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Introduzione a MarkAl come strumento per la Introduzione a MarkAl come strumento per la pianificazione energetica su scala localepianificazione energetica su scala locale
Giuseppe MuliereGiuseppe Muliere
Provincia di Pavia – Divisione Ambiente Provincia di Pavia – Divisione Ambiente Settore Risorse Naturali – U.O. Aria&EnergiaSettore Risorse Naturali – U.O. Aria&Energia
Dipartimento di Ingegneria Elettrica Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di PaviaUniversità degli Studi di Pavia
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Prima partePrima parte
Introduzione alla pianificazione energetica su scala localeIntroduzione alla pianificazione energetica su scala locale
MarkAl come strumento per la pianificazione energetica su scala localeMarkAl come strumento per la pianificazione energetica su scala locale
L’esempio della provincia di PaviaL’esempio della provincia di Pavia
Seconda parteSeconda parte
Hands-on MarkAl tramite l’interfaccia ANSWER: elaborazione di un Hands-on MarkAl tramite l’interfaccia ANSWER: elaborazione di un semplice modello di partenzasemplice modello di partenza
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Introduzione alla pianificazione Introduzione alla pianificazione energetica su scala localeenergetica su scala locale
Nella seconda metà del ’900 forte sviluppo delle società industrializzate
Tra il 1950 e il 1970 tasso di crescita medio annuo mondiale dei consumi di combustibili fossili pari al 5% circa.
Nella conferenza di Stoccolma del 1972 si afferma che lo sviluppo deve
essere compatibile con la salvaguardia delle risorse
1992 conferenza di Rio:- Agenda 21- UNFCCC
Nel 1997 viene elaborato il protocollo di Kyoto entrato poi in
vigore nel 2005
Il raggiungimento di obiettivi di sostenibilità ambientale è imprescindibile da una
pianificazione delle risorse energetiche
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Capitolo 28 di Agenda 21Capitolo 28 di Agenda 21
““Le comunità dei paesi che hanno stipulato Le comunità dei paesi che hanno stipulato l’accordo, devono creare linee guida per uno l’accordo, devono creare linee guida per uno
sviluppo sostenibile all’interno della loro sviluppo sostenibile all’interno della loro area di competenza, chiedendo anche la area di competenza, chiedendo anche la
collaborazione dei propri cittadini (A21L)” collaborazione dei propri cittadini (A21L)”
Introduzione alla pianificazione Introduzione alla pianificazione energetica su scala localeenergetica su scala locale
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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? maggiori informazioni per tavolo di confronto e coordinamento
* Verifica delle politiche di promozione di certe attività
* Quante centrali autorizzare?
* Quali sono le tecnologie che risultano vincenti per raggiungere gli obiettivi di Kyoto?
* Verifica delle politiche di incentivazione su rinnovabili vs. efficienza energetica?
* Qual è il ruolo della biomassa come risorsa energetica del territorio provinciale
Introduzione alla pianificazione Introduzione alla pianificazione energetica su scala localeenergetica su scala locale
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Quali strumenti in mano alle province per decidere circa la pianificazione energetica sul proprio territorio?
Introduzione alla pianificazione Introduzione alla pianificazione energetica su scala localeenergetica su scala locale
L’analisi di un sistema energetico territoriale può essere affrontata con l’ausilio, tra gli altri, di due strumenti: il Bilancio Energetico Territoriale il Modello del Sistema Energetico Territoriale
Il Bilancio Energetico consente di conoscere quantitativamente la situazione energetica di un determinato territorio evidenziando, a vari livelli di dettaglio, i dati relativi a:
– le produzioni di fonti energetiche primarie, – le trasformazioni di energia primaria in energia secondaria, – gli scambi dei vari vettori energetici con gli altri territori, – la domanda di energia richiesta dai dispositivi di uso finale
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Introduzione alla pianificazione Introduzione alla pianificazione energetica su scala localeenergetica su scala locale
E’ quindi uno strumento certamente utile alla pianificazione, con funzioni non solo di verifica ma anche di indirizzo, permettendo di evidenziare linee di tendenza utilizzabili come primo, ancorché limitato, supporto alle scelte del decisore pubblico.
