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Piacenza – 30 aprile 2019
Progetto Efficity (Bando Regione Emilia-Romagna DGR 1097/2015 - POR-FESR 2014-2020)
Progettare la città sostenibile: distretti energetici intelligenti e digitalizzazione
Sviluppo di strategie di gestione ottimale di reti complesse di
distribuzione dell’energia
Francesco Melino – CIRI FRAME, Università di Bologna
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
2
Indice della presentazione
1. Reti complesse di distribuzione dell’energia
2. Algoritmo per il controllo (real-time) ottimale di reti complesse di
distribuzione dell’energia
A. Calcolo termo-fluidodinamico
B. Calcolo sistemi energetici (AG)
3. Caso applicativo: Campus di Parma
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
3
Reti complesse di distribuzione dell’energia
Thermal
Power Plant
Hydraulic
Power Plant
Wind
PhotovoltaicThermal
storage
Distributed photovoltaic
and thermal panels
+–
Electric
storage
Natural Gas
Networg
Auxiliary
boiler
District Heating/
Cooling Network
Heat
pump
CHP units
NATURAL GAS
ELECTRICAL ENERGY
THERMAL ENERGY
COOLING ENERGY
Absorption and
compression chillers
Biomass
boiler
BIOMASS
BIO National
Electrical
Grid
Thermal Power
Plant
(CHP application)
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
4
Reti complesse di distribuzione dell’energia
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
5
Reti complesse di distribuzione dell’energia
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
6
3-CENTO – Complex Energy Networks Tool Optimizer
• Calcolo delle prestazioni ed
ottimizzazione di una rete complessa
di distribuzione dell’energia:
 Elettrica;
 Termica (Frigorifera);
 del Combustibile.
• Calcolo «real time»
 Calcolo fluidodinamico DHN (o DCN);
 Regolazione DHN (DCN);
 Allocazione del carico;
 Scambi elettrici con la rete (o isola);
 Annullamento dispersioni termiche.
• Ottimizzazione:
 Economica
 Energetica (Ambientale)
 Energetica/Economica
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018 7
Calcolo fluidodinamico DHN (o DCN)
DHN NODES
definition
DHN PIPES
definition
DHN
SOURCES
definition
PUMPS INPUT
DHN USERS
definition
NETWORK
GEOMETRY
implementation
NODES INPUT
PIPES INPUT
USERS INPUT
OPERATIONAL
PARAMETERS
definition
SOURCE
INPUT
MASS FLOW RATE
AND PRESSURES
calculation
TEMPERATURES
calculation
UTILITIES
FITTING
TEXT OUTPUT
GRAPH OUTPUT
THERMAL
DISSIPATIONS
calculation
PUMPING
CONSUMPTION
calculation
1
5
4
2
3
6
INPUT
SORGENTI
1. NETWORK
GEOMETRY
IMPLEMENTATION
4. GEOMETRY AND
OPERATIONAL
PARAMETERS
ELABORATION
2.
NETWOR
K INPUT
3. USERS
DEFINITION
5. CALCULATION
6. OUTPUT
WRITING
• Algoritmo di Todini-Pilati
 nessun limite dimensioni e
complessità rete di distribuzione
termica (frigorifera);
 risoluzione idraulica (portate e
pressioni).
• Strategie di regolazione
 portata costante;
 DT costante;
 mista.
• Gestione gruppo pompaggio:
 centrale;
 pompe di rilancio
• Ottimizzazione:
 distribuzione pressioni;
 distribuzione portate.
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018 8
Calcolo fluidodinamico DHN (o DCN)
• Algoritmo di Todini-Pilati
 nessun limite dimensioni e
complessità rete di distribuzione
termica (frigorifera);
 risoluzione idraulica (portate e
pressioni).
• Strategie di regolazione
 portata costante;
 DT costante;
 mista.
• Gestione gruppo pompaggio:
 centrale;
 pompe di rilancio
• Ottimizzazione:
 distribuzione pressioni;
 distribuzione portate.
1
2
p12
3
4
p23
p24
5
6
p45
p46
(q3)
(q4)
(q6)
pij = ramo da nodo i a nodo j
qi = carico termico nodo (user) i
NN = numero nodi
NR = numero rami
Per ogni ramo:
1 - BILANCIO DI ENERGIA (dove Hi and Hj contenuto energetico del fluido nel nodo i
e j)
 densità
v velocità
L lunghezza ramo
D diametro ramo
f drag coefficient (Darcy coefficient)
 coeff. Perdite carico connc.
Darcy-Weisbach equation:
∆𝐻 𝑝𝑖𝑗 − 𝐻𝑖 − 𝐻𝑗 = 0
∆𝐻 = ∆𝐻 𝑑𝑖𝑠 + ∆𝐻𝑐𝑜𝑛=𝑓
𝐿
𝐷
𝜌
𝑣
2
+ 𝛽𝜌
𝑣2
2
Per ogni nodo:
2 - BILANCIO DI MASSA (tra portata in ingresso, in uscita e richiesta dall’utenza)
𝐼𝑁
𝑄𝐼𝑁 −
𝑂𝑈𝑇
𝑄 𝑂𝑈𝑇 −
𝑈
𝑞 𝑈 = 0
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018 9
Calcolo fluidodinamico DHN (o DCN)
• Algoritmo di Todini-Pilati
 nessun limite dimensioni e
complessità rete di distribuzione
termica (frigorifera);
 risoluzione idraulica (portate e
pressioni).
• Strategie di regolazione
 portata costante;
 DT costante;
 mista.
• Gestione gruppo pompaggio:
 centrale;
 pompe di rilancio
• Ottimizzazione:
 distribuzione pressioni;
 distribuzione portate.
1
2
p12
3
4
p23
p24
5
6
p45
p46
(q3)
(q4)
(q6)
pij = ramo da nodo i a nodo j
qi = carico termico nodo (user) i
NN = numero nodi
NR = numero rami
Sistema di (NN + NP) equazioni nelle incognite Q ed H






0),(
0),(
21
1211
qQAHQF
HAQAHQF
Q
P
Risoluzione iterativa con il
metodo di Newton-Raphson
 
 
 NNNRA
NRNNA
NRNRA



12
21
11
In particolare:
A21 matrice topologica. Le righe della matrice rappresentano i nodi della rete, le
colonne sono rappresentative dei rami. Il generico termine di A21(i,j) assume
valore 1 se la generica portata qj che attraversa il ramo j è entrante nel nodo i
ovvero il nodo i è a valle del ramo j, -1 nel caso contrario, 0 se non esiste
connessione tra il nodo i ed il ramo j.
