hands-on markal tramite l’interfaccia answer fileesercitazione 2 lo sviluppo del modello markal...
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HandsHands--onon MarkAlMarkAl tramite ltramite l’’interfaccia interfaccia ANSWER:ANSWER:
elaborazione di un semplice modello di partenzaelaborazione di un semplice modello di partenza
Giuseppe Giuseppe MuliereMuliereProvincia di Pavia Provincia di Pavia –– Divisione AmbienteDivisione Ambiente
Settore Risorse Naturali Settore Risorse Naturali –– U.O.C. Aria&EnergiaU.O.C. Aria&Energia
ESERCITAZIONEESERCITAZIONE
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Lo sviluppo del modello MarkAl della provincia di Pavia è la parte principale di un progetto a più ampio respiro che vede coinvolti il DIE e il Settore Risorse Naturali della Provincia di Pavia:la realizzazione di un Osservatorio Energetico Provinciale
Documento d’indirizzo dell’Osservatorio Energetico (nov 2004)“L’obiettivo dell’Osservatorio è quello di diventare, nel medio-lungo termine, un punto di riferimento e un organo consultivo per la pianificazione energetica provinciale, in grado di fornire dati (tecnici, scientifici, socioeconomici e ambientali) oggettivi e affidabili ai decisori politici…”
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Metodologia presa in oggetto: ALEP (Pianificazione Energetica Locale Avanzata)•Analisi di sottosistemi interconnessi che si complementano al fine di definire un unico piano energetico globale •Analisi globale di tutto il sistema per la definizione di obiettivi a lungo termine
Scopo della pianificazione:Determinare l’allocazione ottimale delle risorse in accordo con vincoli tecnologici, sociali, economici ed ambientali.
Quali strumenti in mano alle province per decidere circa la pianificazione energetica sul proprio territorio? Quali elementi per rendere sostenibile lo sviluppo del territorio?
Strumento utilizzato: generatore di modelli MarkAl
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Quali informazioni possono essere utili a livello di Quali informazioni possono essere utili a livello di Amministrazione provincialeAmministrazione provinciale?
* Verifica delle politiche di derivazione regionale, quale impatto sul territorio? àmaggiori informazioni per tavolo di confronto e coordinamento
* Verifica delle politiche di promozione di certe attività
* Quante centrali autorizzare? * Come meglio spendere i proventi derivanti dall’autorizzazione all’esercizio delle officine elettriche e/o di cogenerazione?
* Verifica delle politiche di incentivazione su rinnovabili vs. efficienza energetica?
* Possibilità di inglobare nel modello informazioni sempre più dettagliate (àedilizia)
* Possibilità di relazionare il software con altri applicativi (ad esempio GIS, etc…)
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1) Affinamento del modello MarkAl del sistema termico residenziale preesistente implementato dal Dip. di Ingegneria Elettrica (a partire dalla tesi di laurea di A. Signoriello) ØRaccolta ed elaborazione dei dati provenienti da varie fonti :
•Data-base delle verifiche ispettive degli impianti termici•Data-base ISTAT censimento 2001•Bilancio Energetico Provinciale (Punto Energia)
ØModellizzazione dell’utenza finale e affinamento iterativo del RESØAnalisi dei risultati di “primo run”
Le attività svolte all’interno del progetto sono state:
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2) Implementazione del modello MarkAl del sistema elettrico dal lato dell’offerta e della domanda residenziale ØRaccolta ed elaborazione dati raccolti da varie fonti:
•Archivi degli uffici Provinciali•Database sviluppati da organismi internazionali (IIASA, Oeko Institut...)
ØAnalisi di mercato su elettrodomestici e tecnologie esistentiØStrutturazione del RESØAffinamento iterativo del modelloØAnalisi dei primi risultati
In prospettiva:àunire il modello termico a quello elettricoàmodellizzare altri settori di più immediato interesse
(rifiuti ecc..)
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Consumo di energia in provincia di Pavia nel 2000 (fonte: BEP)
Dall’analisi del BEP risulta evidente che il settore civile svolge un ruolo di primaria importanza nel sistema energetico provinciale
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Consumo di energia in provincia di Pavia nel 2000 (fonte: BEP)
il 65% dei consumi del settore civile èrappresentato dal settore termico; l’80% di questo èattribuibile al settore termico residenziale.