Questo insieme di informazioni fornisce una fotografia della situazione energetica del territorio per ogni anno preso in considerazione e consente, sulla base delle serie storiche, di valutare i trend evolutivi del sistema in esame.
Il Bilancio Energetico Territoriale
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Introduzione alla pianificazione Introduzione alla pianificazione energetica su scala localeenergetica su scala locale
Uno strumento notevolmente più efficace è rappresentato dal
Modello del Sistema Energetico nel quale
le caratteristiche (tecnologiche, economiche e ambientali) dei vari componenti del sistema (impianti di produzione e trasformazione, infrastrutture, tecnologie di uso finale) i flussi di energia associati
sono descritti in forma analitica in modo da consentire l’applicazione di diverse metodologie di analisi, sia statiche sia dinamiche, essenziali per valutare il comportamento del sistema nell’ambito di scenari evolutivi della domanda, della disponibilità di risorse energetiche e delle tecnologie.
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Introduzione alla pianificazione Introduzione alla pianificazione energetica su scala localeenergetica su scala locale
• fornisce una struttura ed un linguaggio comune per le discussioni tra gli attori della pianificazione territoriale;
• favorisce la comunicazione in quanto nuove idee (relative a tecnologie e vettori) e nuove necessità (domande di energia elettrica) possono essere valutate molto velocemente;
• gestisce facilmente la grande quantità di dati necessari per un’analisi complessa e disaggregata alle varie scale descrittive;
• é uno strumento interattivo e trasparente nel senso che i metodi di calcolo, i dati d’ingresso e le ipotesi di base sono palesi ed accessibili da tutti i gruppi coinvolti
Il Modello svolge diverse funzioni; ma, in particolare:
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Introduzione alla pianificazione Introduzione alla pianificazione energetica su scala localeenergetica su scala locale
Per individuare i meccanismi di evoluzione serve un approccio mediante scenari (variazione delle condizioni al contorno)
A partire da:– informazioni tuttavia incomplete sul sistema – ipotesi circa le forze guida del cambiamento e le tendenze in atto – con l’analisi di scenario si possono analizzare sviluppi possibili dello
status quo per progettarne cambiamenti e verificarne indirizzi.
L’obiettivo dell’analisi mediante scenari NONNON è una predizione di quello che accadrà, ma la possibilità di immaginare configurazioni alternative, date certe condizioni ed entro ragionevoli limiti di probabilità e valutare l’impatto di certe azioni/misure.
Questo è l’obiettivo dell’analisi dei sistemi energetici estesi mediante modelli tecnologici complessi come quelli della famiglia MarkAl.
Approccio mediante scenari
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MarkAl come strumento per la MarkAl come strumento per la pianificazione energetica su scala localepianificazione energetica su scala locale
MarkAl è un generatore di modelli bottom-up di equilibrio economico parziale basato sulla programmazione lineare, sviluppato nell’ambito dell’Energy Technology Systems Analysis Programme (ETSAP) dell’International Energy Agency (IEA).
A partire da un anno assunto come riferimento “costruisce” le traiettorie energetiche che soddisfano i requisiti della Funzione Obiettivo (costo totale del sistema) e dei vincoli imposti.
genera un modello di equilibrio economico parziale del sistema energetico in esame, descrive i diversi processi (tecnologie) e i vettori in termini tecnologici, economici e
ambientali,
per analizzare l’evoluzione del sistema nel medio o lungo termine e consentire studi di allocazione ottimale di investimenti oltre che di spese
annuali.