A12 trasposta della matrice topologica
A11 matrice diagonale, con i termini non nulli definiti come segue:
 
 
j
j
j
Pj
Q
H
Q
F
jjA
NRNRA

D





,11
11
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018 10
Calcolo fluidodinamico DHN (o DCN)
• Algoritmo di Todini-Pilati
 nessun limite dimensioni e
complessità rete di distribuzione
termica (frigorifera);
 risoluzione idraulica (portate e
pressioni).
• Strategie di regolazione
 portata costante;
 DT costante;
 mista.
• Gestione gruppo pompaggio:
 centrale;
 pompe di rilancio
• Ottimizzazione:
 distribuzione pressioni;
 distribuzione portate.
Geometry of DHN
Users Input
Sources Input
Definition of matrices:
A11 ; A12; A21
First Attemp Values of
H(m=1) and Q(m=1)
Todini – Pilati
Algorithm
DH(m) ,DQ(m) < 10-9
Calculation of :
DH(m) , DQ(m)
H(m+1) = H(m) + DH(m)
Q(m+1) = Q(m) + DQ(m)
m = m+1
N
Y
Pipe Thermal
Calculation
Pipe Parameters
Text
Output
Graphical
Output
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018 11
Calcolo fluidodinamico DHN (o DCN)
• Algoritmo di Todini-Pilati
 nessun limite dimensioni e
complessità rete di distribuzione
termica (frigorifera);
 risoluzione idraulica (portate e
pressioni).
• Strategie di regolazione
 portata costante;
 DT costante;
 mista.
• Gestione gruppo pompaggio:
 centrale;
 pompe di rilancio
• Ottimizzazione:
 distribuzione pressioni;
 distribuzione portate.
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018 12
Calcolo fluidodinamico DHN (o DCN)
• Algoritmo di Todini-Pilati
 nessun limite dimensioni e
complessità rete di distribuzione
termica (frigorifera);
 risoluzione idraulica (portate e
pressioni).
• Strategie di regolazione
 portata costante;
 DT costante;
 mista.
• Gestione gruppo pompaggio:
 centrale;
 pompe di rilancio
• Ottimizzazione:
 distribuzione pressioni;
 distribuzione portate.
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
Efficienza[%]
Prevalenza[bar]
Portata in massa [kg/s]
Punto di design
1
2 3
4 5
6
7 8
9 10
11
12
13
14
1516
17
1819
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
3132
33
34
35
3637
3839
4041
42
43
44
45
4647
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
6162
68
64
65
66
67
63
69
70
71
72
73 74
1
2
3
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5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
2223
24
25
26
2728
29
3032 31
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42 43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
Percorso critico #1
Percorso critico #2
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018 13
Calcolo fluidodinamico DHN (o DCN)
• Algoritmo di Todini-Pilati
 nessun limite dimensioni e
complessità rete di distribuzione
termica (frigorifera);
 risoluzione idraulica (portate e
pressioni).
• Strategie di regolazione
 portata costante;
 DT costante;
 mista.
• Gestione gruppo pompaggio:
 centrale;
 pompe di rilancio
• Ottimizzazione:
 distribuzione pressioni;
 distribuzione portate.
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018 14
Calcolo sistemi energetici (AG)
• Algoritmo Genetico
 Fitness Function
 ottimo economico
 ottimo energetico (ambientale)
 ottimo energetico/economico
• Operazioni genetiche
 nuova generazione (25%);
 crossover (one point or two point);
 selezione (metodo roulette);
 mutazione (non impiegata).
• Input:
 caratteristiche sistemi;
 scenario tariffario
• Output:
 allocazione ottimale del carico;
 risultati economici.
WIND
PRIME
MOVERS (PM)
AUXILIARY
BOILERS (AB)
UTILITIES
(U)
ELECTRIC
GRID
NATURAL GAS
ELECTRICAL ENERGY
THERMAL ENERGY
NATURAL
GAS
NETWORK
SOLAR
THERMAL (RGt)
PV
PANELS
CH4
+ –
EL
STORAGE (ES)
TH
STORAGE (TS)
ABS
CHILLER (AC)
COMP
CHILLER (CC)
COOLING ENERGY
HEAT PUMP
(HP)
EL
RENEWABLE
GEN (RGe)
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018 15
Calcolo sistemi energetici (AG)
• Algoritmo Genetico
 Fitness Function
 ottimo economico
 ottimo energetico (ambientale)
 ottimo energetico/economico
• Operazioni genetiche
 nuova generazione (25%);
 crossover (one point or two point);
 selezione (metodo roulette);
 mutazione (non impiegata).
• Input:
 caratteristiche sistemi;
 scenario tariffario
• Output:
 allocazione ottimale del carico;
 risultati economici.
𝐹𝐹 = 𝐶𝜆 + 𝐶 𝑀 + 𝐶 𝐸 + 𝐶 𝐹
dove:
𝐶𝜆 costo totale del combustibile;
𝐶 𝑀 costo totale di manutenzione;
𝐶 𝐸 costo totale acquisto energia elettrica;
𝐶 𝐹 costo fittizi.
𝐶𝜆 = 𝑖=1
𝑛 𝑃𝑀
𝑓𝜆,𝑖
𝑃𝑀
𝐿 𝑃𝑀,𝑖 + 𝑖=1
𝑛 𝐴𝐵
𝑓𝜆,𝑖
𝐴𝐵
𝐿 𝐴𝐵,𝑖 ∙ 𝜆 𝑓𝑢𝑒𝑙 + 𝑖=1
𝑛 𝐵𝐵
𝑓𝜆,𝑖
𝐵𝐵
𝐿 𝐵𝐵,𝑖 ∙ 𝜆 𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠
𝐶 𝑀 = 𝑖=1
𝑛 𝑃𝑀+𝑛 𝑅𝐺𝑒
𝑃𝐸𝐿,𝑖 ∙ 𝜇 𝐸𝐿,𝑖 + 𝑖=1
𝑛 𝑅𝐺𝑡+𝑛 𝐴𝐵+𝑛 𝐵𝐵+𝑛 𝐻𝑃
𝑃 𝑇𝐻,𝑖 ∙ 𝜇 𝑇𝐻,𝑖 + 𝑖=1
𝑛 𝐶𝐶+𝑛 𝐴𝐶
𝑃𝐹𝑅,𝑖 ∙ 𝜇 𝐹𝑅,𝑖
𝐶 𝐸 = 𝑃𝐸𝐿,𝑃 ∙ 𝜉 𝐸𝐿,𝑃
essendo: 𝑃𝑖 = 𝑓 𝐿𝑖 .
