1 Introduzione a MarkAl come strumento per la pianificazione energetica su scala locale Giuseppe...

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Introduzione a MarkAl come strumento per la Introduzione a MarkAl come strumento per la pianificazione energetica su scala localepianificazione energetica su scala locale

Giuseppe MuliereGiuseppe Muliere

Provincia di Pavia – Divisione Ambiente Provincia di Pavia – Divisione Ambiente Settore Risorse Naturali – U.O. Aria&EnergiaSettore Risorse Naturali – U.O. Aria&Energia

Dipartimento di Ingegneria Elettrica Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di PaviaUniversità degli Studi di Pavia

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Prima partePrima parte

Introduzione alla pianificazione energetica su scala localeIntroduzione alla pianificazione energetica su scala locale

MarkAl come strumento per la pianificazione energetica su scala localeMarkAl come strumento per la pianificazione energetica su scala locale

L’esempio della provincia di PaviaL’esempio della provincia di Pavia

Seconda parteSeconda parte

Hands-on MarkAl tramite l’interfaccia ANSWER: elaborazione di un Hands-on MarkAl tramite l’interfaccia ANSWER: elaborazione di un semplice modello di partenzasemplice modello di partenza

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Introduzione alla pianificazione Introduzione alla pianificazione energetica su scala localeenergetica su scala locale

Nella seconda metà del ’900 forte sviluppo delle società industrializzate

Tra il 1950 e il 1970 tasso di crescita medio annuo mondiale dei consumi di combustibili fossili pari al 5% circa.

Nella conferenza di Stoccolma del 1972 si afferma che lo sviluppo deve

essere compatibile con la salvaguardia delle risorse

1992 conferenza di Rio:- Agenda 21- UNFCCC

Nel 1997 viene elaborato il protocollo di Kyoto entrato poi in

vigore nel 2005

Il raggiungimento di obiettivi di sostenibilità ambientale è imprescindibile da una

pianificazione delle risorse energetiche

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Capitolo 28 di Agenda 21Capitolo 28 di Agenda 21

““Le comunità dei paesi che hanno stipulato Le comunità dei paesi che hanno stipulato l’accordo, devono creare linee guida per uno l’accordo, devono creare linee guida per uno

sviluppo sostenibile all’interno della loro sviluppo sostenibile all’interno della loro area di competenza, chiedendo anche la area di competenza, chiedendo anche la

collaborazione dei propri cittadini (A21L)” collaborazione dei propri cittadini (A21L)”


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Quali informazioni possono essere utili a livello di Quali informazioni possono essere utili a livello di Amministrazione provincialeAmministrazione provinciale?

* Verifica delle politiche di derivazione regionale, quale impatto sul territorio? maggiori informazioni per tavolo di confronto e coordinamento

* Verifica delle politiche di promozione di certe attività

* Quante centrali autorizzare?

* Quali sono le tecnologie che risultano vincenti per raggiungere gli obiettivi di Kyoto?

* Verifica delle politiche di incentivazione su rinnovabili vs. efficienza energetica?

* Qual è il ruolo della biomassa come risorsa energetica del territorio provinciale


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Quali strumenti in mano alle province per decidere circa la pianificazione energetica sul proprio territorio?


L’analisi di un sistema energetico territoriale può essere affrontata con l’ausilio, tra gli altri, di due strumenti: il Bilancio Energetico Territoriale il Modello del Sistema Energetico Territoriale

Il Bilancio Energetico consente di conoscere quantitativamente la situazione energetica di un determinato territorio evidenziando, a vari livelli di dettaglio, i dati relativi a:

– le produzioni di fonti energetiche primarie, – le trasformazioni di energia primaria in energia secondaria, – gli scambi dei vari vettori energetici con gli altri territori, – la domanda di energia richiesta dai dispositivi di uso finale

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E’ quindi uno strumento certamente utile alla pianificazione, con funzioni non solo di verifica ma anche di indirizzo, permettendo di evidenziare linee di tendenza utilizzabili come primo, ancorché limitato, supporto alle scelte del decisore pubblico.

Questo insieme di informazioni fornisce una fotografia della situazione energetica del territorio per ogni anno preso in considerazione e consente, sulla base delle serie storiche, di valutare i trend evolutivi del sistema in esame.