Infatti, sulla base di criteri definiti dall’operatore, MarkAL:
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MarkAl come strumento per la MarkAl come strumento per la pianificazione energetica su scala localepianificazione energetica su scala locale
Il software crea l’assetto di equilibrio economico domanda-offerta del sistema energetico considerato sul lungo periodo(allocazione ottima delle risorse)
MarkAl permette una descrizione dettagliata delle tecnologie e dei vettori (bottom up) e il sistema energetico è descritto tramite il RES (Reference Energy System)
Fornisce in output:
• la consistenza dei parchi tecnologici (lampadine alogene, centrali elettriche a ciclo combinato);
• i flussi dei vettori energetici (consumi di gas naturale negli uffici, produzione di gasolio dalle raffinerie, etc.).
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MarkAl come strumento per la MarkAl come strumento per la pianificazione energetica su scala localepianificazione energetica su scala locale
Curve di domanda e offerta
Quantità
Prezzo
Pre
zzo
di
Eq
uil
ibri
o
Domanda di Equilibrio
Supply curve
demand curve
Producer surplus
Production costs
Consumer surplus
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MarkAl come strumento per la MarkAl come strumento per la pianificazione energetica su scala localepianificazione energetica su scala locale
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Il sistema modellistico MarkAl è composto da:Il sistema modellistico MarkAl è 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 (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.
MarkAl come strumento per la MarkAl come strumento per la pianificazione energetica su scala localepianificazione energetica su scala locale
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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 sistema energetico con il software (tecnologie, fabbisogni)
Calibrazione: Verificare che il modello costruito sia coerente
Analisi senza vincoli ambientali, Economici: scenario BASE
Aggiunta vincoli ambientali, Economici, ecc….
Analisi di scenari alternativi allo scenario BASE
MarkAl come strumento per la MarkAl come strumento per la pianificazione energetica su scala localepianificazione energetica su scala locale
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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
L’esempio della provincia di PaviaL’esempio della provincia di Pavia
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Consumo di energia in provincia di Pavia nel 2000 (fonte: BEP)
il 65% dei consumi del settore civile è rappresentato dal settore termico; l’80% di questo è attribuibile al settore termico residenziale.
L’esempio della provincia di PaviaL’esempio della provincia di Pavia
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5000 kWh = 1.1 TEP = 46 GJ 1 TEP = 1213 Sm3 =1000 kg
olio combustibile 1 kWh 0,52 kg CO2 1 Sm3 gas naturale 2,15 kg
CO2 1 PJ = 23,9 kTEP
0 1 2 3 4 5 6
riscaldamentoautonomo
riscaldamentocentralizzato
acqua caldasanitaria
cucina
PJ
gas
gpl
gasolio
biomassa
elettricità
Consumi del settore termico per comparto di utilizzo e vettore energetico in provincia di Pavia (2000)
L’esempio della provincia di PaviaL’esempio della provincia di Pavia
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Gas Naturale
Gasolio
LTH
GPL
Biomassa
Domanda di ACS Pr-PV
Domanda di RA Pavia
Domanda di RC Pavia
Domanda di RA Pr-PV
Domanda di RC Pr-Pv
Tec. a gas naturale residue
Tec. a GPL residue
Tec. a GPL nuove
Tec. solari nuove
Tec. a Biomassa residue
Tec. a Biomassa nuove
Tec. elettriche residue
Tec. a gasolio nuove
Tec. a gasolio residue
Tec. a gas naturale nuove
