LEZIONE 9.2. Introduzione ai MODELLI DI SIMULAZIONE ED OTTIMIZZAZIONE PER SISTEMI ENERGETICI

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1 LEZIONE 9.2 Introduzione ai MODELLI DI SIMULAZIONE ED OTTIMIZZAZIONE PER SISTEMI ENERGETICI 1di 14 PIANIFICAZIONE ATTRAVERSO I MODELLI: MODELLIZZAZIONE DI DOMANDA ED OFFERTA Pianificazione adottata per il breve termine vs. a lungo termine breve termine >> metodo può essere relativamente semplice (estrapolazione dati da serie passata) Lungo termine >> metodo che tiene conto di come evolve la situazione, dei cambiamenti strutturali e tecnologici e di possibili implicazioni politiche, sociali economiche I modelli permettono di investigare le relazioni funzionali attraverso l inserimento sistematico di informazioni. Una valutazione oggettiva dei risultati pone le basi per azioni future Con un modello si deve essere in grado di spiegare la relazione tra variabili collegate, deve basarsi su una base dati affidabile, deve essere in grado di produrre previsioni corrette ma soprattutto deve essere credibile Dal 1973 gli studi sui modelli che intendono rappresentare cosa può succedere nel futuro, cominciano a susseguirsi in campo economico, avendo riferimenti diversi e basandosi su assunzioni diverse >> risultati diversi Fondamentali i modelli economici e di simulazione che hanno utilizzato per le 2di 14 analisi strumenti diversi: 1

2 MODELLIZZAZIONE DI DOMANDA ED OFFERTA Secondo Kleinpeter (1995) le disparità si spiegano con la metodologia usata per l analisi, sulle assunzioni, sui parametri (crescita economica, demografica, influenza delle variabili politiche) ma anche dall impatto dei progressi tecnici per aumentare l efficienza nelle trasformazioni ed usi finali dell energia La formulazione di un modello energetico ha lo scopo di aiutare nell opportuna allocazione delle risorse energetiche siano esse di tipo fossile, siano di tipo rinnovabile. Durante gli ultimi 10 anni nuovi concetti di pianificazione e gestione dell energia quali la programmazione decentralizzata, la conservazione dell energia attraverso l impiego di tecnologie avanzate/più efficienti, riciclo dei rifiuti, pianificazione energetica integrata. Tipologia di modelli: orientati all offerta; orientati alla domanda; integrati. Inoltre un ulteriore distinzione proviene dal considerare: modelli econometrici; di ottimizzazione e di simulazione (analitici) 3di 14 L approccio macroeconomico prevede di avere - una pianificazione orientata all offerta >> inevitabili trend al rialzo giustificati da un incremento demografico e degli standard di vita che migliorano - una pianificazione orientata alla domanda dove, nonostante le 2 ipotesi di cui sopra, si considerano anche i progressi tecnologici >> portando ad una stabilizzazione della domanda La critica ai due metodi prevede: non sostenibilità del primo, eccessiva spinta idealistica del secondo. In genere i pianificatori sul lungo termine dovrebbero tenere conto di: (i) limitatezza delle risorse fossili; (ii) aumento dell efficienza e degli investimenti sulle alternative eserciteranno una pressione al rialzo sui prezzi dei fossili (già accade); (iii) aumento dell efficienza tenderà a stabilizzare la domanda. 4di 14 2

3 Per quanto i metodi possano essere i più onnicomprensivi possibili, la scienza non sarà mai in grado di programmare adeguatamente il futuro e quindi il pianificatore/modellizzatore deve sapere trattare le incertezze Per non complicare eccessivamente il modello, alcune scelte devono essere fatte anche in un regime di incertezza, ricordando che: (i) le informazioni vanno selezionate, NON CREATE; (ii) si deve scegliere tra modelli di minore e maggiore dettaglio (> complessità, accuratezza), (iii) su variabili e parametri cruciali può essere richiesta un assunzione a priori o comandata. In genere si parla di VARIABILI ESOGENE quali indici di crescita, incremento demografico, aumento PIL (quelle esterne imposte come input); VARIABILI ENDOGENE quelle interne calcolate VARIABILI OBIETTIVO (vincoli) quali prezzo combustibile, fattori ambientali, economici, 5di 14 IL RUOLO DELL OTTIMIZZAZIONE Vuol dire avere a disposizione un sistema accurato di equazioni e poter contare su un database affidabile, in ultimo ma non da ultimo ciò che si ottiene deve essere praticabile. Solo elementi oggettivi entrano nella costruzione del modello tramite algoritmi. Domanda ed offerta devono collimare L ottimizzazione è solo uno dei metodi di cui i pianificatori dispongono, in genere gli economisti preferiscono lavorare su modelli statistici, gli ingegneri su modelli tecnologici. Inoltre i modelli si caratterizzano per la struttura di tipo TOP DOWN (enfasi sull offerta) e BOTTOM UP (enfasi sulla domanda) 6di 14 3