Il Bilancio Energetico Territoriale

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Uno strumento notevolmente più efficace è rappresentato dal

Modello del Sistema Energetico nel quale

le caratteristiche (tecnologiche, economiche e ambientali) dei vari componenti del sistema (impianti di produzione e trasformazione, infrastrutture, tecnologie di uso finale) i flussi di energia associati

sono descritti in forma analitica in modo da consentire l’applicazione di diverse metodologie di analisi, sia statiche sia dinamiche, essenziali per valutare il comportamento del sistema nell’ambito di scenari evolutivi della domanda, della disponibilità di risorse energetiche e delle tecnologie.

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• fornisce una struttura ed un linguaggio comune per le discussioni tra gli attori della pianificazione territoriale;

• favorisce la comunicazione in quanto nuove idee (relative a tecnologie e vettori) e nuove necessità (domande di energia elettrica) possono essere valutate molto velocemente;

• gestisce facilmente la grande quantità di dati necessari per un’analisi complessa e disaggregata alle varie scale descrittive;

• é uno strumento interattivo e trasparente nel senso che i metodi di calcolo, i dati d’ingresso e le ipotesi di base sono palesi ed accessibili da tutti i gruppi coinvolti

Il Modello svolge diverse funzioni; ma, in particolare:

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Per individuare i meccanismi di evoluzione serve un approccio mediante scenari (variazione delle condizioni al contorno)

A partire da:– informazioni tuttavia incomplete sul sistema – ipotesi circa le forze guida del cambiamento e le tendenze in atto – con l’analisi di scenario si possono analizzare sviluppi possibili dello

status quo per progettarne cambiamenti e verificarne indirizzi.

L’obiettivo dell’analisi mediante scenari NONNON è una predizione di quello che accadrà, ma la possibilità di immaginare configurazioni alternative, date certe condizioni ed entro ragionevoli limiti di probabilità e valutare l’impatto di certe azioni/misure.

Questo è l’obiettivo dell’analisi dei sistemi energetici estesi mediante modelli tecnologici complessi come quelli della famiglia MarkAl.

Approccio mediante scenari

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MarkAl come strumento per la MarkAl come strumento per la pianificazione energetica su scala localepianificazione energetica su scala locale

MarkAl è un generatore di modelli bottom-up di equilibrio economico parziale basato sulla programmazione lineare, sviluppato nell’ambito dell’Energy Technology Systems Analysis Programme (ETSAP) dell’International Energy Agency (IEA).

A partire da un anno assunto come riferimento “costruisce” le traiettorie energetiche che soddisfano i requisiti della Funzione Obiettivo (costo totale del sistema) e dei vincoli imposti.

genera un modello di equilibrio economico parziale del sistema energetico in esame, descrive i diversi processi (tecnologie) e i vettori in termini tecnologici, economici e

ambientali,

per analizzare l’evoluzione del sistema nel medio o lungo termine e consentire studi di allocazione ottimale di investimenti oltre che di spese

annuali.

Infatti, sulla base di criteri definiti dall’operatore, MarkAL:

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Il software crea l’assetto di equilibrio economico domanda-offerta del sistema energetico considerato sul lungo periodo(allocazione ottima delle risorse)

MarkAl permette una descrizione dettagliata delle tecnologie e dei vettori (bottom up) e il sistema energetico è descritto tramite il RES (Reference Energy System)

Fornisce in output:

• la consistenza dei parchi tecnologici (lampadine alogene, centrali elettriche a ciclo combinato);

• i flussi dei vettori energetici (consumi di gas naturale negli uffici, produzione di gasolio dalle raffinerie, etc.).

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Curve di domanda e offerta

Quantità

Prezzo

Pre

zzo

di

Eq

uil

ibri

o

Domanda di Equilibrio

Supply curve

demand curve

Producer surplus

Production costs

Consumer surplus

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Il sistema modellistico MarkAl è composto da:Il sistema modellistico MarkAl è composto da:

-una banca dati di migliaia di tecnologie energetiche, organizzate in un reticolo topologico detto Reference Energy System (RES)

-una struttura matematica composta da un motore (GAMS) e algoritmi in grado di risolvere problemi con centinaia di migliaia di centinaia di migliaia di equazioniequazioni;

- un’interfaccia software di introduzione dati e lettura agevole dei risultati, detta ANSWER.