𝑃𝐸𝐿,𝑃 = 𝑖=1
𝑛 𝑈
𝑃𝐸𝐿,𝑖
𝑈
+ 𝑖=1
𝑛 𝐶𝐶
𝑃 𝐹𝑅,𝑖
𝐶𝐶
𝑓𝐸𝐸𝑅,𝑖
𝐶𝐶
𝐿 𝐶𝐶,𝑖
+ 𝑖=1
𝑛 𝐻𝑃
𝑃 𝑇𝐻,𝑖
𝐻𝑃
𝑓𝐶𝑂𝑃,𝑖
𝐻𝑃
𝐿 𝐻𝑃,𝑖
− 𝑖=1
𝑛 𝑅𝐺𝑒
𝑓𝐸𝐿,𝑖
𝑅𝐺𝑒
𝐿 𝑅𝐺𝑒,𝑖 −
𝑖=1
𝑛 𝑃𝑀
𝑓𝐸𝐿,𝑖
𝑃𝑀
𝐿 𝑃𝑀,𝑖 − 𝑖=1
𝑛 𝐸𝑆
𝑃𝐸𝐿,𝑖
𝐸𝑆
essendo:
𝐶 𝐹 =
𝑖=1
𝑛 𝑃𝑀
𝑄 𝑑𝑖𝑠𝑝,𝑖
𝜂 𝐴𝐵,𝑎𝑣
∙ 𝜆 𝑓𝑢𝑒𝑙 ∙ 𝑝 𝑇 − 𝑃𝐸𝐿,𝑆 ∙ 𝜉 𝐸𝐿,𝑆
𝐶 𝐹 = 𝑃𝐸𝐿,𝑆 ∙ 𝜉 𝐸𝐿,𝑆 ∙ 𝑝 𝐸
Priorità termica
Priorità elettrica
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018 16
Calcolo sistemi energetici (AG)
• Algoritmo Genetico
 Fitness Function
 ottimo economico
 ottimo energetico (ambientale)
 ottimo energetico/economico
• Operazioni genetiche
 nuova generazione (25%);
 crossover (one point or two point);
 selezione (metodo roulette);
 mutazione (non impiegata).
• Input:
 caratteristiche sistemi;
 scenario tariffario
• Output:
 allocazione ottimale del carico;
 risultati economici.
6.00
6.05
6.10
6.15
6.20
6.25
6.30
6.35
6.40
6.45
6.50
6.55
6.60
6.65
6.70
6.75
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
G01
G02
G03
G04
G05
G06
G07
G08
G09
G10
ObjectFunctionValue[€]
Fitness Function Rank [#]
Generation INDEX
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018 17
Calcolo sistemi energetici (AG)
• Algoritmo Genetico
 Fitness Function
 ottimo economico
 ottimo energetico (ambientale)
 ottimo energetico/economico
• Operazioni genetiche
 nuova generazione (25%);
 crossover (one point or two point);
 selezione (metodo roulette);
 mutazione (non impiegata).
• Input:
 caratteristiche sistemi;
 scenario tariffario
• Output:
 allocazione ottimale del carico;
 risultati economici.
input richiesti:
o potenze elettrica, termica e frigorifera richieste complessivamente
dalle utenze, oltre che eventuale richiesta da parte delle utenze di
gas naturale per usi diretti;
o numero, tipologia e caratteristiche principali di:
• motori primi (potenze elettrica e termica di design, efficienza,
curve caratteristiche per il comportamento in off-design, ecc.);
• generatori da fonte rinnovabile (potenza di picco, curve di
efficienza, ecc.);
• sistemi per il riscaldamento ed il raffrescamento (taglia,
efficienza, comportamento in off-design, ecc.);
• sistemi di accumulo di energia elettrica e termica (massima
energia stoccabile);
o scenario tariffario (valori dell’energia elettrica acquistata e venduta,
costo del combustibile, ecc.)
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018 18
Calcolo sistemi energetici (AG)
• Algoritmo Genetico
 Fitness Function
 ottimo economico
 ottimo energetico (ambientale)
 ottimo energetico/economico
• Operazioni genetiche
 nuova generazione (25%);
 crossover (one point or two point);
 selezione (metodo roulette);
 mutazione (non impiegata).
• Input:
 caratteristiche sistemi;
 scenario tariffario
• Output:
 allocazione ottimale del carico;
 risultati economici.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
PM#1
PM#2
PM#3
PM#4
ElectricPower[kW]
hour/day
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
PM#1
PM#2
PM#3
PM#4
ThermalPower[kW]
hour/day
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
ChangeinCost[-]
hour/day
Full Load
Optimized
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
3-CENTO – Complex Energy Networks Tool Optimizer
19
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018 20
3-CENTO – Complex Energy Networks Tool Optimizer
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITYCaso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud)
21
Centrale
termica
<
12
4
3
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15 16
ID
Utenza
Utenza servita
1 Archivio storico
2 Scienze degli alimenti
3 Laboratorio Materiali
4 Polifunzionale/Auditorium
5 Ingegneria Scientifica
6 Palacampus
7 Scienze della terra
8 Bar
9 Centro la Grande – Chiesa/Aule
10 Mensa
11 Centro la Grande – Copisteria
12 Tecnopolo
13
Complesso delle utenze servite
dalla porzione Vecchia Sud
14
Complesso delle utenze servite
dalla porzione Vecchia Nord
15
Complesso delle utenze servite
dalla porzione Nuova Nord
16
Complesso delle utenze servite
dalla porzione Autonomo
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
22
Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud)
0
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Fabbisognodidesign[kW]
ID Utenza
0
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
7.000
8.000
9.000
10.000
11.000
12.000
0 730 1460 2190 2920 3650 4380 5110 5840 6570 7300 8030 8760
PotenzaTermica[kW]
ora/anno
Fabbisogno termico annuo
(rete nuova sud)
Energia termica/anno = 5 GWh (rete nuova sud)
anno termico: 15 ottobre – 15 aprile
Fabbisogno: riscaldamento invernale
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
23
Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud)
T T
T T
T T
T T
T T
BOILER #1
BOILER #2
BOILER #3
BOILER #4
ingresso rete
(uscita centrale)
uscita rete
(ingresso centrale)
BOILER #5
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
110,0
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
Efficienza[%]
Prevalenza[bar]
Portata in massa [kg/s]
Punto di design
mandata
rete TLR
ritorno
rete TLR
ritorno
utenza
mandata
utenza
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
4.000
4.500
5.000
BOILER #1 BOILER #2 BOILER #3 BOILER #4 BOILER #5
Potenza termica di design Rendimento termico di design
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Potenzatermicadesign[kW]
eddicienzatermicadesign[%]
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
24
Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud)
3
2
1
1
2
3
4
4
5
5
6
6
78
7
8
9
9
10
11
10
11
12
12
13
13
14
15
1415
16
16
17
17
18
19
18
19
20
21 20
22
21
22
23
23
24
24
25
2627
28
44
43
42
45
46
41
40
68
39
36
37
38
35
30
31
29
32
33
34
2526
27
45
46
47
43
42
44
41
40
69
37
36 38
39
34
35
33
29
30
32 31
28
48
49
50
51
52
53
54
48
49
50
51 52
53
5465 55
56
66
67
57
58
59
60
61
62
63
64
55
5657
58
59
60
61
62
63
64
65
66
6768
47
centrale
utenza
miscelatore
0-250 -50-150-300 -100-200-500 -400-550 -350-450-600-800 -700 -650-750
0
-50
-100
50
100
150
200
250
-150
-200
[m]
[m]
50
70
71
73
75
77
72
74
76
69
70
72
74
76
75
73
71
Temperatura immissione in rete [°C] 80
Temperatura di riferimento [°C] -5
Salto termico utenze (lato rete) [°C] 25
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018 25
Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (caso base)
0
10
20
30
40
50
8 11 19 32 34 39 44 47 53 65 68 69 71 73 75 77
