Strumenti di pianificazione e. teleriscaldamento urbano
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- Evaristo Alfieri
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1 Strumenti di pianificazione e gestione ottima delle reti di teleriscaldamento urbano Daniele Vigo Università di Bologna Dip. di Elettronica, Informatica e Sistemistica daniele.vigo@unibo.it
2 Sommario Introduzione Progetto Innovami (R.E-R) Problemi di pianificazione di reti TLR Modelli di ottimizzazione Sperimentazione su scenari reali 2
3 Introduzione Applicazione di metodologie avanzate di ottimizzazione matematica a problemi di pianificazione del teleriscaldamento urbano Supporto alle decisioni per problemi Strategici (lungo periodo): layout della rete, dimensionamento impianti, Tattico/operativi (breve periodo): regime di funzionamento Metodologie ampiamente consolidate e validate in altri settori applicativi (logistica, produzione industriale, energia, ) 3
4 Progetto INNOVAMI (RER) Progetto del PRRIITT Emilia Romagna 2009 Il Modulo 5 riguarda lo sviluppo di modelli di ottimizzazione e la realizzazione di prototipi utilizzabili a supporto della pianificazione e gestione di reti di teleriscaldamento (TLR) alimentate a cogenerazione e di mediopiccola dimensione (al di sotto delle unità immobiliari equivalenti o con una dimensione di impianto inferiore ai 10MW) Modulo 4 su reti telecomunicazione 4
5 Progetto INNOVAMI (RER) Affronta due sottoproblemi specifici: 1. Allacciamento di un insieme di nuovi clienti potenziali ad una rete urbana di TLR esistente 2. Risoluzione di problemi di unit commitment e dispatching dell energia prodotta dagli impianti nelle reti urbane di TLR Prevede la realizzazione di prototipi dei sistemi di ottimizzazione e la loro validazione su scenari reali Partner coinvolti DEIS ed HERA 5
6 Disegno della rete TLR Input: 1. una rete di teleriscaldamento completamente definita: caratterizzazione fisica, geometrica e topologica di ogni elemento (pipes, tees, ) delle reti di mandata e ritorno caratteristiche operative degli impianti della rete e degli scambiatori cliente già installati vincoli operativi globali (pressione massima in uscita a ciascun impianto, massima differenza di pressione su ciascun impianto, minima differenza di pressione sul generico scambiatore cliente ) parametri di costo globali (costi operativi degli impianti) plant Clienti / gruppi 6
7 Disegno della rete TLR Input: 2. un insieme di nuovi clienti, di cui stabilire l opportunità o meno di allacciamento. Di ciascuno di essi si ha: la potenza termica massima richiesta un insieme finito di possibili configurazioni (punti, modalità) di allacciamento alla rete, ognuna dettagliata in termini di: costi di allacciamento (stesura tubature, installazione scambiatore, ) ricavi derivanti dall allacciamento (incentivi, attualizzazione del ricavo della vendita di energia ) plant 7
8 Disegno della rete TLR Il problema consiste nel determinare il subset di clienti potenziali (e relative configurazioni) che è più conveniente allacciare: rispettare le caratteristiche ed i limiti fisici della rete rispettare i vincoli operativi globali e quelli particolari di ogni cliente massimizzare il profitto, tenendo conto dei costi e dei ricavi legati ad ogni possibile allacciamento, ma anche dei costi globali per esempio, può essere più conveniente allacciare il cliente c A rispetto a c B che, pur promettendo margini più ampi, è più lontano dall impianto e causa così più alti costi di pompaggio 8
9 Modellazione della rete Rappresentata mediante un grafo equivalente 9
10 Ipotesi semplificative La rete è rappresentata in condizioni di carico di punta e quindi in regime stazionario: disaccoppiamento dell aspetto termico da quello idraulico Cadute di temperatura ai clienti assunte note è possibile ridurre l incidenza della distribuzione delle temperature alla determinazione delle portate in massa che devono essere garantite sui rami cliente 10
11 Approssimazione non linearità Il modello di ottimizzazione può utilizzare solo relazioni lineari Le relazioni non lineari vengono approssimate con relazioni lineari a tratti 11
