LA MODELLAZIONE DEGLI IMPIANTI DI CONVERSIONE DELL ENERGIA NEL MERCATO LIBERO. Sergio Rech

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1 LA MODELLAZIONE DEGLI IMPIANTI DI CONVERSIONE DELL ENERGIA NEL MERCATO LIBERO Sergio Rech Diparimeno di Ingegneria Indusriale Universià di Padova Mercai energeici e meodi quaniaivi: un pone ra Universià e Aziende 8 Oobre 2015, Palazzo Bo, Padova

2 Oggeo 2 Sisema di conversione dell energia Sisema energeico: limiaa porzione di universo inclusa all inerno dei confini di uno specifico volume di conrollo, aa alla conversione di una o più foni di energia in energia di alra/alre forme Queso volume può includere: 1. Una singola macchina 2. Un singolo impiano un insieme ordinao di macchine 3. Un insieme di impiani

3 Oggeo 3 Modello: è un insieme di relazioni maemaiche che raducono i processi fisici che avvengono all inerno del sisema reale in ermini quaniaivi e permee quindi di simarne le presazioni energeiche Se il modello non descrive correamene il comporameno del sisema le sime delle presazioni saranno errae

4 Soggei ineressai 4 Gesori/proprieari degli impiani di produzione di energia elerica che possono impiegare i modelli per prevederne le presazioni energeiche, e quindi economiche

5 Obieivi 5 Cosruire un sisema energeico che genera il massimo profio durane la via uile Gesire lo sesso sisema anche in condizioni eserne differeni da quelle iniziali es. prezzi dell energia, coso delle maerie prime

6 Obieivi 6 Cosruire un sisema in modo oimale corrisponde a scegliere: Tipologia Numero Taglia dimensioni SISTEMA ENERGETICO di ogni impiano e definire: le Inerconnessioni ra impiani al fine di massimizzare il profio nella via uile à cosruzione e gesione oima sono aspei correlai

7 I sisemi energeici 7 0 SISTEMA ENERGETICO 0 0

8 I sisemi energeici 8 Approccio di modellazione generale e semplice indipendenemene dal ipo di sisema/dimensioni del volume di conrollo es. Azienda municipalizzaa o gesore privao massa ed energia energia elerica SISTEMA massa ed energia ENERGETICO massa

9 I sisemi energeici 9 Approccio di modellazione generale e semplice indipendenemene dal ipo di sisema/dimensioni del volume di conrollo es. Regione SISTEMA ENERGETICO

10 Indice della presenazione 10 Modello del sisema energeico Bilanci di massa ed energia Indici di presazione Uilizzo di variabili binarie Vincoli relazioni aggiunive Oimizzazione del sisema energeico Funzione obieivo

11 Bilanci di massa ed energia 11 Esprimono la conservazione di massa ed energia Sono suddivisi in caegorie al fine di semplificare la creazione del modello: Bilanci di ogni unià del sisema Bilanci di inerconnessione ra le unià del sisema Bilanci di inerconnessione ra sisema e l ambiene eserno approvvigionameno di foni primarie e invio dei prodoi alla domanda/mercao

12 Bilanci di massa ed energia 12 Bilanci di unià: impiano 1 impiano 2 impiano 3 Bilanci ra unià: Bilanci ra sisema e ambiene: ambiene - impiano 1 ambiene - impiano 2 impiano 2 - amb. domanda impiano 3 - amb. domanda

13 Indici di presazione un prodoo 13 Sono un indicazione quaniaiva di come gli inpu es. combusibile vengono rasformai in oupu es. energia elerica: Losses 60 Fuel 100 Fuel 100 Losses 72 elecric Power 40 elecric Power 28

14 Indici di presazione impiani per produzione elerica 14 Impiani a ciclo combinao Impiani a vapore Indici di presazione dipendono dalla aglia dimensioni e dal ipo di impiano

15 Indici di presazione più prodoi 15 Per impiani che generano più di un prodoo uile si deve considerare anche il rapporo ra i prodoi esempio poenza ermica e poenza elerica generae in impiani Combined Hea and Power Fuel 100 Losses 25 elecic Power hermal power Q Losses Fuel elecic Power hermal power Q 28 28

16 Campi operaivi di impiani CHP 16 Impiano urbogas Impiano a ciclo combinao T GEN T AMB T GEN I campi operaivi sono più o meno ampi in funzione del ipo di impiano Impiano a vapore Maggiore flessibilià operaiva può dare vanaggi in ermini economici

17 Indici di presazione 17 Relazioni di presazione delle unià: impiano 1 impiano 2 inpu-oupu impiano 2 oupu-oupu impiano 3 Quese equazioni possono essere non lineari e sono in numero pari al numero oale di ingressi e uscie -1

18 Uilizzo di variabili binarie 18 Per la cosruzione e la gesione oima del sisema devono essere sceli gli impiani da includere/escludere dal sisema e da aivare/disaivare nel funzionameno dello sesso Il modello richiede perano variabili binarie con il compio di decidere : inclusione-esclusione di un impiano, : accensione-spegnimeno di un impiano al empo ;