Portatainmassa[kg/s]
IDN
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
8 11 19 32 34 39 44 47 53 65 68 69 71 73 75 77
Saltodipressione[bar]
IDN
Lunghezza totale della rete [m] 5167
Portata in massa TOTALE ingresso [kg/s] 165
Potenza termica fornita alle UTENZE dalla rete [kW] 17243
Potenza termica dissipata RETE [kW] 169
Potenza termica fornita sorgenti [kW] 17412
Potenza spesa pompaggio [kW] 145
3
2
1
1
2
3
4
4
5
5
6
6
78
7
8
9
9
10
11
10
11
12
12
13
13
14
15
1415
16
16
17
17
18
19
18
19
20
21 20
22
21
22
23
23
24
24
25
2627
28
44
43
42
45
46
41
40
68
39
36
37
38
35
30
31
29
32
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34
2526
27
45
46
47
43
42
44
41
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37
36 38
39
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35
33
29
30
32 31
28
48
49
50
51
52
53
54
48
49
50
51 52
53
5465 55
56
66
67
57
58
59
60
61
62
63
64
55
5657
58
59
60
61
62
63
64
65
66
6768
47
centrale
utenza
miscelatore
0-250 -50-150-300 -100-200-500 -400-550 -350-450-600-800 -700 -650-750
0
-50
-100
50
100
150
200
250
-150
-200
[m]
[m]
50
70
71
73
75
77
72
74
76
69
70
72
74
76
75
73
71
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
26
Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (caso base)
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
27
Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (caso base)
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
28
Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (caso base)
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
29
Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (caso base)
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
30
Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (caso base)
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
31
Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – 18 novembre
0
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Potenzaelettricarichiesta[kW]
ore/giorno
0
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Potenzatermicarichiesta[kW]
ore/giorno
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
32
Sistemi di produzione
• un ORC alimentato a biomassa
Potenza elettrica: 1058 kW;
Potenza termica: 5155 kW;
Rendimento elettrico: 0.1387;
Rendimento termico: 0.6758
• un serbatoio di accumulo termico
da 56825 kWh
• una caldaia
Potenza termica: 8334 kW;
Rendimento termico: 0. 9440
Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – 18 novembre
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
0.11
0.12
0.13
0.14
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
[€/kWh]
ore/giorno
acquisto
vendita
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Temperaturaambiente[°C]
ore/giorno
0
50
100
150
200
250
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Irraggiamento[W/m
2
]
ore/giorno
• una caldaia
Potenza termica: 94 kW;
Rendimento termico: 0. 9440
• pannelli fotovoltaici
Potenza elettrica di picco: 6300 kW;
Superficie coperta: 42000 m2.
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
33
Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (18 novembre)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
PotenzaElettricaperPompaggio[kW]
ore/giorno
rete in funzione
rilancio
rete
stand-by
rete
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Temperatura[°C]
ore/giorno
0
20
40
60
80
100
120
140
160
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Portatainmassa[kg/s]
ore/giorno
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Efficienzadidistribuzione[-]
ore/giorno
- 26% consumo elettrico
per pompaggio
- 8% potenza termica
dispersa
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
34
Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (18 novembre)
0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
3,500
4,000
4,500
5,000
5,500
6,000
6,500
7,000
7,500
8,000
8,500
9,000
9,500
10,000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
fornita all'accumulo termico [kW]
dispersa rete [kW]
stand-by rete [kW]
rilancio rete [kW]
richiesta utenza [kW]
potenzatermica[kW]
ora/giorno
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
35
Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (18 novembre)
0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
3,500
4,000
4,500
5,000
5,500
6,000
6,500
7,000
7,500
8,000
8,500
9,000
9,500
10,000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
da caldaie [kW]
fornita dall'accumulo termico [kW]
da motori primi [kW]
potenzatermica[kW]
ora/giorno
4 ton CO2 evitate
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
36
Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (18 novembre)
40
50
60
70
80
90
100
inizio periodo
fine periodo
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
energiadisponibileaccumulo[%]
ore/giorno
accumulo
restituzione
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
37
Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (18 novembre)
0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
3,500
4,000
4,500
5,000
5,500
6,000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
immessa in rete [kW]
pompaggio [kW]
richiesta utenza [kW]
potenzaelettrica[kW]
ora/giorno
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
38
Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (18 novembre)
0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
3,500
4,000
4,500
5,000
5,500
6,000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
da fotovoltaico [kW]
acquistata dalla rete [kW]
da motori primi [kW]
potenzatermica[kW]
ora/giorno
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITYConclusioni
39
1. Il software 3-CENTO è in grado di ottimizzare una rete complessa di distribuzione
dell’energia elettrica, termica (frigorifera) o del combustibile al fine di:
o minimizzare il costo di produzione dell’energia;
o e/o minimizzare lo scambio di energia elettrica con la rete
o e/o minimizzare la dispersione di energia termica nell’ambiente
2. Il software è adatto alla gestione di reti complesse come strumento «real time»
3. L’applicazione del software a un caso studio ha permesso – a parità di servizio energia
fornito alle utenze – di ridurre la spesa di combustibile, le emissioni clima alteranti e gli
scambi di energia elettrica con la rete nazionale.