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RES all’anno BASE (2000): ricostruire una fotografia il piùverosimile possibile del sistema energetico in esame:

•Studio del sistema energetico•Ricerca dati attendibili•Formulazione ipotesi coerenti•Modellizzazione del sistema energetico con il software (tecnologie, fabbisogni)

Calibrazione: Verificare che il modello costruito sia coerente

Analisi senza vincoli ambientali, Economici: scenario BASE

Aggiunta vincoli ambientali, Economici, ecc….

Analisi di scenari alternativi allo scenario BASE


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Consumo di energia in provincia di Pavia nel 2000 (fonte: BEP)

Dall’analisi del BEP risulta evidente che il settore civile svolge un ruolo di primaria importanza nel sistema energetico provinciale


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Consumo di energia in provincia di Pavia nel 2000 (fonte: BEP)

il 65% dei consumi del settore civile è rappresentato dal settore termico; l’80% di questo è attribuibile al settore termico residenziale.


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5000 kWh = 1.1 TEP = 46 GJ 1 TEP = 1213 Sm3 =1000 kg

olio combustibile 1 kWh 0,52 kg CO2 1 Sm3 gas naturale 2,15 kg

CO2 1 PJ = 23,9 kTEP

0 1 2 3 4 5 6

riscaldamentoautonomo

riscaldamentocentralizzato

acqua caldasanitaria

cucina

PJ

gas

gpl

gasolio

biomassa

elettricità

Consumi del settore termico per comparto di utilizzo e vettore energetico in provincia di Pavia (2000)


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Gas Naturale

Gasolio

LTH

GPL

Biomassa

Domanda di ACS Pr-PV

Domanda di RA Pavia

Domanda di RC Pavia

Domanda di RA Pr-PV

Domanda di RC Pr-Pv

Tec. a gas naturale residue

Tec. a GPL residue

Tec. a GPL nuove

Tec. solari nuove

Tec. a Biomassa residue

Tec. a Biomassa nuove

Tec. elettriche residue

Tec. a gasolio nuove

Tec. a gasolio residue

Tec. a gas naturale nuove

Tec. a LTH

Tec. elettriche nuove

C.Cogen

Usi ELE residenziali

En Elettrica

Domanda di ACS Pavia

Energia Solare

IN (Pj)OUT (Pj) OUT (kW, € …)IN (, €/kW…) IN (€)

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3 - Calcolo dei rendimenti reali medi stagionali delle diverse tecnologie di domanda (database visite ispettive provinciali)

4 - Calcolo del fabbisogno di Acqua Calda Sanitaria per ogni tipologia di tecnologia:

1 - Recupero dei consumi di combustibile per il settore (BEP)

2 - Ipotesi sulla distribuzione dei consumi per tecnologia di domanda (database visite ispettive provinciali)

iiii yCACT i iACTDomandaACS


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1 - Divisione del parco edilizio in 24 tipologie a seconda:

• Caratteristiche pareti verticali esterne

• Tipologia di superficie vetrata

2 - Calcolo del fabbisogno unitario per ogni tipologia costruttiva attraverso un modello di calcolo in Excel basato su:

• Valori delle trasmittanze termiche per tipologia di parete (Comitato Termotecnico Italiano)

• Norma UNI 7357 (Calcolo del fabbisogno termico)

elaborazione dati ISTAT periodo costruzione edifici

in provincia

Calcolo del fabbisogno di riscaldamento:


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ClasseFabbisogno di

Calore

Classe A fino a 30 kWh/m2

Classe B ≤ 50 kWh/m2 anno

Classe C ≤ 70 kWh/m2 anno

Classe D ≤ 90 kWh/m2 anno

Classe E ≤ 110 kWh/m2 anno

Classe F ≤ 130 kWh/m2 anno

Classe G ≥ 130 kWh/m2 anno

76%

17%

7%

3 - Ogni tipologie costruttive risultanti, grazie al fabbisogno unitario calcolato, è stata attribuita alla specifica classe energetica:

