Analisi e ottimizzazione della configurazione di un macrosistema di conversione di energia

La consapevolezza di vivere in un mondo di dimensioni finite in cui le risorse di energia sono limitate ha portato alla ricerca di configurazioni di sistemi per la conversione dell’energia sempre più complesse. Infatti, l’aumento dell’efficienza di questi sistemi è spesso raggiunto grazie a una maggiore integrazione tra i processi che avvengono al loro interno. È quindi sempre più rilevante la necessità di adottare strumenti che permettano di valutare il comportamento dei sistemi (simulazione) in modo accurato, ma che siano allo stesso tempo semplici. In questo contesto, inoltre, il progettista si può trovare di fronte a diverse opzioni nel progetto delle nuove configurazioni, e può contestualmente aver bisogno di strumenti che diano indicazioni su quali siano le scelte migliori nella loro gestione (ottimizzazione). In questa tesi viene prima presentato un approccio generale per la simulazione e l’ottimizzazione del progetto e del funzionamento di sistemi energetici, che utilizza gli stessi principi e la stessa terminologia indipendentemente dalle dimensioni, complessità e dettaglio del sistema. Successivamente si pone l’attenzione sui Macro-Sistemi, che consistono in un insieme integrato di impianti energetici che converte le fonti energetiche primarie disponibili nelle forme richieste dalle utenze. Sia le fonti che le richieste presentano in generale una certa variabilità. La variabilità lato fonti primarie è legata alla disponibilità nello spazio e nel tempo, che a volte è anche difficilmente prevedibile (come ad esempio nel caso di fonti rinnovabili); la variabilità lato richiesta è legata a regole di mercato e a caratteristiche degli utenti. Per descrivere adeguatamente il comportamento dei Macro-Sistemi vengono costruiti appositi modelli che prevedono l’impiego di variabili binarie, che in problemi di ottimizzazione del progetto consentono di considerare l’inclusione o l’esclusione di un impianto nel Macro-Sistema stesso, e in problemi di ottimizzazione del funzionamento la sua accensione o il suo spegnimento in relazione all’obiettivo considerato. Contestualmente vengono costruiti modelli dettagliati dei singoli impianti che si prevede possano far parte del Macro-Sistema al fine di ricavare relazioni caratteristiche fuel-prodotto/i affidabili da includere nel modello del Macro-Sistema. Queste relazioni risultano in generale ben approssimabili da funzioni lineari. Vengono inoltre inclusi i vincoli sull’andamento delle variazioni temporali di carico degli impianti stessi per rappresentare situazioni più realistiche possibili. L’ottimizzazione del progetto e del funzionamento di Macro-Sistemi rappresentati dai modelli così definiti rientra nel problema più ampio dell’ottimizzazione dinamica MILP (Mixed-Integer Linear Programming), che viene trattato nella prima parte di questa tesi, descrivendo in particolare la tecnica di “programmazione dinamica” che è impiegata per semplificare la ricerca della soluzione. Viene poi presentato e applicato un approccio originale per la decomposizione del problema dinamico in due sottoproblemi più semplici. Ciò rende molto più agevole la soluzione del problema originario, riducendo molto la sforzo computazionale senza perdita significativa di accuratezza. Vengono infine impostati e applicati due problemi di ottimizzazione di complessità crescente. Il primo ha come oggetto impianti a vapore e a ciclo combinato per la generazione di energia elettrica inseriti nel Macro-Sistema elettrico tedesco operante in regime di mercato libero. Sfruttando dati reali di prezzo e consumo in un arco temporale di quattro anni, viene valutata la riduzione dei profitti prodotti da questi impianti tradizionali conseguente alla priorità di generazione assegnata agli impianti che usano fonti rinnovabili. Il secondo problema riguarda un Macro-Sistema complesso per la produzione combinata di energia elettrica e termica che serve una domanda variabile nel tempo. Il volume di un sistema di accumulo termico che rende la generazione di energia elettrica indipendente dalla domanda termica viene ottimizzato in funzione del massimo profitto ottenuto dal Macro-Sistema nel suo complesso in un anno tipo di funzionamento.