- Key Energy, Rimini - 08.11.2018
Il Progetto EFFICITY
40
GRAZIE PER L’ATTENZIONE
Francesco Melino – CIRI-FRAME – Università di Bologna
francesco.melino@unibo.it
Progetto EffiCity - Sistemi energetici efficienti per distretti urbani intelligenti
www.efficity-project.it
Efficity è un progetto co-finanziato dalla Regione Emilia-Romagna nell’ambito del Bando per progetti di ricerca industriale strategica in ambito
energetico (DGR 1097/2015), emesso in attuazione al POR-FESR 2014-2020.

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Sviluppo di strategie di gestione ottimale di reti complesse di distribuzione dell energia

  • 1. Piacenza – 30 aprile 2019 Progetto Efficity (Bando Regione Emilia-Romagna DGR 1097/2015 - POR-FESR 2014-2020) Progettare la città sostenibile: distretti energetici intelligenti e digitalizzazione Sviluppo di strategie di gestione ottimale di reti complesse di distribuzione dell’energia Francesco Melino – CIRI FRAME, Università di Bologna
  • 2. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 2 Indice della presentazione 1. Reti complesse di distribuzione dell’energia 2. Algoritmo per il controllo (real-time) ottimale di reti complesse di distribuzione dell’energia A. Calcolo termo-fluidodinamico B. Calcolo sistemi energetici (AG) 3. Caso applicativo: Campus di Parma
  • 3. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 3 Reti complesse di distribuzione dell’energia Thermal Power Plant Hydraulic Power Plant Wind PhotovoltaicThermal storage Distributed photovoltaic and thermal panels +– Electric storage Natural Gas Networg Auxiliary boiler District Heating/ Cooling Network Heat pump CHP units NATURAL GAS ELECTRICAL ENERGY THERMAL ENERGY COOLING ENERGY Absorption and compression chillers Biomass boiler BIOMASS BIO National Electrical Grid Thermal Power Plant (CHP application)
  • 4. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 4 Reti complesse di distribuzione dell’energia
  • 5. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 5 Reti complesse di distribuzione dell’energia
  • 6. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 6 3-CENTO – Complex Energy Networks Tool Optimizer • Calcolo delle prestazioni ed ottimizzazione di una rete complessa di distribuzione dell’energia:  Elettrica;  Termica (Frigorifera);  del Combustibile. • Calcolo «real time»  Calcolo fluidodinamico DHN (o DCN);  Regolazione DHN (DCN);  Allocazione del carico;  Scambi elettrici con la rete (o isola);  Annullamento dispersioni termiche. • Ottimizzazione:  Economica  Energetica (Ambientale)  Energetica/Economica
  • 7. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 7 Calcolo fluidodinamico DHN (o DCN) DHN NODES definition DHN PIPES definition DHN SOURCES definition PUMPS INPUT DHN USERS definition NETWORK GEOMETRY implementation NODES INPUT PIPES INPUT USERS INPUT OPERATIONAL PARAMETERS definition SOURCE INPUT MASS FLOW RATE AND PRESSURES calculation TEMPERATURES calculation UTILITIES FITTING TEXT OUTPUT GRAPH OUTPUT THERMAL DISSIPATIONS calculation PUMPING CONSUMPTION calculation 1 5 4 2 3 6 INPUT SORGENTI 1. NETWORK GEOMETRY IMPLEMENTATION 4. GEOMETRY AND OPERATIONAL PARAMETERS ELABORATION 2. NETWOR K INPUT 3. USERS DEFINITION 5. CALCULATION 6. OUTPUT WRITING • Algoritmo di Todini-Pilati  nessun limite dimensioni e complessità rete di distribuzione termica (frigorifera);  risoluzione idraulica (portate e pressioni). • Strategie di regolazione  portata costante;  DT costante;  mista. • Gestione gruppo pompaggio:  centrale;  pompe di rilancio • Ottimizzazione:  distribuzione pressioni;  distribuzione portate.
  • 8. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 8 Calcolo fluidodinamico DHN (o DCN) • Algoritmo di Todini-Pilati  nessun limite dimensioni e complessità rete di distribuzione termica (frigorifera);  risoluzione idraulica (portate e pressioni). • Strategie di regolazione  portata costante;  DT costante;  mista. • Gestione gruppo pompaggio:  centrale;  pompe di rilancio • Ottimizzazione:  distribuzione pressioni;  distribuzione portate. 1 2 p12 3 4 p23 p24 5 6 p45 p46 (q3) (q4) (q6) pij = ramo da nodo i a nodo j qi = carico termico nodo (user) i NN = numero nodi NR = numero rami Per ogni ramo: 1 - BILANCIO DI ENERGIA (dove Hi and Hj contenuto energetico del fluido nel nodo i e j)  densità v velocità L lunghezza ramo D diametro ramo f drag coefficient (Darcy coefficient)  coeff. Perdite carico connc. Darcy-Weisbach equation: ∆𝐻 𝑝𝑖𝑗 − 𝐻𝑖 − 𝐻𝑗 = 0 ∆𝐻 = ∆𝐻 𝑑𝑖𝑠 + ∆𝐻𝑐𝑜𝑛=𝑓 𝐿 𝐷 𝜌 𝑣 2 + 𝛽𝜌 𝑣2 2 Per ogni nodo: 2 - BILANCIO DI MASSA (tra portata in ingresso, in uscita e richiesta dall’utenza) 𝐼𝑁 𝑄𝐼𝑁 − 𝑂𝑈𝑇 𝑄 𝑂𝑈𝑇 − 𝑈 𝑞 𝑈 = 0
  • 9. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 9 Calcolo fluidodinamico DHN (o DCN) • Algoritmo di Todini-Pilati  nessun limite dimensioni e complessità rete di distribuzione termica (frigorifera);  risoluzione idraulica (portate e pressioni). • Strategie di regolazione  portata costante;  DT costante;  mista. • Gestione gruppo pompaggio:  centrale;  pompe di rilancio • Ottimizzazione:  distribuzione pressioni;  distribuzione portate. 1 2 p12 3 4 p23 p24 5 6 p45 p46 (q3) (q4) (q6) pij = ramo da nodo i a nodo j qi = carico termico nodo (user) i NN = numero nodi NR = numero rami Sistema di (NN + NP) equazioni nelle incognite Q ed H       0),( 0),( 21 1211 qQAHQF HAQAHQF Q P Risoluzione iterativa con il metodo di Newton-Raphson      NNNRA NRNNA NRNRA    12 21 11 In particolare: A21 matrice topologica. Le righe della matrice rappresentano i nodi della rete, le colonne sono rappresentative dei rami. Il generico termine di A21(i,j) assume valore 1 se la generica portata qj che attraversa il ramo j è entrante nel nodo i ovvero il nodo i è a valle del ramo j, -1 nel caso contrario, 0 se non esiste connessione tra il nodo i ed il ramo j. A12 trasposta della matrice topologica A11 matrice diagonale, con i termini non nulli definiti come segue:     j j j Pj Q H Q F jjA NRNRA  D      ,11 11
  • 10. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 10 Calcolo fluidodinamico DHN (o DCN) • Algoritmo di Todini-Pilati  nessun limite dimensioni e complessità rete di distribuzione termica (frigorifera);  risoluzione idraulica (portate e pressioni). • Strategie di regolazione  portata costante;  DT costante;  mista. • Gestione gruppo pompaggio:  centrale;  pompe di rilancio • Ottimizzazione:  distribuzione pressioni;  distribuzione portate. Geometry of DHN Users Input Sources Input Definition of matrices: A11 ; A12; A21 First Attemp Values of H(m=1) and Q(m=1) Todini – Pilati Algorithm DH(m) ,DQ(m) < 10-9 Calculation of : DH(m) , DQ(m) H(m+1) = H(m) + DH(m) Q(m+1) = Q(m) + DQ(m) m = m+1 N Y Pipe Thermal Calculation Pipe Parameters Text Output Graphical Output
  • 11. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 11 Calcolo fluidodinamico DHN (o DCN) • Algoritmo di Todini-Pilati  nessun limite dimensioni e complessità rete di distribuzione termica (frigorifera);  risoluzione idraulica (portate e pressioni). • Strategie di regolazione  portata costante;  DT costante;  mista. • Gestione gruppo pompaggio:  centrale;  pompe di rilancio • Ottimizzazione:  distribuzione pressioni;  distribuzione portate.