19 min max P P P P k Q k P k F d d d ³ = & quando d ð e quando d ð e k P k Q k P k Q d d ³ & & Q P & - F Q P - - & Relazioni lineari Vincoli relazioni aggiunive Vincolo sul massimo e minimo carico di ogni unia e modellazione di accensione-spegnimeno: ð unià spena ð unià accesa 19

20 Vincoli relazioni aggiunive 20 Vincolo sulla massima variazione di carico in ogni condizione operaiva: P 1 -P DP d d d HS WS CS å å å max -m i= -m -n i= -m d WS d CS [ DPmax, HS -DPmax] [ DPmax, WS -DPmax] [ DPmax, CS -DPmax] i [ DPmax, WS -DPmax] i [ DPmax, CS -DP WS] i [ DP -DP ] i= 1 CS max, d max, CS max } in operazione normale ü ï ý durane gli avviameni ï þ ü ï ý per imporre i correidp ï ï þ

21 Vincoli relazioni aggiunive 21 Relazioni per l individuazione e il coneggio degli avviameni: DT < T1 T1 < DT < T2 DT > T2 ð avviameno caldo ð avviameno iepido ð avviameno freddo T1 e T2 sono inervalli di empo fissai in funzione del ipo di impiano d d d -d 1 d HS 1 ³ d T1 -d T1 1 d -...-d T2 -d T2 1 d WS CS T1 1 ³ 0 T2 1 ³ 0

22 Vincoli relazioni aggiunive 22 Vincolo sul minimo empo di inoperaivià DT DT di ogni impiano: D T 1 = T 1 1-d D DT DT soo la condizione: d 1 - T -DT d D 1 min DT DT ³ 0 Vincolo sul minimo empo di operaivià DT OT di ogni impiano analogo al vincolo sul minimo empo di inoperaivià

23 Oimizzazione del sisema energeico 23 Modello à riproduce il comporameno del sisema energeico in una deerminaa «siuazione» caraerizzaa da deerminai valori delle variabili indipendeni fissae a paramero dai di inpu del modello L esecuzione di più «run» del modello al variare del valore delle variabili indipendeni fissae a paramero permee di quanificare la bonà di ogni soluzione diversi sisemi e diverse condizioni operaive e, quindi, di scegliere la soluzione migliore Più convenienemene può essere imposao un problema di programmazione maemaica che sfrua opporuni algorimi e consene di velocizzare la ricerca della sisema/funzionameno oimo

24 Oimizzazione del sisema energeico 24 In generale il problema si configura come un problema MINLP Mixed Ineger NonLinear Programming per la presenza delle variabili binarie inclusione-esclusione e accensionespegnimeno Spesso ue le relazioni del modello sono ben approssimabili da relazioni lineari problema MILP con d,dîx ˆ Equazioni del modello

25 ø ö ç è æ = =- ò å å å å å ò å ò å ò å = = = = = T o D s D s s WS CS i CS HS WS i WS HS i HS mi i N i i i n i N i i T j e j J j j T r f r A R r r T s d D s S s s d P P INCENTIVI T z V c c P c c P c P T c P T z P d c L d c F d p P f z, ] ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ,, max, max, max,, max, 1, max, 1 0, 1 0,, 1 0,, 1 d d d d d d d d x p d,s [ /MWh] c f,r [ /MWh] c e,j, [ /] c m,i [ /MW anno] c HS,WS,CS [ /MW] z n,i [ /MW anno] z s [ /m 3 anno] Ricavi da vendia dei flussi di energia Coso per l acquiso del combusibile Coso delle emissioni Coso ammorameno Unià Coso di manuenzione Cosi ammorameno serbaoi di accumulo Funzione obieivo profio Evenuali incenivi 25

26 Conclusioni 26 Un approccio generale di modellazione dei sisemi energeici consise nell organizzando le equazioni di bilancio in caegorie e: Considerare le caraerisiche di presazione dei diversi ipi di impiano Uilizzare variabili binarie per la correa sima del progeo/funzionameno del sisema Considerare ui i vincoli che limiano il funzionameno degli impiani es. rampe di massima variazione del carico Un buon modello permee di simare correamene il risulao energeico e quindi economico del sisema: Viceversa, un modello che non include ui gli elemeni necessari pora a sime errae

27 Grazie per l aenzione Sergio Rech Universià degli Sudi di Padova Diparimeno di Ingegneria Indusriale sergio.rech@unipd.i el.:

28 28 Esempi applicaivi Impiani radizionali nel mercao elerico edesco Insallazione di serbaoi ermici in un sisema CHP Impiani CHP nel mercao della riserva erziaria

29 Impiani radizionali nel mercao elerico edesco 29 Scenario di riferimeno base Impiani considerai singolarmene: 3 a carbone STxx, 4 a gas CCxx Prezzi e cosi da dai sorici Risulao oimizzazione della gesione: profio specifico annuo z/pmax [ /kw] STSC 46.05% STHC 43.10% STLC 37.27% CCHC 59.00% CC3P 56.62% CC1P 54.28% CCLC 50.00% 2007: cosi emissioni CO 2 e combusibile bassi ð profii ali 2008: il prezzo dell elericià è aumenao più dei cosi ð profii più ali 2009, 2010: prezzi dell elericià bassi e cosi ali ð profii bassi