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l 5000 kWh = 1.1 TEP = 46 GJl 1 TEP = 1213 Sm3 =1000 kg
olio combustibilel 1 kWhà 0,52 kg CO2l 1 Sm3 gas naturale à 2,15 kg
CO2l 1 PJ = 23,9 kTEP
0 1 2 3 4 5 6
riscaldamentoautonomo
riscaldamentocentralizzato
acqua caldasanitaria
cucina
PJ
gas
gplgasolio
biomassaelettricità
Consumi del settore termico per comparto di utilizzo e vettore energetico in provincia di Pavia (2000)
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Principi di funzionamento del sistema Principi di funzionamento del sistema MarkAlMarkAl: Il software crea l’assetto di equilibrio economico domandaequilibrio economico domanda--offertaofferta del sistema energetico considerato. Fornisce in output:
• la consistenza dei parchi tecnologiciconsistenza dei parchi tecnologici (lampadine alogene, centrali elettriche a ciclo combinato);• i flussi dei vettori energeticiflussi dei vettori energetici (consumi di gas naturale negli uffici, produzione di gasolio dalle raffinerie, etc.).
Ø L’approccio è di tipo bottombottom--upup: si parte dal fabbisogno di servizi energetici (es. quantità di illuminazione negli uffici, di calore per il riscaldamento delle utenze civili, ecc.)per ricostruire tutto il sistema energetico fino all’input primario. Ø quali informazioni sono importanti? • le quantità di energia e capacitenergia e capacitàà installata e utilizzata delle singole tecnologie energetiche,• Convenienza di soluzioni tecnologiche alternative (massimo beneficio energetico/€investito)• i costi, gli investimenti tecnologici, i prezziprezzi ombra delle commodities energetiche,• le emissioni e gli altri parametri ambientaliparametri ambientali.
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Il sistema Il sistema modellisticomodellistico MarkAlMarkAl èè composto da:composto da:
-una banca dati di migliaia di tecnologie energetiche, organizzate in un reticolo topologico detto Reference Energy System (RES)
-una struttura matematica composta da un motore (il GAMS) e algoritmi in grado di risolvere problemi con centinaia di migliaia di centinaia di migliaia di equazioniequazioni;
- un’interfaccia software di introduzione dati e lettura agevole dei risultati, detta ANSWER.
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RES all’anno BASE (2000): ricostruire una fotografia il piùverosimile possibile del sistema energetico in esame:
•Studio del sistema energetico•Ricerca dati attendibili•Formulazione ipotesi coerenti•Modellizzazione del sistemaenergetico con il software (tecnologie,fabbisogni)
Fasi implementazione modelloCalibrazione: Verificare che il modellocostruito sia coerente
Analisi senza vincoli ambientali, Economici: scenario BASE
Aggiunta vincoli ambientali, Economici, ecc….
Noi siamo qui !!!
Analisi di scenari alternativi allo scenario BASE
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Produzione Conversione Distribuzione Utilizzo Domanda di servizi energetici
Luce
Calore
Movimento
…
Il RES è il reticolo di tecnologie energetiche(produzione, conversione, distribuzione e utilizzo dell’energia) e flussi di commodities(gas naturale, carbone, elettricità, …) che soddisfa la domanda di servizi energetici
input
Flussi di energia
output
Approccio bottom-up
??