  • 12. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 12 Calcolo fluidodinamico DHN (o DCN) • Algoritmo di Todini-Pilati  nessun limite dimensioni e complessità rete di distribuzione termica (frigorifera);  risoluzione idraulica (portate e pressioni). • Strategie di regolazione  portata costante;  DT costante;  mista. • Gestione gruppo pompaggio:  centrale;  pompe di rilancio • Ottimizzazione:  distribuzione pressioni;  distribuzione portate. 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 Efficienza[%] Prevalenza[bar] Portata in massa [kg/s] Punto di design 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1516 17 1819 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 3132 33 34 35 3637 3839 4041 42 43 44 45 4647 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 6162 68 64 65 66 67 63 69 70 71 72 73 74 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 2223 24 25 26 2728 29 3032 31 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 Percorso critico #1 Percorso critico #2
  • 13. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 13 Calcolo fluidodinamico DHN (o DCN) • Algoritmo di Todini-Pilati  nessun limite dimensioni e complessità rete di distribuzione termica (frigorifera);  risoluzione idraulica (portate e pressioni). • Strategie di regolazione  portata costante;  DT costante;  mista. • Gestione gruppo pompaggio:  centrale;  pompe di rilancio • Ottimizzazione:  distribuzione pressioni;  distribuzione portate.
  • 14. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 14 Calcolo sistemi energetici (AG) • Algoritmo Genetico  Fitness Function  ottimo economico  ottimo energetico (ambientale)  ottimo energetico/economico • Operazioni genetiche  nuova generazione (25%);  crossover (one point or two point);  selezione (metodo roulette);  mutazione (non impiegata). • Input:  caratteristiche sistemi;  scenario tariffario • Output:  allocazione ottimale del carico;  risultati economici. WIND PRIME MOVERS (PM) AUXILIARY BOILERS (AB) UTILITIES (U) ELECTRIC GRID NATURAL GAS ELECTRICAL ENERGY THERMAL ENERGY NATURAL GAS NETWORK SOLAR THERMAL (RGt) PV PANELS CH4 + – EL STORAGE (ES) TH STORAGE (TS) ABS CHILLER (AC) COMP CHILLER (CC) COOLING ENERGY HEAT PUMP (HP) EL RENEWABLE GEN (RGe)
  • 15. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 15 Calcolo sistemi energetici (AG) • Algoritmo Genetico  Fitness Function  ottimo economico  ottimo energetico (ambientale)  ottimo energetico/economico • Operazioni genetiche  nuova generazione (25%);  crossover (one point or two point);  selezione (metodo roulette);  mutazione (non impiegata). • Input:  caratteristiche sistemi;  scenario tariffario • Output:  allocazione ottimale del carico;  risultati economici. 𝐹𝐹 = 𝐶𝜆 + 𝐶 𝑀 + 𝐶 𝐸 + 𝐶 𝐹 dove: 𝐶𝜆 costo totale del combustibile; 𝐶 𝑀 costo totale di manutenzione; 𝐶 𝐸 costo totale acquisto energia elettrica; 𝐶 𝐹 costo fittizi. 𝐶𝜆 = 𝑖=1 𝑛 𝑃𝑀 𝑓𝜆,𝑖 𝑃𝑀 𝐿 𝑃𝑀,𝑖 + 𝑖=1 𝑛 𝐴𝐵 𝑓𝜆,𝑖 𝐴𝐵 𝐿 𝐴𝐵,𝑖 ∙ 𝜆 𝑓𝑢𝑒𝑙 + 𝑖=1 𝑛 𝐵𝐵 𝑓𝜆,𝑖 𝐵𝐵 𝐿 𝐵𝐵,𝑖 ∙ 𝜆 𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠 𝐶 𝑀 = 𝑖=1 𝑛 𝑃𝑀+𝑛 𝑅𝐺𝑒 𝑃𝐸𝐿,𝑖 ∙ 𝜇 𝐸𝐿,𝑖 + 𝑖=1 𝑛 𝑅𝐺𝑡+𝑛 𝐴𝐵+𝑛 𝐵𝐵+𝑛 𝐻𝑃 𝑃 𝑇𝐻,𝑖 ∙ 𝜇 𝑇𝐻,𝑖 + 𝑖=1 𝑛 𝐶𝐶+𝑛 𝐴𝐶 𝑃𝐹𝑅,𝑖 ∙ 𝜇 𝐹𝑅,𝑖 𝐶 𝐸 = 𝑃𝐸𝐿,𝑃 ∙ 𝜉 𝐸𝐿,𝑃 essendo: 𝑃𝑖 = 𝑓 𝐿𝑖 . 𝑃𝐸𝐿,𝑃 = 𝑖=1 𝑛 𝑈 𝑃𝐸𝐿,𝑖 𝑈 + 𝑖=1 𝑛 𝐶𝐶 𝑃 𝐹𝑅,𝑖 𝐶𝐶 𝑓𝐸𝐸𝑅,𝑖 𝐶𝐶 𝐿 𝐶𝐶,𝑖 + 𝑖=1 𝑛 𝐻𝑃 𝑃 𝑇𝐻,𝑖 𝐻𝑃 𝑓𝐶𝑂𝑃,𝑖 𝐻𝑃 𝐿 𝐻𝑃,𝑖 − 𝑖=1 𝑛 𝑅𝐺𝑒 𝑓𝐸𝐿,𝑖 𝑅𝐺𝑒 𝐿 𝑅𝐺𝑒,𝑖 − 𝑖=1 𝑛 𝑃𝑀 𝑓𝐸𝐿,𝑖 𝑃𝑀 𝐿 𝑃𝑀,𝑖 − 𝑖=1 𝑛 𝐸𝑆 𝑃𝐸𝐿,𝑖 𝐸𝑆 essendo: 𝐶 𝐹 = 𝑖=1 𝑛 𝑃𝑀 𝑄 𝑑𝑖𝑠𝑝,𝑖 𝜂 𝐴𝐵,𝑎𝑣 ∙ 𝜆 𝑓𝑢𝑒𝑙 ∙ 𝑝 𝑇 − 𝑃𝐸𝐿,𝑆 ∙ 𝜉 𝐸𝐿,𝑆 𝐶 𝐹 = 𝑃𝐸𝐿,𝑆 ∙ 𝜉 𝐸𝐿,𝑆 ∙ 𝑝 𝐸 Priorità termica Priorità elettrica
  • 16. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 16 Calcolo sistemi energetici (AG) • Algoritmo Genetico  Fitness Function  ottimo economico  ottimo energetico (ambientale)  ottimo energetico/economico • Operazioni genetiche  nuova generazione (25%);  crossover (one point or two point);  selezione (metodo roulette);  mutazione (non impiegata). • Input:  caratteristiche sistemi;  scenario tariffario • Output:  allocazione ottimale del carico;  risultati economici. 6.00 6.05 6.10 6.15 6.20 6.25 6.30 6.35 6.40 6.45 6.50 6.55 6.60 6.65 6.70 6.75 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 G01 G02 G03 G04 G05 G06 G07 G08 G09 G10 ObjectFunctionValue[€] Fitness Function Rank [#] Generation INDEX
  • 17. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 17 Calcolo sistemi energetici (AG) • Algoritmo Genetico  Fitness Function  ottimo economico  ottimo energetico (ambientale)  ottimo energetico/economico • Operazioni genetiche  nuova generazione (25%);  crossover (one point or two point);  selezione (metodo roulette);  mutazione (non impiegata). • Input:  caratteristiche sistemi;  scenario tariffario • Output:  allocazione ottimale del carico;  risultati economici. input richiesti: o potenze elettrica, termica e frigorifera richieste complessivamente dalle utenze, oltre che eventuale richiesta da parte delle utenze di gas naturale per usi diretti; o numero, tipologia e caratteristiche principali di: • motori primi (potenze elettrica e termica di design, efficienza, curve caratteristiche per il comportamento in off-design, ecc.); • generatori da fonte rinnovabile (potenza di picco, curve di efficienza, ecc.); • sistemi per il riscaldamento ed il raffrescamento (taglia, efficienza, comportamento in off-design, ecc.); • sistemi di accumulo di energia elettrica e termica (massima energia stoccabile); o scenario tariffario (valori dell’energia elettrica acquistata e venduta, costo del combustibile, ecc.)