4 La domanda dei servizi energetici deve essere espressa sotto forma di insieme di equazioni in cui si ritrovano i costi, le tecnologie della domanda e della conversione, la tipologia delle fonti impiegate. Un punto importante è rappresentato dalla SOSTITUIBILITÀ tra fonti, sapendo che questo indice di spostamento da una fonte ad un altra verrà a cambiare la struttura dell intero sistema e che questo cambierà il prezzo stesso dell energia. MODELLO BOTTOM UP Dmd/fabbisogno di ENERGIA OUTPUT Var.esogena MODELLO TOP DOWN OFFERTA ENERGIA INPUT Var.ESOGENA TECNOLOGIE DI USO FINALE E TECNOLOGIE DELLA TRASFORMAZIONE TECNOLOGIE DI USO FINALE E TECNOLOGIE DELLA TRASFORMAZIONE CONSUMI INPUT V.endogena DMD/fabbisogno OUTPUT V.ENDOGENA 7di 14 Nei modelli BOTTOM UP in genere la funzione obiettivo minimizza i costi del sistema di approvvigionamento, nei modelli TOP DOWN si massimizza in generale l energia impiegata COME SI ESPRIMONO I CONSUMI FINALI? Ad esempio andando ad identificare degli indici specifici o delle categorie di consumi (ad esempio riscaldamento nel settore civile per unità volumetrica (kwh/m 3 ), impiego di acqua calda procapite (l/procapite.gg), energia elettrica per uso illuminazione su superficie (lux, in funzione di utilizzo), volumetria condizionata (m 3 ), capacità frigorifera mantenuta ad un certo livello termico ). Nel settore industriale ci si può riferire ai processi: per esempio GJ/kg materiale essiccato, kwh/kg oppure kwh/addetti. 8di 14 4

5 MODELLI DI SIMULAZIONE ED OTTIMIZZAZIONE - ANALISI DELL INTERO SISTEMA E DEI SUOI SOTTOSISTEMI: OFFERTA, DOMANDA DI ENERGIA, DISTRIBUZIONE, CONVERSIONI... - L OTTIMIZZAZIONE, QUANDO SI RICHIEDE LA SOLUZIONE MIGLIORE POSSIBILE PER RAGGIUNGERE UN CERTO OBIETTIVO, RAPPRESENTA IL PASSO IN AVANTI CHE SI COMPIE PASSANDO DA UNA DESCRIZIONE ATTRAVERSO UN MODELLO A UNA PRESCRIZIONE ATTRAVERSO UN MODELLO, CHE DIMOSTRA CHE QUALSIASI ALTRA SOLUZIONE RISPETTO A QUELLA OTTIMALE È UNA SOLUZIONE DI PIÙ BASSO LIVELLO - L OTTIMIZZAZIONE IMPLICA CHE VENGA PROPOSTA UNA ACCURATA FORMULAZIONE DEL SISTEMA DI EQUAZIONI E CHE ESISTA UN DATABASE AFFIDABILE. L OTTIMIZZAZIONE È ASSOCIATA A CERTE CONSIDERAZIONI DI BASE. - POICHÉ L OTTIMIZZAZIONE HA BISOGNO DEL MATCH TRA OFFERTA E DOMANDA QUESTO FORZA A RICONSIDERARE IL SISTEMA ENERGETICO NEL SUO GLOBALE, QUINDI TALE METODO SI DIMOSTRA PARTICOLARMENTE EFFICACE PER LA PIANIFICAZIONE A LUNGO TERMINE. 9di 14 - NUOVE FONTI ENERGETICHE IMPLICANO UNA MODIFICA ANCHE NELLA DOMANDA ATTRAVERSO IL CAMBIAMENTO DEI PREZZI >> SUB OTTIMIZZAZIONE (O OTTIMIZZAZIONE PARZIALE) CARATTERISTICHE CHE RENDONO L OTTIMIZZAZIONE GIUSTIFICABILE OPERABILITÀ OTTIMA SOLO ELEMENTI OGGETTIVI E CHE SONO ESPRIMIBILI ATTRAVERSO RELAZIONI/EQUAZIONI ENTRANO NEL SISTEMA DELLE EQUAZIONI (QUESTO NE MINA IN QUALCHE MODO LA COMPLETA AFFIDABILITÀ); LA DOMANDA DEVE ESSERE SODDISFATTA DALL OFFERTA; PRATICABILITÀ OTTIMA DATI ACCURATI, OLTRE CHE FORMULAZIONI ACCURATE DEVONO ESSERE DISPONIBILI E DEVE ESSERE POSSIBILE GIUDICARNE I VALORI DESCRIZIONE DEI FENOMENI DEVE ESSERE POSSIBILE DESCRIVERE LA DOMANDA ATTRAVERSO EQUAZIONI (RELATIVAMENTE FACILE), QUELLO CHE RIMANE FONDAMENTALE RIGUARDA TUTTAVIA LA SOSTITUIBILITÀ DELLE FONTI DI ENERGIA 10 di 14 5

