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HandsHands--onon MarkAlMarkAl tramite ltramite l’’interfaccia interfaccia ANSWER:ANSWER:

elaborazione di un semplice modello di partenzaelaborazione di un semplice modello di partenza

Giuseppe Giuseppe MuliereMuliereProvincia di Pavia Provincia di Pavia –– Divisione AmbienteDivisione Ambiente

Settore Risorse Naturali Settore Risorse Naturali –– U.O.C. Aria&EnergiaU.O.C. Aria&Energia

ESERCITAZIONEESERCITAZIONE

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Lo sviluppo del modello MarkAl della provincia di Pavia è la parte principale di un progetto a più ampio respiro che vede coinvolti il DIE e il Settore Risorse Naturali della Provincia di Pavia:la realizzazione di un Osservatorio Energetico Provinciale

Documento d’indirizzo dell’Osservatorio Energetico (nov 2004)“L’obiettivo dell’Osservatorio è quello di diventare, nel medio-lungo termine, un punto di riferimento e un organo consultivo per la pianificazione energetica provinciale, in grado di fornire dati (tecnici, scientifici, socioeconomici e ambientali) oggettivi e affidabili ai decisori politici…”

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Metodologia presa in oggetto: ALEP (Pianificazione Energetica Locale Avanzata)•Analisi di sottosistemi interconnessi che si complementano al fine di definire un unico piano energetico globale •Analisi globale di tutto il sistema per la definizione di obiettivi a lungo termine

Scopo della pianificazione:Determinare l’allocazione ottimale delle risorse in accordo con vincoli tecnologici, sociali, economici ed ambientali.

Quali strumenti in mano alle province per decidere circa la pianificazione energetica sul proprio territorio? Quali elementi per rendere sostenibile lo sviluppo del territorio?

Strumento utilizzato: generatore di modelli MarkAl

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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? àmaggiori informazioni per tavolo di confronto e coordinamento

* Verifica delle politiche di promozione di certe attività

* Quante centrali autorizzare? * Come meglio spendere i proventi derivanti dall’autorizzazione all’esercizio delle officine elettriche e/o di cogenerazione?

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

* Possibilità di inglobare nel modello informazioni sempre più dettagliate (àedilizia)

* Possibilità di relazionare il software con altri applicativi (ad esempio GIS, etc…)

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1) Affinamento del modello MarkAl del sistema termico residenziale preesistente implementato dal Dip. di Ingegneria Elettrica (a partire dalla tesi di laurea di A. Signoriello) ØRaccolta ed elaborazione dei dati provenienti da varie fonti :

•Data-base delle verifiche ispettive degli impianti termici•Data-base ISTAT censimento 2001•Bilancio Energetico Provinciale (Punto Energia)

ØModellizzazione dell’utenza finale e affinamento iterativo del RESØAnalisi dei risultati di “primo run”

Le attività svolte all’interno del progetto sono state:

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2) Implementazione del modello MarkAl del sistema elettrico dal lato dell’offerta e della domanda residenziale ØRaccolta ed elaborazione dati raccolti da varie fonti:

•Archivi degli uffici Provinciali•Database sviluppati da organismi internazionali (IIASA, Oeko Institut...)

ØAnalisi di mercato su elettrodomestici e tecnologie esistentiØStrutturazione del RESØAffinamento iterativo del modelloØAnalisi dei primi risultati

In prospettiva:àunire il modello termico a quello elettricoàmodellizzare altri settori di più immediato interesse

(rifiuti ecc..)

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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 èrappresentato dal settore termico; l’80% di questo èattribuibile al settore termico residenziale.