Tec. a LTH
Tec. elettriche nuove
C.Cogen
Usi ELE residenziali
En Elettrica
Domanda di ACS Pavia
Energia Solare
IN (Pj)OUT (Pj) OUT (kW, € …)IN (, €/kW…) IN (€)
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3 - Calcolo dei rendimenti reali medi stagionali delle diverse tecnologie di domanda (database visite ispettive provinciali)
4 - Calcolo del fabbisogno di Acqua Calda Sanitaria per ogni tipologia di tecnologia:
1 - Recupero dei consumi di combustibile per il settore (BEP)
2 - Ipotesi sulla distribuzione dei consumi per tecnologia di domanda (database visite ispettive provinciali)
iiii yCACT i iACTDomandaACS
L’esempio della provincia di PaviaL’esempio della provincia di Pavia
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1 - Divisione del parco edilizio in 24 tipologie a seconda:
• Caratteristiche pareti verticali esterne
• Tipologia di superficie vetrata
2 - Calcolo del fabbisogno unitario per ogni tipologia costruttiva attraverso un modello di calcolo in Excel basato su:
• Valori delle trasmittanze termiche per tipologia di parete (Comitato Termotecnico Italiano)
• Norma UNI 7357 (Calcolo del fabbisogno termico)
elaborazione dati ISTAT periodo costruzione edifici
in provincia
Calcolo del fabbisogno di riscaldamento:
L’esempio della provincia di PaviaL’esempio della provincia di Pavia
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L’esempio della provincia di PaviaL’esempio della provincia di Pavia
ClasseFabbisogno di
Calore
Classe A fino a 30 kWh/m2
Classe B ≤ 50 kWh/m2 anno
Classe C ≤ 70 kWh/m2 anno
Classe D ≤ 90 kWh/m2 anno
Classe E ≤ 110 kWh/m2 anno
Classe F ≤ 130 kWh/m2 anno
Classe G ≥ 130 kWh/m2 anno
76%
17%
7%
3 - Ogni tipologie costruttive risultanti, grazie al fabbisogno unitario calcolato, è stata attribuita alla specifica classe energetica:
)( i
cliumitot SFEFE 7,35 PJ
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Classe A Classe B Classe C Classe D Classe E Classe F Classe G
edifici ad uso abitativo (1946 -
1971) in muratura mattoni pieni - doppi
vetri
edifici ad uso abitativo (1900 al
1945) in muratura mattoni pieni -
doppi vetri
edifici ad uso abitativo (1900 al
1945) in muratura mattoni pieni - vetri
singoli
edifici ad uso abitativo (1900 al
1945) in cls - vetri singoli
edifici ad uso abitativo (1972 -
1981) in muratura mattoni pieni vetri
doppi
edifici ad uso abitativo (1946 -
1971) in muratura mattoni pieni - vetri
singoli
edifici ad uso abitativo (1900 al
1945) in cls - doppi vetri
edifici ad uso abitativo (1972 -
1981) in muratura mattoni pieni - vetri
singoli
edifici ad uso abitativo (1946 -
1971) in cls - doppi vetri
edifici ad uso abitativo (1900 al
1945) in muratura cassa vuota - doppi
vetriedifici ad uso
abitativo (1982 - 2000) in muratura
mattoni pieni - doppi vetri
edifici ad uso abitativo (1946 -
1971) in muratura cassa vuota - doppi
vetri
edifici ad uso abitativo (1900 al
1945) in muratura cassa vuota - vetri
singoliedifici ad uso
abitativo (1982 - 2000) in muratura mattoni pieni - vetri
singoli
edifici ad uso abitativo (1946 -
1971) in muratura cassa vuota -vetri
singoli
edifici ad uso abitativo (1946 -
1971) in cls - vetri singoli
edifici ad uso abitativo(1982 -
2000) in muratura cassa vuota - doppi
vetri
edifici ad uso abitativo (1972 -
1981) in cls - doppi vetri
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L’esempio della provincia di PaviaL’esempio della provincia di Pavia
Scenario TENDENZIALE:
Andamento della domanda nel caso in cui non fossero intervenute leggi in materia di risparmio energetico
Andamento attuale della domanda grazie al recepimento della legge 311 che impone la costruzioni di edifici almeno in Classe C
Scenario CLASSE A:
Andamento ipotizzabile della domanda nel caso in cui i decisori politici spingessero verso la costruzione di edifici altamente efficienti (in classe A)
Ristrutturato: un solo passaggio di classe
Nuovi edifici: stesse classi dell’anno base
Ristrutturato: 80% C, 15% B, 5% A Nuovi edifici: 75% C, 15% B, 10% A
Ristrutturato: 80% C, 15% B, 5% A Nuovi edifici: 10% C, 20% B, 70% A
Scenario 311:
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L’esempio della provincia di PaviaL’esempio della provincia di Pavia
5,500
6,000
6,500
7,000
7,500
8,000
8,500
9,000
9,500
2000 2003 2006 2009 2012 2015 2018 2021 2024 2027 2030
PJ
Tendenziale 311 Classe A
7,35 PJ
8,79 PJ
6,67 PJ
6,27 PJ
Andamento della domanda nei tre scenari:
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L’esempio della provincia di PaviaL’esempio della provincia di Pavia
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
2000 2003 2006 2009 2012 2015 2018 2021 2024 2027 2030
PJ
Tendenziale 311 Classe A
26,06 PJ
19,07 PJ
17,78 PJ
Andamento dei consumi:
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L’esempio della provincia di PaviaL’esempio della provincia di Pavia
500
550
600
650
700
750
800
2000 2003 2006 2009 2012 2015 2018 2021 2024 2027 2030
kt
Tendenziale 311 Classe A
Andamento delle emissioni di CO2:
Obiettivo Kyoto al 2012: 697 kt
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L’esempio della provincia di PaviaL’esempio della provincia di Pavia
500,0
550,0
600,0
650,0
700,0
750,0
800,0
850,0
2003 2006 2009 2012 2015 2018 2021 2024 2027 2030
M€
311 Classe A Tendenziale
Andamento del costo totale del sistema:
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L’esempio della provincia di PaviaL’esempio della provincia di Pavia
0
10
20
30
40
50
60
2000 2003 2006 2009 2012 2015 2018 2021 2024 2027 2030
PJ/
ann
o
Caldaia a gasnaturale
Impianti solaritermici
Boiler Elettrici
Caldaia a GPL
Teleriscaldamento
Caldaie aBiomassa
Caldaie a Gasolio
Andamento della potenza installata per tecnologia:
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L’esempio della provincia di PaviaL’esempio della provincia di Pavia
Analisi di sussidi economici per consentire la penetrazione nel mercato delle tecnologie solari e a Biomassa:
Contributo del 3% sul costo della caldaia a biomassa
Penetrazione minima della tecnologia a biomassa, gli
impianti solari rimangono sui valori dello scenario 311
Contributo del 6% sul costo della caldaia a Biomassa
Contributo del 20% sul costo degli impianti solari
Livello di penetrazione delle tecnologie tale da consentire di avere entro il 2020 il 20% dei
consumi totali da fonti rinnovabili (Nota Consiglio Europeo Marzo
2007)
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L’esempio della provincia di PaviaL’esempio della provincia di Pavia
0
5
10
15
20
25
30
35
2000 2003 2006 2009 2012 2015 2018 2021 2024 2027 2030
PJ/
anno
tec. da fonte rinnovabile (senza sussidio) tec. da fonte rinnovabile (con sussidio)
Obiettivo EU: 20% dei consumi da fonti rinnovabili
12%consumi tot
20%consumi tot
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L’esempio della provincia di PaviaL’esempio della provincia di Pavia
L’impegno dell’istituzione pubblica nel raggiungimento di determinati obiettivi (Public Commitment) è fondamentale per l’inserimento di alcune tecnologie nel
mercato
Dall’analisi degli scenari si valuta che si possa intervenire attraverso:
• Sgravi fiscali sul costo d’investimento delle tecnologie più costose ma da fonte rinnovabile
• Sensibilizzazione del consumatore ai temi del risparmio energetico
• Divulgazione e forte informazione in merito ai benefici economici e ambientali derivanti dall’acquisto di case altamente efficienti