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Secondary importation
Production
Other
Hydroelectric plants
Agriculture
Energetyindustry
Transports
Primary fuels Process of production
Secondary fuels
Final use demand
Thermoelectric plants
Waste processing technologies
Oil
deri
ved
Bio
mas
s
Was
te
Ele
ctri
cen
ergy
Gas
Coa
l
Wat
er
Woo
d
othe
r
Extraction
Primary importation
Process of conversion
Other
Non energy industry
Secondary fuels
ELC
Gas
Oil
deri
ved
Bio
mas
s
Sola
rE
Civiluse
RES
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Secondary importation
Production
Other
Hydroelectric plants
Agriculture
Energetyindustry
Transports
Primary fuels Process of production
Secondary fuels
Final use demand
Thermoelectric plants
Waste processing technologies
Oil
deri
ved
Bio
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ctri
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Gas
Coa
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Extraction
Primary importation
Process of conversion
Other
Non energy industry
Secondary fuels
ELC
Gas
Oil
deri
ved
Bio
mas
s
Sola
rE
Civil use
COMMERCIAL SECTOR, ELECTRIC USE
COMMERCIAL SECTOR, THERMAL USE
RESIDENTIAL SECTOR, ELECTRIC USE
RESIDENTIAL SECTOR, RESIDENTIAL SECTOR, THERMAL USETHERMAL USE
RES
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Secondary importation
Production
Other
Hydroelectric plants
Agriculture
Energetyindustry
Transports
Primary fuels Process of production
Secondary fuels
Final use demand
Thermoelectric plants
Waste processing technologies
Oil
deri
ved
Bio
mas
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Was
te
Ele
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cen
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Gas
Coa
l
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er
Woo
d
othe
r
Extraction
Primary importation
Process of conversion
Other
Non energy industry
Secondary fuels
ELC
Gas
Oil
deri
ved
Bio
mas
s
Sola
rE
RESIDENTIAL AUTONOMOUS
HEATING DEMAND
RESIDENTIAL CENTRALIZED
HEATING DEMAND
RESIDENTIAL HOT WATER DEMAND
COOKING DEMAND
Il resto della ProvinciaPavia
Civil use
RESIDENTIAL SECTOR, RESIDENTIAL SECTOR, THERMAL USETHERMAL USE
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model input
Heating demand
Per il calcolo dei fabbisogni all’anno base (2000) sono stati incrociati i provenienti dati da varie fonti:ØBilancio Energetico Provinciale (2000) ØPiano di PrefattibilitàØPiano Energetico RegionaleØDati ISTATØData-base verifiche impianti termici
Heatingtechnologies
Input fuels
?model input
data
datamodel output
Con i risultati del modello di simulazione in ambiente Ms
EXCEL per il calcolo del fabbisogno secondo la norma UNI
7357 implementato dal Dip. Di Ingegneria Elettrica (Ing. A.
Signoriello)
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Per la modellizzazione delle tecnologie di domanda abbiamo utilizzato i dati Ø Data-base delle verifiche ispettive degli impianti termici
•Composizione del parco tecnologico in funzione del combustibile,dell’anno di installazione, della tipologia di impianto (autonomo o centralizzato),•Specifiche tecniche delle tecnologie (? … )
ØRicerche di mercato sulle tecnologie
Heatingtechnologies
Heating demandInput fuels
model input?
model input
data
datamodel output
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GASOIL BOILER
ST. GAS BOILER
LPG BOILER
WOOD-BURNING
STOVE
RESIDENTIAL AUTONOMOUS/
CENTRALIZED HEATING DEMAND
BIOMASS BOILER
GA
S O
LIL
LPG
BIOGA
SLHT
GAS COND. BOILER
HEAT HEAT CHANGERCHANGER
HEAT PUMPHEAT PUMP
EL
C
INPUT
OUTPUT
MSOffice6
20
ST. GAS BOILER (just
for water)
GAS, LPG BOILER
ELECTRIC BOILER
RESIDENTIAL HOT WATER DEMAND
SO
LAR
L E
.
LPG
GA
S
EL
C
LHT
THERMAL SOLAR BOILER
HEAT HEAT CHANGERCHANGER
BIO
BIOMASS BIOMASS BOILER (just BOILER (just
forfor water)water)
INPUT
OUTPUT
MSOffice7
Diapositiva 19
MSOffice6 inserire il nuovo vettore LHT in uscita da sistemi di cog/telerisc scambiatore pompa di calore elc
; 2005-11-25
Diapositiva 20
MSOffice7 cogeneraz /telerisc LHTbiomassa ; 2005-11-25
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Province of Pavia, BASE: autonomus heating technologies activity
0
0,5
1
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00 03 06 09 12 15 18 21 24 27 30
year
PJ
WOOD-BURNING STOVE
ST. GAS BOILER
LPG BOILER
GASOIL BOILER
GAS CONDENSATION BOILER
BIOMASS BOILER
Esempio di risultati ottenibiliScenario BASE- condizionato dalle premesse iniziali:•Scenario non vincolato da limiti ambientali, economici, tecnologici•Non sono presenti tutte le tec.•Fabbisogno finale ipotizzato = costante
Cosa si può notare: Si afferma la tecnologia più performante. A fronte di un costo iniziale maggiore questo viene recuperato sul lungo termine dal risparmio di energia che l’utilizzo della nuova tecnologia comporta . Il modello tende a minimizzare il costo globale del sistema, in questo caso sostituisce il parco tecnologico con tecnologie più efficienti.
