Slide presentazione scuola AIRU

Strumenti di pianificazione e
gestione ottima delle reti di
teleriscaldamento urbano
Daniele Vigo
Università di Bologna
Dip. di Elettronica, Informatica e Sistemistica
[email protected]
Sommario
Introduzione
Progetto Innovami (R.E-R)
Problemi di pianificazione di reti TLR
Modelli di ottimizzazione
Sperimentazione su scenari reali
D.Vigo: Ottimizzazione reti TLR – Milano 26/02/10
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Introduzione
Applicazione di metodologie avanzate di
ottimizzazione matematica a problemi di
pianificazione del teleriscaldamento urbano
Supporto alle decisioni per problemi
Strategici (lungo periodo): layout della rete,
dimensionamento impianti, …
Tattico/operativi (breve periodo): regime di funzionamento
Metodologie ampiamente consolidate e
validate in altri settori applicativi (logistica,
produzione industriale, energia, …)
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Progetto INNOVAMI (RER)
Progetto del PRRIITT Emilia Romagna 2009
Il Modulo 5 riguarda lo sviluppo di modelli di
ottimizzazione e la realizzazione di prototipi
utilizzabili a supporto della pianificazione e
gestione di reti di teleriscaldamento (TLR)
alimentate a cogenerazione e di mediopiccola dimensione (al di sotto delle 10000
unità immobiliari equivalenti o con una
dimensione di impianto inferiore ai 10MW)
Modulo 4 su reti telecomunicazione
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Progetto INNOVAMI (RER)
Affronta due sottoproblemi specifici:
1. Allacciamento di un insieme di nuovi clienti potenziali ad
una rete urbana di TLR esistente
2. Risoluzione di problemi di unit commitment e dispatching
dell’energia prodotta dagli impianti nelle reti urbane di
TLR
Prevede la realizzazione di prototipi dei
sistemi di ottimizzazione e la loro
validazione su scenari reali
Partner coinvolti DEIS ed HERA
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Disegno della rete TLR
Input:
1. una rete di teleriscaldamento
completamente definita:
caratterizzazione fisica, geometrica e topologica
di ogni elemento (pipes, tees, …) delle reti di
mandata e ritorno
caratteristiche operative degli impianti della rete
e degli scambiatori cliente già installati
vincoli operativi globali (pressione massima in
uscita a ciascun impianto, massima differenza di
pressione su ciascun impianto, minima differenza
di pressione sul generico scambiatore cliente…)
parametri di costo globali (costi operativi degli
impianti)
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plant
Clienti / gruppi
Disegno della rete TLR
Input:
2. un insieme di “nuovi” clienti, di cui
stabilire l’opportunità o meno di
allacciamento. Di ciascuno di essi si ha:
la potenza termica massima richiesta
un insieme finito di possibili configurazioni (punti,
modalità) di allacciamento alla rete, ognuna
dettagliata in termini di:
costi di allacciamento (stesura tubature,
installazione scambiatore, …)
ricavi derivanti dall’allacciamento (incentivi,
attualizzazione del ricavo della vendita di
energia…)
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plant
Disegno della rete TLR
Il problema consiste nel determinare il subset
di clienti potenziali (e relative configurazioni)
che è più conveniente allacciare:
rispettare le caratteristiche ed i limiti fisici della rete
rispettare i vincoli operativi globali e quelli particolari di
ogni cliente
massimizzare il profitto, tenendo conto dei costi e dei
ricavi legati ad ogni possibile allacciamento, ma anche dei
costi globali
per esempio, può essere più conveniente allacciare il cliente cA
rispetto a cB che, pur promettendo margini più ampi, è più lontano
dall’impianto e causa così più alti costi di pompaggio
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Modellazione della rete
Rappresentata mediante un grafo equivalente
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Ipotesi semplificative
La rete è rappresentata in condizioni di carico
di punta e quindi in regime stazionario:
disaccoppiamento dell’aspetto termico da quello idraulico
Cadute di temperatura ai clienti assunte note
è possibile ridurre l’incidenza della distribuzione delle
temperature alla determinazione delle portate in massa
che devono essere garantite sui rami cliente
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Approssimazione non linearità
Il modello di
ottimizzazione può
utilizzare solo
relazioni lineari
Le relazioni non
lineari vengono
approssimate con
relazioni lineari a
tratti
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Modello matematico
Il problema viene formulato utilizzando la
programmazione lineare binaria (LP01), cioè
un modello matematico in cui le variabili