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l 5000 kWh = 1.1 TEP = 46 GJl 1 TEP = 1213 Sm3 =1000 kg

olio combustibilel 1 kWhà 0,52 kg CO2l 1 Sm3 gas naturale à 2,15 kg

CO2l 1 PJ = 23,9 kTEP

0 1 2 3 4 5 6

riscaldamentoautonomo

riscaldamentocentralizzato

acqua caldasanitaria

cucina

PJ

gas

gplgasolio

biomassaelettricità

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

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Principi di funzionamento del sistema Principi di funzionamento del sistema MarkAlMarkAl: Il software crea l’assetto di equilibrio economico domandaequilibrio economico domanda--offertaofferta del sistema energetico considerato. Fornisce in output:

• la consistenza dei parchi tecnologiciconsistenza dei parchi tecnologici (lampadine alogene, centrali elettriche a ciclo combinato);• i flussi dei vettori energeticiflussi dei vettori energetici (consumi di gas naturale negli uffici, produzione di gasolio dalle raffinerie, etc.).

Ø L’approccio è di tipo bottombottom--upup: si parte dal fabbisogno di servizi energetici (es. quantità di illuminazione negli uffici, di calore per il riscaldamento delle utenze civili, ecc.)per ricostruire tutto il sistema energetico fino all’input primario. Ø quali informazioni sono importanti? • le quantità di energia e capacitenergia e capacitàà installata e utilizzata delle singole tecnologie energetiche,• Convenienza di soluzioni tecnologiche alternative (massimo beneficio energetico/€investito)• i costi, gli investimenti tecnologici, i prezziprezzi ombra delle commodities energetiche,• le emissioni e gli altri parametri ambientaliparametri ambientali.

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Il sistema Il sistema modellisticomodellistico MarkAlMarkAl èè composto da: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 (il 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 sistemaenergetico con il software (tecnologie,fabbisogni)

Fasi implementazione modelloCalibrazione: Verificare che il modellocostruito sia coerente

Analisi senza vincoli ambientali, Economici: scenario BASE

Aggiunta vincoli ambientali, Economici, ecc….

Noi siamo qui !!!

Analisi di scenari alternativi allo scenario BASE

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Produzione Conversione Distribuzione Utilizzo Domanda di servizi energetici

Luce

Calore

Movimento

…

Il RES è il reticolo di tecnologie energetiche(produzione, conversione, distribuzione e utilizzo dell’energia) e flussi di commodities(gas naturale, carbone, elettricità, …) che soddisfa la domanda di servizi energetici

input

Flussi di energia

output

Approccio bottom-up

??