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energy consumption by fuel
89
91010
1111
1212
1313
00 03 06 09 12 15 18 21 24 27 30
year
PJ
ENSOL
ELC
BIO
GPL
GSL
GAS
E m i s s i o n L e v e l : P R _ P V , C O 2r e s i d e n t i a l t h e r m a l s e c t o r
7 2 96 9 7
6 4 16 2 5
6 0 2
5 4 35 4 35 5 05 5 25 5 5
6 6 1
0
1 0 0
2 0 0
3 0 0
4 0 0
5 0 0
6 0 0
7 0 0
8 0 0
2 0 0 0 2 0 0 3 2 0 0 6 2 0 0 9 2 0 1 2 2 0 1 5 2 0 1 8 2 0 2 1 2 0 2 4 2 0 2 7 2 0 3 0
Y e a r s
Th
ou
san
d t
on
s
B A S E
Esempio di risultati ottenibili
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Indicazioni per i policy maker
Studiare gli effetti di possibili azioni di pianificazione energetica
Dato un obiettivo da raggiungere con determinate condizioni al Dato un obiettivo da raggiungere con determinate condizioni al contorno, uno strumento di questo tipo permettecontorno, uno strumento di questo tipo permette
Confrontare le varie opzioni
Prendere la decisione piùconveniente
Monitorare le azioni intraprese
Raffinare il modello al variare delle esigenze e/o
delle condizioni al contorno
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year
PJ
WOOD-BURNING STOVE
ST. GAS BOILER
LPG BOILER
GASOIL BOILER
GAS CONDENSATION BOILER
BIOMASS BOILER
Indicazioni per i policy maker à Incentivi sulle tecnologie
Caldaie a condensazione: dai risultati del modello si evince che è un mercato che “spinge ”. Basterebbe un minimo incentivo per far sì che questa tecnologia penetri il mercato.
Le caldaie a condensazione sono economicamente competitive con le tecnologie standard.
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year
PJ
WOOD-BURNING STOVE
ST. GAS BOILER
LPG BOILER
GASOIL BOILER
GAS CONDENSATION BOILER
BIOMASS BOILER
Indicazioni per i policy maker à Incentivi sulle tecnologie
Caldaie a biomassa: il modello non investe sulle caldaie a biomassa.
Quanto devo incentivarle perchédiventino competitive? Posso studiare la reazione del sistema a varie soglie di incentivo…
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PJ
WOOD-BURNING STOVE
ST. GAS BOILER
LPG BOILER
GASOIL BOILER
GAS CONDENSATION BOILER
BIOMASS BOILER
Indicazioni per i policy maker Raggiungimento dei parametri di Kyoto ...
Incentivare solare o biomassa?
Posso studiare il costo di ogni tonnellata di CO2 risparmiata
(€ di investimento/t di CO2 risparmiata)
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GAS
GAS
BIO
CDR
ACQUA
Illuminazione
Uso lavatrice
Uso lavastoviglie
Uso frigorifero
Uso condizion.
Uso pc
Uso ACS
Uso cucina
Altri usi
Uso cucina
Tecnologie di domandaGAS
Centrale termoelettrica a ciclo combinato (grossa taglia)
Termovalorizzatore
Centrale mini-idro
ELC
Centrale a biogasBIOGAS
Centrale a cogenerazione di piccola taglia con teleriscaldamento
Centrale a cogenerazione di piccola taglia
Centrale a cogenerazionealimentata a biomassa
LHT
LHT
LHT
ANALISI DEI SISTEMI ENERGETICI CON ANALISI DEI SISTEMI ENERGETICI CON MODELLI TECNOLOGICI DELLA FAMIGLIA MODELLI TECNOLOGICI DELLA FAMIGLIA
““MARKALMARKAL””
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Segue su excel …