  • 18. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 18 Calcolo sistemi energetici (AG) • Algoritmo Genetico  Fitness Function  ottimo economico  ottimo energetico (ambientale)  ottimo energetico/economico • Operazioni genetiche  nuova generazione (25%);  crossover (one point or two point);  selezione (metodo roulette);  mutazione (non impiegata). • Input:  caratteristiche sistemi;  scenario tariffario • Output:  allocazione ottimale del carico;  risultati economici. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 PM#1 PM#2 PM#3 PM#4 ElectricPower[kW] hour/day 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 PM#1 PM#2 PM#3 PM#4 ThermalPower[kW] hour/day 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 ChangeinCost[-] hour/day Full Load Optimized
  • 19. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 3-CENTO – Complex Energy Networks Tool Optimizer 19
  • 20. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 20 3-CENTO – Complex Energy Networks Tool Optimizer
  • 21. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITYCaso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) 21 Centrale termica < 12 4 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 ID Utenza Utenza servita 1 Archivio storico 2 Scienze degli alimenti 3 Laboratorio Materiali 4 Polifunzionale/Auditorium 5 Ingegneria Scientifica 6 Palacampus 7 Scienze della terra 8 Bar 9 Centro la Grande – Chiesa/Aule 10 Mensa 11 Centro la Grande – Copisteria 12 Tecnopolo 13 Complesso delle utenze servite dalla porzione Vecchia Sud 14 Complesso delle utenze servite dalla porzione Vecchia Nord 15 Complesso delle utenze servite dalla porzione Nuova Nord 16 Complesso delle utenze servite dalla porzione Autonomo
  • 22. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 22 Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Fabbisognodidesign[kW] ID Utenza 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000 10.000 11.000 12.000 0 730 1460 2190 2920 3650 4380 5110 5840 6570 7300 8030 8760 PotenzaTermica[kW] ora/anno Fabbisogno termico annuo (rete nuova sud) Energia termica/anno = 5 GWh (rete nuova sud) anno termico: 15 ottobre – 15 aprile Fabbisogno: riscaldamento invernale
  • 23. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 23 Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) T T T T T T T T T T BOILER #1 BOILER #2 BOILER #3 BOILER #4 ingresso rete (uscita centrale) uscita rete (ingresso centrale) BOILER #5 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 110,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 Efficienza[%] Prevalenza[bar] Portata in massa [kg/s] Punto di design mandata rete TLR ritorno rete TLR ritorno utenza mandata utenza 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 BOILER #1 BOILER #2 BOILER #3 BOILER #4 BOILER #5 Potenza termica di design Rendimento termico di design 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Potenzatermicadesign[kW] eddicienzatermicadesign[%]
  • 24. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 24 Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) 3 2 1 1 2 3 4 4 5 5 6 6 78 7 8 9 9 10 11 10 11 12 12 13 13 14 15 1415 16 16 17 17 18 19 18 19 20 21 20 22 21 22 23 23 24 24 25 2627 28 44 43 42 45 46 41 40 68 39 36 37 38 35 30 31 29 32 33 34 2526 27 45 46 47 43 42 44 41 40 69 37 36 38 39 34 35 33 29 30 32 31 28 48 49 50 51 52 53 54 48 49 50 51 52 53 5465 55 56 66 67 57 58 59 60 61 62 63 64 55 5657 58 59 60 61 62 63 64 65 66 6768 47 centrale utenza miscelatore 0-250 -50-150-300 -100-200-500 -400-550 -350-450-600-800 -700 -650-750 0 -50 -100 50 100 150 200 250 -150 -200 [m] [m] 50 70 71 73 75 77 72 74 76 69 70 72 74 76 75 73 71 Temperatura immissione in rete [°C] 80 Temperatura di riferimento [°C] -5 Salto termico utenze (lato rete) [°C] 25
  • 25. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 25 Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (caso base) 0 10 20 30 40 50 8 11 19 32 34 39 44 47 53 65 68 69 71 73 75 77 Portatainmassa[kg/s] IDN 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 8 11 19 32 34 39 44 47 53 65 68 69 71 73 75 77 Saltodipressione[bar] IDN Lunghezza totale della rete [m] 5167 Portata in massa TOTALE ingresso [kg/s] 165 Potenza termica fornita alle UTENZE dalla rete [kW] 17243 Potenza termica dissipata RETE [kW] 169 Potenza termica fornita sorgenti [kW] 17412 Potenza spesa pompaggio [kW] 145 3 2 1 1 2 3 4 4 5 5 6 6 78 7 8 9 9 10 11 10 11 12 12 13 13 14 15 1415 16 16 17 17 18 19 18 19 20 21 20 22 21 22 23 23 24 24 25 2627 28 44 43 42 45 46 41 40 68 39 36 37 38 35 30 31 29 32 33 34 2526 27 45 46 47 43 42 44 41 40 69 37 36 38 39 34 35 33 29 30 32 31 28 48 49 50 51 52 53 54 48 49 50 51 52 53 5465 55 56 66 67 57 58 59 60 61 62 63 64 55 5657 58 59 60 61 62 63 64 65 66 6768 47 centrale utenza miscelatore 0-250 -50-150-300 -100-200-500 -400-550 -350-450-600-800 -700 -650-750 0 -50 -100 50 100 150 200 250 -150 -200 [m] [m] 50 70 71 73 75 77 72 74 76 69 70 72 74 76 75 73 71
  • 26. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 26 Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (caso base)
  • 27. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 27 Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (caso base)
