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Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo 2009 1 Evasio Lavagno Dipartimento di Energetica, Politecnico di Torino Corso Duca degli Abruzzi.

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Presentazione sul tema: "Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo 2009 1 Evasio Lavagno Dipartimento di Energetica, Politecnico di Torino Corso Duca degli Abruzzi."— Transcript della presentazione:

1 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Evasio Lavagno Dipartimento di Energetica, Politecnico di Torino Corso Duca degli Abruzzi 24, Torino, Italia Seminario su Modelli bottom-up per la pianificazione energetica: le applicazioni di TIMES a scenari europei ed italiani Milano, 13 marzo 2009

2 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Contenuti della presentazione: Modelli top-down e modelli bottom-up Metodologia e strumenti della famiglia di modelli MARKAL- TIMES (IEA-ETSAP) Applicazioni di TIMES in ambito UE in ambito extra-UE in ambito Italiano Conclusioni (problemi aperti) Modelli bottom-up per la pianificazione energetica: le applicazioni di TIMES a scenari europei ed italiani

3 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo tipologie dei modelli energetici Il ruolo che lenergia può svolgere in diversi scenari, sia di medio che di lungo periodo, può essere analizzato: con modelli economici, nei quali, allinterno della classica formulazione delle equazioni che governano le variabili economiche, il settore energetico viene descritto in modo molto semplificato (modelli top down, ad equilibrio generale), con modelli ingegneristici (modelli bottom up, ad equilibrio parziale), nei quali si parte da una descrizione molto dettagliata delle componenti energetiche (commodities e tecnologie) nei vari settori economici, ma la domanda di servizi energetici è usualmente una variabile esogena, governata da driver macroeconomici.

4 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Nei modelli di tipo bottom-up, il punto di partenza è la descrizione del sistema energetico di interesse (locale, nazionale, regionale o globale) avendo in mente gli obiettivi dello studio ed seguendo le regole di grammatica e sintassi specifiche della famiglia di strumenti di calcolo che si intendono utilizzare. Il modello è prodotto dallanalista su indicazione del committente. Gli strumenti di calcolo servono a tradurre in linguaggio matematico gli schemi logici del modello e le relazioni tra gli elementi che lo compongono e a risolvere il particolare problema che, di solito, consiste nel definire soluzioni di allocazione ottimale di risorse limitate (comunemente con le tecniche della Programmazione Lineare). Modelli bottom-up per la pianificazione energetica: le applicazioni di TIMES a scenari europei ed italiani

5 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo il Sistema Energetico di Riferimento Un Reference Energy System è un reticolo di tecnologie e commodities, che rappresenta il sistema energetico (e delle emissioni) di un paese, una provincia o una regione. Una tecnologia è un processo che produce o consuma commodities Una commodity può essere una forma energetica, una emissione, un materiale, o un servizio energetico. LFOHFO

6 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo il Reference Energy System Industry, e.g. -Process steam -Motive power Services, e.g. -Cooling -Lighting Households, e.g. -Space heat -Refrigeration Agriculture, e.g. -Water supply Transport, e.g. -Person-km Demand for Energy Service Industry, e.g. -Steam boilers -Machinery Services, e.g. -Air conditioners -Light bulbs Households, e.g. -Space heaters -Refrigerators Agriculture, e.g. -Irrigation pumps Transport, e.g. -Gasoline Car -Fuel Cell Bus End-Use Technologies Conversion Technologies Primary Energy Supply Fuel processing Plants e.g. -Oil refineries -Hydrogen prod. -Ethanol prod. Power plants e.g. -Conventional Fossil Fueled -Solar -Wind -Nuclear -CCGT -Fuel Cells -Combined Heat and Power - ……. Renewables e.g. -Biomass -Hydro Mining e.g. -Crude oil -Natural gas -Coal Imports e.g. -crude oil -oil products Exports e.g. -oil products -coal Stock changes (Primary Energy) (Final Energy) (Useful Energy)

7 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo La costruzione del modello Sulla base del RES si procede alla classificazione delle categorie di domanda di uso finale si identificano le tecnologie da analizzare con maggior dettaglio Il modello costruito per il sistema energetico di riferimento prende in considerazione la domanda di energia primaria e secondaria disaggregata nei tradizionali macrosettori: valuta le traiettorie evolutive del Sistema Energetico nei diversi periodi presi in esame sulla base delle assunzioni relative alle variabili esogene che guidano la domanda di energia e alla disponibilità e ai costi delle risorse primarie industria trasporti residenziale terziario agricoltura