modellano rispettivamente:
le grandezze che definiscono lo stato termico-idraulico della
rete (portate sulle pipe, pressioni sui nodi, …)
la decisione di inserire o meno in soluzione le configurazioni
di allacciamento dei clienti potenziali
Se n=clienti/configurazioni potenziali le combinazioni
sono 2n (di ciascuna va calcolata la configurazione di
equilibrio delle pressioni e portate)
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Modello matematico
Funzione obiettivo (costo di una soluzione)
somma pesata dei termini netti di ricavo associati alle
configurazioni cliente in soluzione e del costo operativo
globale (per es. di pompaggio)
Le variabili decisionali devono soddisfare:
vincoli descrittivi dei legami tra le grandezze fisiche in
gioco (es. legami tra caduta di pressione e portata in
massa lungo una pipe)
vincoli operativi d’esercizio (es. minima differenza di
pressione tra mandata e ritorno per un cliente)
vincoli strutturali legati agli aspetti decisionali (es. mutua
esclusività tra l’attivazione di configurazioni alternative)
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Il modello matematico
min z = Eplant + Fcosto(ptallacc, coper)
1 Eplant = θ ⋅∆Tplt + π ⋅∆pplt + µ ⋅mplt
consumo di energia nell’impianto
2 Eplant ≥ fenergy(Epump, Σa∈Ap Qa, Σa∈Ac Qa)
bilancio energetico
3 pi - pj = Kij ⋅ mij2
∀ (i, j) ∈ A
caduta di pressione sugli archi
4 Qa = ma ⋅ cP,a ⋅ ∆Ta
∀ a ∈ Ac
consumo di pot.termica dei clienti
5 Qa = ma ⋅ cP,a ⋅ ∆Ta
∀ a ∈ Ap
dispersione di calore nelle pipes
∀i∈V
bilancio di massa ai nodi
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Σa∈δ
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eventuali vincoli operativi (portate massime nelle pipes, …)
+(i)
ma = Σa∈δ –(i) ma
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Prototipo e sperimentazione
Sviluppo di un prototipo del modello di
Ottimizzazione per la conduzione di test
Sperimentazione su una porzione del sistema
urbano di TLR di Imola (100Km 5000 u) :
Caratterizzazione degli elementi di rete già esistenti
Caratterizzazione di tutti i clienti futuri (previsti) e potenziali
Scenari:
Validazione del modello sulla rete attuale
Considerazione di clienti futuri e
potenziali per vedere la reazione del
modello
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La rete esistente
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La rete esistente: input
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La rete esistente: output
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Scenario 1 - grafo
Esistenti
Futuri
Potenziali
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Scenario 1
Lo scenario 1 rappresenta il caso base
Per ciascun cliente potenziale:
i costi sono quelli di stesura delle tubazioni ed
installazione dello scambiatore
i ricavi tengono invece conto sia di un contributo di
allacciamento utente, che di una stima semplicistica dei
ricavi derivanti dalla vendita di energia durante un dato
orizzonte temporale di dieci anni
il modello produce in output:
per ciascun cliente, la decisione in merito all’allacciamento
i valori di pressione di mandata, ritorno, e la differenza, nei
punti più significativi della rete
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Scenario ipotetico - input
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Scenario 1 - output
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Scenario 1 - output
Il 20 ed il 33 non vengono
inseriti anche se convenienti
(vincoli su pressione al plant)
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Altri scenari possibili
Variazione dei costi o dell’orizzonte di
ammortamento
Qual è l’insieme massimo servibile nel
rispetto dei vincoli (indip. dal costo) ?
Qual è l’insieme di clienti massimo servibile
dato un limite di budget per il costo di
allacciamento?
…
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Evoluzione futura
Consolidamento del modello per la gestione
di reti di medio-grande dimensione
Valutazione strategica di diverse sorgenti
(cogenerazione, termovalorizzatori,
biomasse, solare, recupero da industrie …)
Dispatching/unit commitment (Giu 2010):
Regime di funzionamento impianti nell’arco di una giornata
Considerazione della dinamica delle temperature
Considerazione di serbatoi inerziali per accumulo del
calore in alcuni periodi
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Conclusioni
Dimostrazione della fattibilità tecnica di un
modello decisionale per la pianificazione di
una rete di TLR
Possibilità di conduzione di analisi
quantitative “what-if?”
Notevole innovazione rispetto agli strumenti
disponibili che permettono solo la
progettazione di dettaglio
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