)( i

cliumitot SFEFE 7,35 PJ

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Classe A Classe B Classe C Classe D Classe E Classe F Classe G

edifici ad uso abitativo (1946 -

1971) in muratura mattoni pieni - doppi

vetri

edifici ad uso abitativo (1900 al

1945) in muratura mattoni pieni -

doppi vetri


1945) in muratura mattoni pieni - vetri

singoli


1945) in cls - vetri singoli


1981) in muratura mattoni pieni vetri

doppi



singoli


1945) in cls - doppi vetri



singoli




1945) in muratura cassa vuota - doppi

vetriedifici ad uso

abitativo (1982 - 2000) in muratura

mattoni pieni - doppi vetri



vetri


1945) in muratura cassa vuota - vetri

singoliedifici ad uso

abitativo (1982 - 2000) in muratura mattoni pieni - vetri

singoli


1971) in muratura cassa vuota -vetri

singoli


1971) in cls - vetri singoli

edifici ad uso abitativo(1982 -


vetri



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Scenario TENDENZIALE:

Andamento della domanda nel caso in cui non fossero intervenute leggi in materia di risparmio energetico

Andamento attuale della domanda grazie al recepimento della legge 311 che impone la costruzioni di edifici almeno in Classe C

Scenario CLASSE A:

Andamento ipotizzabile della domanda nel caso in cui i decisori politici spingessero verso la costruzione di edifici altamente efficienti (in classe A)

Ristrutturato: un solo passaggio di classe

Nuovi edifici: stesse classi dell’anno base

Ristrutturato: 80% C, 15% B, 5% A Nuovi edifici: 75% C, 15% B, 10% A

Ristrutturato: 80% C, 15% B, 5% A Nuovi edifici: 10% C, 20% B, 70% A

Scenario 311:

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5,500

6,000

6,500

7,000

7,500

8,000

8,500

9,000

9,500

2000 2003 2006 2009 2012 2015 2018 2021 2024 2027 2030

PJ

Tendenziale 311 Classe A

7,35 PJ

8,79 PJ

6,67 PJ

6,27 PJ

Andamento della domanda nei tre scenari:

27


15

17

19

21

23

25

27

29

31

33

2000 2003 2006 2009 2012 2015 2018 2021 2024 2027 2030

PJ


26,06 PJ

19,07 PJ

17,78 PJ

Andamento dei consumi:

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500

550

600

650

700

750

800

2000 2003 2006 2009 2012 2015 2018 2021 2024 2027 2030

kt


Andamento delle emissioni di CO2:

Obiettivo Kyoto al 2012: 697 kt

29


500,0

550,0

600,0

650,0

700,0

750,0

800,0

850,0

2003 2006 2009 2012 2015 2018 2021 2024 2027 2030

M€

311 Classe A Tendenziale

Andamento del costo totale del sistema:

30


0

10

20

30

40

50

60

2000 2003 2006 2009 2012 2015 2018 2021 2024 2027 2030

PJ/

ann

o

Caldaia a gasnaturale

Impianti solaritermici

Boiler Elettrici

Caldaia a GPL

Teleriscaldamento

Caldaie aBiomassa

Caldaie a Gasolio

Andamento della potenza installata per tecnologia:

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Analisi di sussidi economici per consentire la penetrazione nel mercato delle tecnologie solari e a Biomassa:

Contributo del 3% sul costo della caldaia a biomassa

Penetrazione minima della tecnologia a biomassa, gli

impianti solari rimangono sui valori dello scenario 311

Contributo del 6% sul costo della caldaia a Biomassa

Contributo del 20% sul costo degli impianti solari

Livello di penetrazione delle tecnologie tale da consentire di avere entro il 2020 il 20% dei

consumi totali da fonti rinnovabili (Nota Consiglio Europeo Marzo

2007)

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0

5

10

15

20

25

30

35

2000 2003 2006 2009 2012 2015 2018 2021 2024 2027 2030

PJ/

anno

tec. da fonte rinnovabile (senza sussidio) tec. da fonte rinnovabile (con sussidio)

Obiettivo EU: 20% dei consumi da fonti rinnovabili

12%consumi tot

20%consumi tot

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L’impegno dell’istituzione pubblica nel raggiungimento di determinati obiettivi (Public Commitment) è fondamentale per l’inserimento di alcune tecnologie nel

mercato

Dall’analisi degli scenari si valuta che si possa intervenire attraverso:

• Sgravi fiscali sul costo d’investimento delle tecnologie più costose ma da fonte rinnovabile

• Sensibilizzazione del consumatore ai temi del risparmio energetico

• Divulgazione e forte informazione in merito ai benefici economici e ambientali derivanti dall’acquisto di case altamente efficienti

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