8 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo La tecnologia rappresentata è una centrale termoelettrica alimentata a gas naturale. I parametri che permettono di rappresentarla sono di tipo tecnologico, economico ed ambientale. Parametri tecnologici - la potenza installata (GW) - il rendimento - le modalità temporali di funzionamento - il fattore di disponibilità annuale - la vita tecnologica dell'impianto - il tipo di combustibile utilizzato - lanno di costruzione Parametri economici - il costo dinvestimento (/GW); - i costi fissi di O&M (/GW/a); - i costi variabili di O&M (/GWh/a) - esternalità, tassazioni, sussidi, ….…. Parametri ambientali - coefficienti di emissione La rappresentazione delle tecnologie Elettricità Prodotta [GWh/a] ELCP GAS Potenza Installata CTE Combustibile [PJ/a] Emissioni

9 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Modalità tipiche di proiezione della domanda Storyline (BASE CASE) : Dinamica della popolazione, progresso tecnologico, etc. Drivers: PIL, outputs settoriali, popolazione, parco edilizio Domanda di usi finali DEM = K* Driver) elasticity GEM-E3 Elasticità: - saturazione sul lungo periodo minore elasticità dopo convergenza tra PVS e paesi industrializzati verso il 2050 PIL: crescita annua media (2.4%) PIL(2100) = 12*PIL(2000) POP: crescita a 9 miliardi ( ) Popolazione Numero di unità edilizie PIL regionale Fatturato dei settori industriali energy intensive Fatturato degli altri settori industriali Fatturato del settore servizi Fatturato delagricultura PIL pro capite

10 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Le curve di domanda e offerta

11 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo il modello matematico di ottimizzazione il problema Primalee il problema duale Max c t xMin b t y s.t.Ax bA t y c x 0y 0, dove: x è il vettore delle variabili-decisione, c t x è una funzione lineare che rappresenta lObiettivo da massimizzare, e Ax b è il set di vincoli di disuguaglianza. Ogni variabile duale y i può essere assegnata al proprio corrispondente vincolo primale. Se il problema primale ha una soluzione finita ottimale x*, allora anche il problema duale lavrà (y*); entrambi i problemi hanno la stesso valore della funzione Obiettivo. I valori ottimali delle variabili duali sono anche chiamati prezzi-ombra (shadow prices) dei vincoli primali. Il vettore (x*,y*) rappresenta lequilibrio.

12 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo La struttura di MARKAL - TIMES Il modello è costituito da un insieme di data files (.xls,.mdb, etc). I Generatori di Modelli (MARKAL and TIMES) sono codici che elaborano gli schemi predisposti dagli analisti e generano una matrice di coefficienti corrispondente alla rappresentazione matematica del modello. Il linguaggio di programmazione usato per scrivere il codice è GAMS (General Algebraic Modelling System). Un risolutore è un package integrato con GAMS, che risolve il programma matematico prodotto dal Generatore di Modelli. Gli Scenari sono un insieme coordinato di inputs / outputs Lo "shell" è una interfaccia utente che è in grado di gestire tutti gli aspetti legati alla gestione del modello.

13 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Output routine Dati numerici in formato Excel -TEMPLATES VEDA_FE Shell Grafica GAMS TIMES Preprocessor Interpolazione dati Valori di default Controllo di consistenza Equazioni Funzione obiettivo Equazioni che definiscono la struttura del sistema energetico Vincoli dellutente Solutore esterno CPLEX Files di risultati VEDA_BE Shell Grafica + Excel P _ N G A S P _ H C O O I L P _ H Y D P _ S O L P _ W I N D P _ G E O T P _ R S U P _ B I O M P _ O I L _ P S e m _ F F _ E L C I M P O R T A Z I O N E E S T R A Z I O N E S _ G A S Fonti primarie Combustibili secondari Energy carrier Turbogas Impianti a vapore Motori a combustione interna Ciclo combinato idroelettrico Processi (tecnologie di conversione) Processi (dispositivi di domanda) Industria meccanica Industria tessile Industria metallurgica Usi elettrici obbligati Domanda V. A. RES Informazioni sulla struttura GIS impianti Linee ………. La struttura di MARKAL - TIMES

14 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo le versioni di MARKAL - TIMES In linea di principio ci sono 3 modi di lavorare con MARKAL-TIMES 1.Una versione least cost (standard), che valuta limpatto delle politiche sui settori energetici, incluse le tecnologie di uso finale. 2.Una versione partial equilibrium (MARKAL-ED; MARKAL-MICRO), che include nella valutazione degli effetti sui livelli di consumo. 3.Una versione general equilibrium (MARKAL- o TIMES-MACRO), che valuta gli effetti sullintera economia.

