EFFICITY - Sviluppo di strategie di gestione ottimale di reti complesse di distribuzione dell'energia

KEY ENERGY-ECOMONDO – Fiera di Rimini, 8 novembre 2018
Progetto Efficity (Bando Regione Emilia-Romagna DGR 1097/2015 - POR-FESR 2014-2020)
Progettare la città sostenibile: distretti energetici intelligenti e digitalizzazione
Sviluppo di algoritmi di gestione 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: Rete Corticella

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

5

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.

pressioni).
 DT costante;
 mista.
 centrale;
• Ottimizzazione:
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)
𝑄𝐼𝑁
𝐼𝑁
− 𝑄 𝑂𝑈𝑇
𝑂𝑈𝑇
− 𝑞 𝑈
𝑈
= 0

pressioni).
 DT costante;
 mista.
 centrale;
• Ottimizzazione:
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

pressioni).
 DT costante;
 mista.
 centrale;
• Ottimizzazione:
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

pressioni).
 DT costante;
 mista.
 centrale;
• Ottimizzazione:

pressioni).
 DT costante;
 mista.
 centrale;
• Ottimizzazione:
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

pressioni).
 DT costante;
 mista.
 centrale;
• Ottimizzazione:

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)

• Input:
• Output:
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 = 𝑓𝜆,𝑖
𝑃𝑀
𝐿 𝑃𝑀,𝑖
𝑛 𝑃𝑀
𝑖=1 + 𝑓𝜆,𝑖
𝐴𝐵
𝐿 𝐴𝐵,𝑖
𝑛 𝐴𝐵
𝑖=1 ∙ 𝜆 𝑓𝑢𝑒𝑙 + 𝑓𝜆,𝑖
𝐵𝐵
𝐿 𝐵𝐵,𝑖 ∙ 𝜆 𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠
𝑛 𝐵𝐵
𝑖=1
𝐶 𝑀 = 𝑃𝐸𝐿,𝑖 ∙ 𝜇 𝐸𝐿,𝑖
𝑛 𝑃𝑀+𝑛 𝑅𝐺𝑒
𝑖=1 + 𝑃 𝑇𝐻,𝑖 ∙ 𝜇 𝑇𝐻,𝑖
𝑛 𝑅𝐺𝑡+𝑛 𝐴𝐵+𝑛 𝐵𝐵+𝑛 𝐻𝑃
𝑖=1 + 𝑃𝐹𝑅,𝑖 ∙ 𝜇 𝐹𝑅,𝑖
𝑛 𝐶𝐶+𝑛 𝐴𝐶
𝑖=1
𝐶 𝐸 = 𝑃𝐸𝐿,𝑃 ∙ 𝜉 𝐸𝐿,𝑃
essendo: 𝑃𝑖 = 𝑓 𝐿𝑖 .
𝑃𝐸𝐿,𝑃 = 𝑃𝐸𝐿,𝑖
𝑈𝑛 𝑈
𝑖=1 +
𝑃 𝐹𝑅,𝑖
𝐶𝐶
𝑓𝐸𝐸𝑅,𝑖
𝐶𝐶
𝐿 𝐶𝐶,𝑖
𝑛 𝐶𝐶
𝑖=1 +
𝑃 𝑇𝐻,𝑖
𝐻𝑃
𝑓𝐶𝑂𝑃,𝑖
𝐻𝑃
𝐿 𝐻𝑃,𝑖
𝑛 𝐻𝑃
𝑖=1 − 𝑓𝐸𝐿,𝑖
𝑅𝐺𝑒
𝐿 𝑅𝐺𝑒,𝑖
𝑛 𝑅𝐺𝑒
𝑖=1 −
𝑓𝐸𝐿,𝑖
𝑃𝑀
𝐿 𝑃𝑀,𝑖
𝑛 𝑃𝑀
𝑖=1 − 𝑃𝐸𝐿,𝑖
𝐸𝑆𝑛 𝐸𝑆
𝑖=1
essendo:
𝐶 𝐹 =
𝑄 𝑑𝑖𝑠𝑝,𝑖
𝜂 𝐴𝐵,𝑎𝑣
𝑛 𝑃𝑀
𝑖=1
∙ 𝜆 𝑓𝑢𝑒𝑙 ∙ 𝑝 𝑇 − 𝑃𝐸𝐿,𝑆 ∙ 𝜉 𝐸𝐿,𝑆
𝐶 𝐹 = 𝑃𝐸𝐿,𝑆 ∙ 𝜉 𝐸𝐿,𝑆 ∙ 𝑝 𝐸
Priorità termica
Priorità elettrica

• Input:
• Output:
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

• Input:
• Output:
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.)