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Secondary importation

Production

Other

Hydroelectric plants

Agriculture

Energetyindustry

Transports

Primary fuels Process of production

Secondary fuels

Final use demand

Thermoelectric plants

Waste processing technologies

Oil

deri

ved

Bio

mas

s

Was

te

Ele

ctri

cen

ergy

Gas

Coa

l

Wat

er

Woo

d

othe

r

Extraction

Primary importation

Process of conversion

Other

Non energy industry

Secondary fuels

ELC

Gas

Oil

deri

ved

Bio

mas

s

Sola

rE

Civiluse

RES

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Secondary importation

Production

Other

Hydroelectric plants

Agriculture

Energetyindustry

Transports

Primary fuels Process of production

Secondary fuels

Final use demand

Thermoelectric plants

Waste processing technologies

Oil

deri

ved

Bio

mas

s

Was

te

Ele

ctri

cen

ergy

Gas

Coa

l

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er

Woo

d

othe

r

Extraction

Primary importation

Process of conversion

Other

Non energy industry

Secondary fuels

ELC

Gas

Oil

deri

ved

Bio

mas

s

Sola

rE

Civil use

COMMERCIAL SECTOR, ELECTRIC USE

COMMERCIAL SECTOR, THERMAL USE

RESIDENTIAL SECTOR, ELECTRIC USE

RESIDENTIAL SECTOR, RESIDENTIAL SECTOR, THERMAL USETHERMAL USE

RES

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Secondary importation

Production

Other

Hydroelectric plants

Agriculture

Energetyindustry

Transports

Primary fuels Process of production

Secondary fuels

Final use demand

Thermoelectric plants

Waste processing technologies

Oil

deri

ved

Bio

mas

s

Was

te

Ele

ctri

cen

ergy

Gas

Coa

l

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er

Woo

d

othe

r

Extraction

Primary importation

Process of conversion

Other

Non energy industry

Secondary fuels

ELC

Gas

Oil

deri

ved

Bio

mas

s

Sola

rE

RESIDENTIAL AUTONOMOUS

HEATING DEMAND

RESIDENTIAL CENTRALIZED

HEATING DEMAND

RESIDENTIAL HOT WATER DEMAND

COOKING DEMAND

Il resto della ProvinciaPavia

Civil use

RESIDENTIAL SECTOR, RESIDENTIAL SECTOR, THERMAL USETHERMAL USE

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model input

Heating demand

Per il calcolo dei fabbisogni all’anno base (2000) sono stati incrociati i provenienti dati da varie fonti:ØBilancio Energetico Provinciale (2000) ØPiano di PrefattibilitàØPiano Energetico RegionaleØDati ISTATØData-base verifiche impianti termici

Heatingtechnologies

Input fuels

?model input

data

datamodel output

Con i risultati del modello di simulazione in ambiente Ms

EXCEL per il calcolo del fabbisogno secondo la norma UNI

7357 implementato dal Dip. Di Ingegneria Elettrica (Ing. A.

Signoriello)

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Per la modellizzazione delle tecnologie di domanda abbiamo utilizzato i dati Ø Data-base delle verifiche ispettive degli impianti termici

•Composizione del parco tecnologico in funzione del combustibile,dell’anno di installazione, della tipologia di impianto (autonomo o centralizzato),•Specifiche tecniche delle tecnologie (? … )

ØRicerche di mercato sulle tecnologie

Heatingtechnologies

Heating demandInput fuels

model input?

model input

data

datamodel output

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GASOIL BOILER

ST. GAS BOILER

LPG BOILER

WOOD-BURNING

STOVE

RESIDENTIAL AUTONOMOUS/

CENTRALIZED HEATING DEMAND

BIOMASS BOILER

GA

S O

LIL

LPG

BIOGA

SLHT

GAS COND. BOILER

HEAT HEAT CHANGERCHANGER

HEAT PUMPHEAT PUMP

EL

C

INPUT

OUTPUT

MSOffice6

20

ST. GAS BOILER (just

for water)

GAS, LPG BOILER

ELECTRIC BOILER

RESIDENTIAL HOT WATER DEMAND

SO

LAR

L E

.

LPG

GA

S

EL

C

LHT

THERMAL SOLAR BOILER

HEAT HEAT CHANGERCHANGER

BIO

BIOMASS BIOMASS BOILER (just BOILER (just

forfor water)water)

INPUT

OUTPUT

MSOffice7

Diapositiva 19

MSOffice6 inserire il nuovo vettore LHT in uscita da sistemi di cog/telerisc scambiatore pompa di calore elc

; 2005-11-25

Diapositiva 20

MSOffice7 cogeneraz /telerisc LHTbiomassa ; 2005-11-25

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Province of Pavia, BASE: autonomus heating technologies activity

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

00 03 06 09 12 15 18 21 24 27 30

year

PJ

WOOD-BURNING STOVE

ST. GAS BOILER

LPG BOILER

GASOIL BOILER

GAS CONDENSATION BOILER

BIOMASS BOILER

Esempio di risultati ottenibiliScenario BASE- condizionato dalle premesse iniziali:•Scenario non vincolato da limiti ambientali, economici, tecnologici•Non sono presenti tutte le tec.•Fabbisogno finale ipotizzato = costante

Cosa si può notare: Si afferma la tecnologia più performante. A fronte di un costo iniziale maggiore questo viene recuperato sul lungo termine dal risparmio di energia che l’utilizzo della nuova tecnologia comporta . Il modello tende a minimizzare il costo globale del sistema, in questo caso sostituisce il parco tecnologico con tecnologie più efficienti.