  • 28. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 28 Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (caso base)
  • 29. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 29 Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (caso base)
  • 30. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 30 Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (caso base)
  • 31. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 31 Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – 18 novembre 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Potenzaelettricarichiesta[kW] ore/giorno 0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Potenzatermicarichiesta[kW] ore/giorno
  • 32. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 32 Sistemi di produzione • un ORC alimentato a biomassa Potenza elettrica: 1058 kW; Potenza termica: 5155 kW; Rendimento elettrico: 0.1387; Rendimento termico: 0.6758 • un serbatoio di accumulo termico da 56825 kWh • una caldaia Potenza termica: 8334 kW; Rendimento termico: 0. 9440 Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – 18 novembre 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 0.12 0.13 0.14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 [€/kWh] ore/giorno acquisto vendita 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Temperaturaambiente[°C] ore/giorno 0 50 100 150 200 250 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Irraggiamento[W/m 2 ] ore/giorno • una caldaia Potenza termica: 94 kW; Rendimento termico: 0. 9440 • pannelli fotovoltaici Potenza elettrica di picco: 6300 kW; Superficie coperta: 42000 m2.
  • 33. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 33 Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (18 novembre) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 PotenzaElettricaperPompaggio[kW] ore/giorno rete in funzione rilancio rete stand-by rete 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Temperatura[°C] ore/giorno 0 20 40 60 80 100 120 140 160 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Portatainmassa[kg/s] ore/giorno 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Efficienzadidistribuzione[-] ore/giorno - 26% consumo elettrico per pompaggio - 8% potenza termica dispersa
  • 34. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 34 Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (18 novembre) 0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 4,500 5,000 5,500 6,000 6,500 7,000 7,500 8,000 8,500 9,000 9,500 10,000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 fornita all'accumulo termico [kW] dispersa rete [kW] stand-by rete [kW] rilancio rete [kW] richiesta utenza [kW] potenzatermica[kW] ora/giorno
  • 35. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 35 Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (18 novembre) 0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 4,500 5,000 5,500 6,000 6,500 7,000 7,500 8,000 8,500 9,000 9,500 10,000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 da caldaie [kW] fornita dall'accumulo termico [kW] da motori primi [kW] potenzatermica[kW] ora/giorno 4 ton CO2 evitate
  • 36. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 36 Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (18 novembre) 40 50 60 70 80 90 100 inizio periodo fine periodo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 energiadisponibileaccumulo[%] ore/giorno accumulo restituzione
  • 37. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 37 Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (18 novembre) 0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 4,500 5,000 5,500 6,000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 immessa in rete [kW] pompaggio [kW] richiesta utenza [kW] potenzaelettrica[kW] ora/giorno
  • 38. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 38 Caso applicativo: Campus di Parma (Nuova Sud) – risultati (18 novembre) 0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 4,500 5,000 5,500 6,000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 da fotovoltaico [kW] acquistata dalla rete [kW] da motori primi [kW] potenzatermica[kW] ora/giorno
  • 39. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITYConclusioni 39 1. Il software 3-CENTO è in grado di ottimizzare una rete complessa di distribuzione dell’energia elettrica, termica (frigorifera) o del combustibile al fine di: o minimizzare il costo di produzione dell’energia; o e/o minimizzare lo scambio di energia elettrica con la rete o e/o minimizzare la dispersione di energia termica nell’ambiente 2. Il software è adatto alla gestione di reti complesse come strumento «real time» 3. L’applicazione del software a un caso studio ha permesso – a parità di servizio energia fornito alle utenze – di ridurre la spesa di combustibile, le emissioni clima alteranti e gli scambi di energia elettrica con la rete nazionale.
  • 40. - Key Energy, Rimini - 08.11.2018 Il Progetto EFFICITY 40 GRAZIE PER L’ATTENZIONE Francesco Melino – CIRI-FRAME – Università di Bologna francesco.melino@unibo.it Progetto EffiCity - Sistemi energetici efficienti per distretti urbani intelligenti www.efficity-project.it Efficity è un progetto co-finanziato dalla Regione Emilia-Romagna nell’ambito del Bando per progetti di ricerca industriale strategica in ambito energetico (DGR 1097/2015), emesso in attuazione al POR-FESR 2014-2020.