15 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Il Programma di Analisi dei Sistemi Tecnologici dellEnergia … … è un Agreement internazionale multilaterale, promosso e sponsorizzato dalla International Energy Agency. La cooperazione ha avuto inizio dopo la prima crisi petrolifera, per valutare, attraverso lanalisi di sistema, se: –le alternative al petrolio erano realizzabili dal punto di vista tecnico, economico e ambientale; –le solutioni dovevano essere Globali o dipendenti da fattori nazionali; –le politiche RD&D globali sullenergia erano praticabili e utili. Dopo due anni di studio ( ), dal momento che gli strumenti disponibili allepoca non erano in grado di fornire risposte, il gruppo iniziò a sviluppare un nuovo strumento, il generatore di modelli MARKAL. lImplementing Agreement IEA - ETSAP

16 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo lIEA -Implementing Agreement ETSAP Gli esperti ETSAP assistono i decision-makers nel formulare politiche volte ad affrontare i problemi associati a: –i fabbisogni energetici, –il progresso tecnologico, –i danni ambientali, e –lo sviluppo economico, … sviluppando –un programma co-operativo di analisi dei sistemi tecnologici dellenergia –studi modellistici su possibili sviluppi.

17 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo gli Annexes di ETSAP Model development (BNL, KFA-Jülich) Energy Technology Systems Analysis Project Information Exchange Project International Forum on Energy Environment Studies Greenhouse Gases and National Energy Options: Technologies & Costs for Reducing GHG Emissions Energy Options for Sustainable Development Dealing with Uncertainty Together Contributing to The Kyoto Protocol Exploring Energy Technology Perspectives Energy Models Users Group Global Energy Systems and Common Analyses By the end of the Annex X there are more than 230 MARKAL-TIMES licensed institutions, of which nearly 180 are active in 69 countries.

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19 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Alcune recenti applicazioni di TIMES per la UE In Europa: NEEDS (New Energy Externalities for Developments in Sustainability) Including the externalities to the direct costs of commodities and technologies. RES2020 ( Monitoring and Evaluation of the RES directives implementation in EU25 and policy recommendations) Describing the renewable energy sources and their development potential and impacts with more detail. REALISEGRID (REseArch, methodoLogIes and technologieS for the effective development of pan-European key GRID infrastructures to support the achievement of a reliable, competitive and sustainable electricity supply) Analysing the reliability and the development needs of electricity and gas infrastructures in EU27+ and Western Balkans

20 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Valutazione delle esternalità dei sistemi energetici Externalities arise when the social or economic activities of a participant in the economy have negative or positive impacts on another participant and these impacts are not fully accounted for or compensated by the first participant. External costs are externalities that are transformed into monetary values to allow a comparison between externalities and with private costs. Externalities of all stages of the production process have to be considered, including construction, dismantling, fuel cycle. Inserimento delle esternalità tra i costi interni delle tecnologie descritte con approccio TIMES Realizzazione del Modello Europeo TIMES: pan-EU27+

21 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Quali esternalità sono state considerate? Environmental externalities: the release of a substance or energy (noise, radiation) into environmental media (air, indoor air, soil, water), that causes - after transport and transformation - considerable (not negligible) harm to ecosystems, humans, crops or materials. Includes global warming impacts: damage costs and avoidance cost approach used. Accidents: Public and partly occupational risks caused by accidents (use of expectation value). Insecurity of oil supply addressed, but small.

22 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Altre recenti applicazioni MARKAL – TIMES (extra UE) ETP Energy Technology Perspectives MARKAL System for the Analysis of Global Energy markets (SAGE) ETSAP-TIAM (TIMES Integrated Assessment Model) EFDA-TIMES

23 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo 2009 Il modello EFDA a 15 regioni

24 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo il modello TIAM

25 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo 2009 TIMES Integrated Assessment Model 15 regioni + OPEC/Non-OPEC Africa* Australia-New Zealand Canada Central and South America* China Middle-East* Other Developing Asia* South Korea United States Western Europe Eastern Europe Former Soviet Union India Japan Mexico le regioni del modello TIAM

26 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Risk of Energy Availability: Common Corridors for Europe Supply Security FP7 – Energy Security of Supply