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energy consumption by fuel

89

91010

1111

1212

1313

00 03 06 09 12 15 18 21 24 27 30

year

PJ

ENSOL

ELC

BIO

GPL

GSL

GAS

E m i s s i o n L e v e l : P R _ P V , C O 2r e s i d e n t i a l t h e r m a l s e c t o r

7 2 96 9 7

6 4 16 2 5

6 0 2

5 4 35 4 35 5 05 5 25 5 5

6 6 1

0

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 0

6 0 0

7 0 0

8 0 0

2 0 0 0 2 0 0 3 2 0 0 6 2 0 0 9 2 0 1 2 2 0 1 5 2 0 1 8 2 0 2 1 2 0 2 4 2 0 2 7 2 0 3 0

Y e a r s

Th

ou

san

d t

on

s

B A S E

Esempio di risultati ottenibili

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Indicazioni per i policy maker

Studiare gli effetti di possibili azioni di pianificazione energetica

Dato un obiettivo da raggiungere con determinate condizioni al Dato un obiettivo da raggiungere con determinate condizioni al contorno, uno strumento di questo tipo permettecontorno, uno strumento di questo tipo permette

Confrontare le varie opzioni

Prendere la decisione piùconveniente

Monitorare le azioni intraprese

Raffinare il modello al variare delle esigenze e/o

delle condizioni al contorno

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0

0,5

1

1,5

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00 03 06 09 12 15 18 21 24 27 30

year

PJ

WOOD-BURNING STOVE

ST. GAS BOILER

LPG BOILER

GASOIL BOILER

GAS CONDENSATION BOILER

BIOMASS BOILER

Indicazioni per i policy maker à Incentivi sulle tecnologie

Caldaie a condensazione: dai risultati del modello si evince che è un mercato che “spinge ”. Basterebbe un minimo incentivo per far sì che questa tecnologia penetri il mercato.

Le caldaie a condensazione sono economicamente competitive con le tecnologie standard.

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0

0,5

1

1,5

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year

PJ

WOOD-BURNING STOVE

ST. GAS BOILER

LPG BOILER

GASOIL BOILER

GAS CONDENSATION BOILER

BIOMASS BOILER

Indicazioni per i policy maker à Incentivi sulle tecnologie

Caldaie a biomassa: il modello non investe sulle caldaie a biomassa.

Quanto devo incentivarle perchédiventino competitive? Posso studiare la reazione del sistema a varie soglie di incentivo…

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0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

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year

PJ

WOOD-BURNING STOVE

ST. GAS BOILER

LPG BOILER

GASOIL BOILER

GAS CONDENSATION BOILER

BIOMASS BOILER

Indicazioni per i policy maker Raggiungimento dei parametri di Kyoto ...

Incentivare solare o biomassa?

Posso studiare il costo di ogni tonnellata di CO2 risparmiata

(€ di investimento/t di CO2 risparmiata)

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GAS

GAS

BIO

CDR

ACQUA

Illuminazione

Uso lavatrice

Uso lavastoviglie

Uso frigorifero

Uso condizion.

Uso pc

Uso ACS

Uso cucina

Altri usi

Uso cucina

Tecnologie di domandaGAS

Centrale termoelettrica a ciclo combinato (grossa taglia)

Termovalorizzatore

Centrale mini-idro

ELC

Centrale a biogasBIOGAS

Centrale a cogenerazione di piccola taglia con teleriscaldamento

Centrale a cogenerazione di piccola taglia

Centrale a cogenerazionealimentata a biomassa

LHT

LHT

LHT

ANALISI DEI SISTEMI ENERGETICI CON ANALISI DEI SISTEMI ENERGETICI CON MODELLI TECNOLOGICI DELLA FAMIGLIA MODELLI TECNOLOGICI DELLA FAMIGLIA

““MARKALMARKAL””

28

Segue su excel …