6 -ESEMPI DI MODELLI DI OTTIMO: MARKAL, MODEST, IKARUS, MESAP, MESSAGE, EFOM E TIMES - MODELLI AD AGENTI BREVE SUNTO DELLE LORO CARATTERISTICHE: MARKAL SVILUPPATO A PARTIRE DALLA FINE DEGLI ANNI 70 È UN MODELLO DI OTTIMIZZAZIONE BASATO SULLE TECNICHE DI PROGRAMMAZIONE LINEARE E USA COME METODO RISOLUTIVO L ALGORITMO DEL SIMPLESSO. E MOLTO DIFFUSO E USATO NELLA PROGETTAZIONE ENERGETICO-AMBIENTALE PER VALUTARE: LE EMISSIONI DI CO 2, L UTILIZZO DI NUOVE TECNOLOGIE, EFFICACIA DI CERTE AZIONI/MISURE DI POLITICA ENERGETICA ETC.. TRA LE TANTE VERSIONI DISPONIBILI C È L R-MARKAL CHE PERMETTE DI EFFETTUARE UN ANALISI MULTIREGIONALE CONSIDERANDO LO SCAMBIO DI BENI E SERVIZI (COMBUSTIBILI, ENERGIA) TRA REGIONE E REGIONE. 11 di 14 IL MODEST È UN MODELLO STATICO BASATO SULLA PROGRAMMAZIONE LINEARE, È STATO SVILUPPATO NEL 1992 ED È UTILIZZATO PER PROGETTI DI PIANIFICAZIONE ENERGETICA. AL CONTRARIO DI MARKAL, L OTTIMIZZAZIONE DEL SISTEMA ENERGETICO SI RIFERISCE AD UN SINGOLO ANNO INVECE CHE AD UN PERIODO PLURIENNALE E FORNISCE UNA RISOLUZIONE TEMPORALE MOLTO DETTAGLIATA PER CURVE DI CARICO. IKARUS SVILUPPATO NEL 1990 È UN MODELLO COMPOSTO DA STRUMENTI DI SIMULAZIONE ED OTTIMIZZAZIONE HA UN DATABASE TECNOLOGICO ED UN SISTEMA INFORMATIVO DETTAGLIATO. MESAP (MODULAR ENERGY SYSTEM ANALYSIS AND PLANNING) È UN MODELLO PER LA GESTIONE DELLE RISORSE ENERGETICHE ED AMBIENTALI SU SCALA LOCALE, REGIONALE O GLOBALE. PUÒ ESSERE APPLICATO PER L ANALISI DELLA DOMANDA, PER UNA PIANIFICAZIONE INTEGRATA, PER LA GESTIONE DELLA DOMANDA, PER LA SIMULAZIONE ED OTTIMIZZAZIONE DEI SISTEMI DI OFFERTA. 12 di 14 6

7 MESSAGE (MODEL FOR ENERGY SUPPLY STRATEGY ALTERNATIVES AND THEIR GENERAL ENVIRONMENTAL IMPACT) È UN MODELLO DINAMICO BASATO SULLA PROGRAMMAZIONE LINEARE USATO PER L OTTIMIZZAZIONE DI SISTEMI ENERGETICI A LIVELLO NAZIONALE. EFOM (ENERGY FLOW OPTIMIZATION MODEL) È UN MODELLO PER L OFFERTA ENERGETICA, SIMULA O OTTIMIZZA LE CARATTERISTICHE FONDAMENTALI DELL ENERGIA PRIMARIA ED I RELATIVI INVESTIMENTI NEL SETTORE DELLA PRODUZIONE DI ENERGIA ED IN QUELLO DI DOMANDA NECESSARI A SODDISFARE UN CONSUMO DI ENERGIA FINALE DETERMINATO ESOGENAMENTE (ESTERNO). TIMES (THE INTEGRATED MARKAL-EFOM SYSTEM) È UN MODELLO DI OTTIMIZZAZIONE CHE INDIVIDUA LE SOLUZIONI DI MINIMO COSTO CON UNA SERIE DI CONDIZIONI LIMITATIVE, COME AD ESEMPIO I VINCOLI SULLE EMISSIONI. NEL FUTURO TALE MODELLO ANDRÀ VIA VIA A SOSTITUIRE MARKAL, LA CUI STRUTTURA NON SODDISFA COMPLETAMENTE TUTTE LE ATTUALI ESIGENZE DI PIANIFICAZIONE E GLI STANDARD SOFTWARE. 13 di 14 BIBLIOGRAFIA PER APPROFONDIMENTI / COMPLETAMENTO ARGOMENTI - Kleinpeter M. Energy planning and policy Wiley Ed. (cap inizio) -- DISPENSE disponibili sul sito di PTE08 14 di 14 7