12 Modello matematico Il problema viene formulato utilizzando la programmazione lineare binaria (LP01), cioè un modello matematico in cui le variabili modellano rispettivamente: le grandezze che definiscono lo stato termico-idraulico della rete (portate sulle pipe, pressioni sui nodi, ) la decisione di inserire o meno in soluzione le configurazioni di allacciamento dei clienti potenziali Se n=clienti/configurazioni potenziali le combinazioni sono 2 n (di ciascuna va calcolata la configurazione di equilibrio delle pressioni e portate) 12
13 Modello matematico Funzione obiettivo (costo di una soluzione) somma pesata dei termini netti di ricavo associati alle configurazioni cliente in soluzione e del costo operativo globale (per es. di pompaggio) Le variabili decisionali devono soddisfare: vincoli descrittivi dei legami tra le grandezze fisiche in gioco (es. legami tra caduta di pressione e portata in massa lungo una pipe) vincoli operativi d esercizio (es. minima differenza di pressione tra mandata e ritorno per un cliente) vincoli strutturali legati agli aspetti decisionali (es. mutua esclusività tra l attivazione di configurazioni alternative) 13
14 Il modello matematico min z = E plant + F costo (pt allacc, c oper ) 1 E plant = θ T plt + π p plt + µ m plt consumo di energia nell impianto 2 E plant f energy (E pump, Σa A p Q a, Σa A c Q a ) bilancio energetico 3 p i - p j = K ij m 2 ij (i, j) A caduta di pressione sugli archi 4 Q a = m a c P,a T a a A c consumo di pot.termica dei clienti 5 Q a = m a c P,a T a a A p dispersione di calore nelle pipes 6 Σa δ + (i) m a = Σa δ (i) m a i V bilancio di massa ai nodi 7 eventuali vincoli operativi (portate massime nelle pipes, ) 14
15 Prototipo e sperimentazione Sviluppo di un prototipo del modello di Ottimizzazione per la conduzione di test Sperimentazione su una porzione del sistema urbano di TLR di Imola (100Km 5000 u) : Caratterizzazione degli elementi di rete già esistenti Caratterizzazione di tutti i clienti futuri (previsti) e potenziali Scenari: Validazione del modello sulla rete attuale Considerazione di clienti futuri e potenziali per vedere la reazione del modello 15
16 La rete esistente 16
17 La rete esistente: input 17
18 La rete esistente: output 18
19 Scenario 1 - grafo Esistenti Futuri Potenziali 19
20 Scenario 1 Lo scenario 1 rappresenta il caso base Per ciascun cliente potenziale: i costi sono quelli di stesura delle tubazioni ed installazione dello scambiatore i ricavi tengono invece conto sia di un contributo di allacciamento utente, che di una stima semplicistica dei ricavi derivanti dalla vendita di energia durante un dato orizzonte temporale di dieci anni il modello produce in output: per ciascun cliente, la decisione in merito all allacciamento i valori di pressione di mandata, ritorno, e la differenza, nei punti più significativi della rete 20
21 Scenario ipotetico - input 21
22 Scenario 1 - output 22
23 Scenario 1 - output Il 20 ed il 33 non vengono inseriti anche se convenienti (vincoli su pressione al plant) 23
24 Altri scenari possibili Variazione dei costi o dell orizzonte di ammortamento Qual è l insieme massimo servibile nel rispetto dei vincoli (indip. dal costo)? Qual è l insieme di clienti massimo servibile dato un limite di budget per il costo di allacciamento? 24
25 Evoluzione futura Consolidamento del modello per la gestione di reti di medio-grande dimensione Valutazione strategica di diverse sorgenti (cogenerazione, termovalorizzatori, biomasse, solare, recupero da industrie ) Dispatching/unit commitment (Giu 2010): Regime di funzionamento impianti nell arco di una giornata Considerazione della dinamica delle temperature Considerazione di serbatoi inerziali per accumulo del calore in alcuni periodi 25
26 Conclusioni Dimostrazione della fattibilità tecnica di un modello decisionale per la pianificazione di una rete di TLR Possibilità di conduzione di analisi quantitative what-if? Notevole innovazione rispetto agli strumenti disponibili che permettono solo la progettazione di dettaglio 26
mese 1 2 3 4 5 richiesta 6000 7000 8000 9500 11000
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