såsom värmepumpar, elpannor och termisk lagring, presterar bäst när det gäller kostnader, utsläpp och robusthet. System som i hög grad är beroende av förbränningsbaserade tekniker är däremot mer känsliga för volatilitet i bränslepriser, policyförändringar och störningar i energitillförseln.

Sammanfattningsvis visar avhandlingens resultat att överskottsvärme kan bidra väsentligt till kostnadseffektiva och koldioxidsnåla fjärrvärmesystem, men endast om rumsliga, termiska, driftrelaterade och osäkerhetsrelaterade faktorer beaktas samlat. Överskottsvärme skapar störst systemvärde när den betraktas som en del av en flexibel och diversifierad teknikportfölj snarare än som en fristående resurs.

Avhandlingens bidrag är tvådelat. För det första ger den empiriska insikter från flera verkliga fjärrvärmesystem och belyser därigenom när och hur industriell och urban överskottsvärme kan integreras effektivt under olika rumsliga, tekniska och policyrelaterade förutsättningar. För det andra utvecklar avhandlingen metodologiska angreppssätt för modellering av överskottsvärme genom ett sammanhängande multimodellramverk som kopplar samman industriella, nätbaserade och systemövergripande perspektiv. Genom att integrera rumsliga analyser, exergianalys, teknoekonomisk modellering, operativ analys och osäkerhetsanalys i ett transparent och utbyggbart arbetsflöde stärker avhandlingen beslutsstöd för planerare, fjärrvärmeoperatörer och beslutsfattare. Den bidrar därmed till en djupare förståelse för hur flexibilitet och anpassningsförmåga, snarare än optimering av enskilda tekniker, utgör grunden för resilienta och hållbara omställningar av fjärrvärmesystem.