30 Risulao oimizzazione della gesione: coso medio di produzione STSC 46.05% STHC 43.10% STLC 37.27% CCHC 59.00% CC3P 56.62% CC1P 54.28% CCLC 50.00% STSC 46.05% CCHC 59.00% STHC 43.10% CC3P 56.62% CC1P 54.28% STLC 37.27% CCLC 50.00% [ /MWh] [ /MWh] CCHC 59.00% STSC 46.05% CC3P 56.62% STHC 43.10% CC1P 54.28% CCLC 50.00% STLC 37.27% [ /MWh] [ /MWh] CCHC 59.00% STSC 46.05% CC3P 56.62% STHC 43.10% CC1P 54.28% CCLC 50.00% STLC 37.27% Impiani radizionali nel mercao elerico edesco à 2009: inversione dell ordine di merio 2007 carbone, 2010 gas

31 Impiani radizionali nel mercao elerico edesco 31 Effeo sul mercao dell aumeno della produzione da rinnovabile P res con priorià di disaccameno: Diminuzione del prezzo dell energia elerica Esclusione dal mercao degli impiani con più alo coso di produzione

32 Impiani radizionali nel mercao elerico edesco 32 Fuuri incremeni della poenza insallaa di foni rinnovabili sono sai modellai uilizzando Malab Simulink Scenari considerai: Base: capacià rinnovabile insallaa nel 2010 PV3: x3 capacià di FV del 2010 W2: x2 capacià di eolico del 2010 PV3W2: combinazione di PV3 e W2, ovvero capacià rinnovabile previsa al 2020 Rif.: Nisch, J Periodi ipo considerai: mesi di agoso, oobre e dicembre Effeo dell aumeno della produzione da FV e eolico: diminuzione del prezzo medio dell elericià e aumeno della volailià del prezzo

33 Impiani radizionali nel mercao elerico edesco 33 Risulao oimizzazione della gesione nei nuovi scenari: riduzione del profio generabile dagli impiani ermici radizionali STHC e CC3P STHC AUGUST OCTOBER DECEMBER profi full load hours profi full load hours profi full load hours PV3-37% -16% -17% -7% -4% -1% W2-29% -19% -37% -25% -29% -23% PV3W2-62% -37% -50% -35% -32% -23% CC3P AUGUST OCTOBER DECEMBER profi full load hours profi full load hours profi full load hours PV3-30% -14% -17% -9% -5% -1% W2-23% -23% -35% -30% -28% -24% PV3W2-53% -32% -48% -33% -31% -24%

34 Insallazione di serbaoi ermici in un sisema CHP 34 Valuazione della dimensione oima di serbaoi di accumulo ermico inserii in un sisema CHP azienda municipalizzaa

35 Insallazione di serbaoi ermici in un sisema CHP 35 Effei dell insallazione dei serbaoi di accumulo ermico: 1. Economico: aumeno del profio esclusa vendia dell inero sisema Δz = 8,66% 2. Energeico: disaccoppiameno della produzione di energia elerica dalla richiesa ermica à aumeno della produzione di energia elerica GT e CC ΔE = 2,16%

36 Insallazione di serbaoi ermici in un sisema CHP 36 Effei dell insallazione dei serbaoi di accumulo ermico: 3. Termoeconomico: aumeno del rendimeno medio di generazione: diminuzione della produzione di energia degli impiani meno efficieni ST, diminuzione della produzione di energia ermica delle caldaie ΔQ = -43,90%;

37 Impiani CHP nel mercao della riserva erziaria 37 Valuazione della dimensione oima di serbaoi di accumulo ermico inserii in un sisema CHP operane nel mercao elerico edesco, incluso il mercao della riserva erziaria Due ipologie di impiani considerai: impiani a vapore e impiani a ciclo combinao;

38 Impiani CHP nel mercao della riserva erziaria 38 Mercao della riserva erziaria e ipoesi: L asa chiude alle 10:00; Le offere includono una capacià e due prezzi riserva di capacià ed effeiva variazione del carico e sono relaive ad inervalli di 4 h dalle 00:00 del giorno successivo; Il sisema enra sempre nel mercao offere sempre acceae; Non vi è mai l effeiva variazione del carico.

39 Impiani CHP nel mercao della riserva erziaria 39 Poenza riserva: Funzionameno normale: Massimo o minimo carico: carico e coereni con i limii di Accumulo ermico e la caldaia supporano a defici/surplus di poenza ermica

40 Impiani CHP nel mercao della riserva erziaria 40 L insallazione del serbaoio risula essere sempre vanaggiosa; L aumeno del profio è per la quasi oalià derivane dalla possibilià di gesire gli impiani a seguire il prezzo dell energia elerica profio derivane dal mercao della riserva erziaria è inferiore al 4,5% del profio oale; Nei periodi di picco del prezzi dell energia elerica non conviene offrire riserva erziaria.