6° Presentazione del workshop finale del progetto EFFICITY
Sviluppo di strategie di gestione ottimale di reti complesse di distribuzione dell'energia
Sito web del progetto: www.efficity-project.it
CERR Roadshow PNRR 2024 | Prima tappa Reggio Emilia | Intervento Pace
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
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.
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.)
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[%]
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.