• Input:
• Output:
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

Il Progetto EFFICITYCaso applicativo: Rete Corticella
15
08
07
06
09
13
03
01
02
14
05
04
11
12
10
17
14
Centrale
ID Tipologia Utenza Utenza servita
1 Residenziale Condominio di via Giulio Verne n. 1-15
4 Residenziale Condominio di via Massimo Gorki n. 11-17
5 Residenziale Condominio di via Massimo Gorki n. 19-25
6 Residenziale Condominio di via Giorgio Byron n. 2- 4
7 Residenziale Condominio di via Giorgio Byron n. 6- 8
8 Residenziale Condominio di via Giorgio Byron n. 10-22
9 Residenziale Condominio di via Giorgio Byron n. 1-13
10 Residenziale Condominio di via Wolfgang Goethe n. 1-11
13 Residenziale Condominio di via S.Anna n. 15-21
14 Terziaria Scuola materna Attilia Neri + CSA & URP Villa Torchi
15 Terziaria Scuola elementare e media F. Franchini +palestra
16 Terziaria Centro Civico - Day Hospital
17 Terziaria Supermercato Coop - Corticella
o situata nella parte nord della città di
Bologna (circa 6 chilometri dal centro
della città);
o 17 utenze di cui 13 di carattere
residenziale e 4 di tipo terziario;
• 13 complessi condominiali (960 unità
abitative);
• un supermercato;
• un day-hospital;
• una scuola materna;
• una scuola elementare.
o estensione della DHN è pari a circa 4
chilometri comprensivi sia del percorso
di mandata che di ritorno
o area complessiva ha un’estensione di 22
ettari di cui circa il 45% occupati (poco
meno di 4 ettari di superficie edificata, la
restante parte è occupata da strade,
parcheggi ed altre opere di
urbanizzazione)
21

0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1,000
1,100
1,200
1,300
1,400
1,500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
h/giorno
Potenzaelettrica
richiestautenze[kW]
(a)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1,000
1,100
1,200
1,300
1,400
1,500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
h/giorno
Potenzaelettrica
richiestautenze[kW]
(b)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1,000
1,100
1,200
1,300
1,400
1,500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
h/giorno
Potenzaelettrica
richiestautenze[kW]
(c)
Andamento della potenza elettrica richiesta dalle utenze nel
giorno tipo (a) invernale, (b) di mezza stagione e (c) estivo
22

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
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Potenzatermicanecessaria
alleutenze[kW]
(a)
h/giorno
Andamento della potenza termica richiesta dalle utenze nel
giorno tipo (a) invernale, (b) di mezza stagione e (c) estivo
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1,000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
alleutenze[kW]
(b)
h/giorno
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1,000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
alleutenze[kW]
(c)
h/giorno
23

0
200
400
600
800
1,000
1,200
1,400
1,600
1,800
2,000
2,200
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
h/giorno
Potenzafrigorifera
richiestautenze[kW] Il Progetto EFFICITYCaso applicativo: Rete Corticella
Andamento della potenza frigorifera richiesta dalle utenze nel
giorno tipo estivo
24

0 50 100 150 200 250 300 350-250 -50-150-300 -100-200
0
-50
-100
50
100
150
200
250
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
centrale
utenza
miscelatore
[m]
[m]
25

CALD#1
CALD#2
CALD#3
CALD#4
COGEN
RETE
ELETTRICA
CH4
RETE GAS
RETE TLR
Gruppo POMPE
UTENZE
ASSORBITORE
FRIGORIFERO A
COMPRESSIONE
ACCUMULO
TERMICO
PdC
Volume 2 m3
Temperatura Minima 70 °C
Temperatura Massima 120 °C
Caratteristiche serbatoio di accumulo termico
Temperatura immissione in rete [°C] 80
Pressione immissione in rete [bar] 10.3
Pressione vaso di espansione [bar] 4.0
Rendimento elettromeccanico stazione di pompaggio [%] 90
Temperatura di riferimento giorno tipo invernale [°C] -5
Temperatura di riferimento giorno tipo di mezza stagione [°C] 15
Temperatura di riferimento giorno tipo estivo [°C] 25
condizioni al contorno
26

27

28

29
Energia Elettrica acquistata: - 58 %
Consumo di combustibile: -39%
Emissioni CO2 evitate: 4507 ton/anno

Il Progetto EFFICITYConclusioni
30
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.

31
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.

EFFICITY - Sviluppo di strategie di gestione ottimale di reti complesse di distribuzione dell'energia

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