27 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Il progetto REACCESS: i partners FP7 - Topic ENERGY : Energy security of supply Collaborative Project with predominant research and policy components Acronym: REACCESS Full Title: Risk of Energy Availablity: Common Corridors for Europe Supply Security The Partners POLITO Politecnico di Torino – Italy ASATREMApplied System Analysis, Technology And REsearch, Energy Models – Italy CCCC Climate Change Coordination Center – Kazakhstan CIEMAT Centro de Investigaciones Energéticas, medioambientales y Tecnológicas – Spain DLR Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt, German Aerospace Center – Germany KANLO Kanlo Consultants – France IET Institute for the Economy in Transition – Russia IFE Institute of Energy Technology - Norway NTUA-EPUNational Technical University of Athens - Greece ARC/RSAAustrian Research Centres – Research Studios Austria – Austria F-UNED Fundación General de la Universidad nacional de Educación a Distancia – Spain VTTValtion Teknillinen Tutkimuskeskus, Technical Research Centre of Finland – Finland USTUTT University of Stuttgart – Germany CNR-IMAAInstitute of Methodologies for Environmental Analysis - Italy

28 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Il progetto REACCESS: le attività The REACCESS Work Packages WP1 Project management, scientific co-ordination and WP activities integration WP2 Identification and detailed description of the captive energy import framework for EU 27+ energy routes WP3 Identification and detailed description of the open sea energy import framework for EU 27+ energy routes WP4EU security of supply and environment policies vs. energy routes WP5 Modelling the EU energy system supply corridors WP6 Scenario analysis and result reporting WP7 Dissemination and exploitation activities

29 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Modello multiregionale composto da: 27 Member States dellEU + Norvegia, Svizzera e Islanda 14 regioni ex-TIAM (rappresentanti il Rest of the World) Molte decine di corridoi energetici, sia terrestri che open sea, appartenenti alla regione Corridoi Energetici

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31 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Infrastrutture per lelettricità e il gas in Europa Arzew Skikda Cordoba Lyon St. Petersburg Rom Helsinki Oslo Stavanger Kårsto Kollsnes Algier Madrid London Wien Athen Paris Lissabon Huelva Sines Cartagena Barcelona Fos-sur-Mer Bilbao Krk Istanbul La Spezia Montoir Zeebrügge Ekofisk Troll Gullfaks Statfjord Heimdal Frigg Budapest Tunis Sofia Bern Belgrad Dublin Belfast Prag Warschau Minsk Bukarest Oseberg W' Zagreb Rovigo El Ferrol ValenciaBrindisi Isle of Grain Milford Haven Tyra Emden haven Stockholm Berlin Brüssel Yamburg: 4135 Zapolyarnoye: 3419 Urengoy: 5369 Komsomol: 468 Shtokmanov: 3000 Orenburg: 805 Karachaganak: 453 Kharasavey: 1259 Bovanenkov: 4375 Medvezhe: 549 Kangiran Gonbaldi: Astrakhan: 2518 Shah Deniz:

32 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Il progetto MATISSE Modello multiregionale sviluppato nellambito della Ricerca di Sistema Elettrico Italiano Leader CESI (ora CESI RICERCA) Ambito energetico: sistema elettrico, multi grid.

33 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Il modello multiregionale del sistema elettrico italiano The figure represents (in a simplified way) the typical RES structure inside a generic region, with electricity import/export and trade with neighbouring regions. The other energy vectors which supply the power plants are described as in-flows coming from a virtual region representing the aggregated Italian Energy scheme.

34 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Lo schema funzionale di MATISSE The functional scheme for the Model of the Electricity System presents 40Segments of electrical services demand 150 End use technologies supplied with different voltage levels 400Supply technologies (thermal, hydro and other renewables power plants, combined heat and power plants) 8 Time-slices (Winter, Spring, Summer, Fall and D/N) 5Voltage levels

35 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo MATISSE: la rete elettrica 5 voltage levels AAT produced & imported AAT national grid AT MT BT distribution 5 electricity commodities ELCP - ECLAA - ECLA ECLM - ELCD The grids are represented through 4 GRID technologies GRIDAAT GRIDAT GRIDMT GRIDBT

36 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo repowering e conversioni ENEL Edison Edipower Endesa Tirreno Power AEM MI ASM BS Termini Imerese (PA) Sulcis (CA) Sermide (MN) Ostiglia (MN) Torrevaldaliga Sud (RM) Chivasso (TO) Cassano (MI) Tavazzano (LO) Piacenza (PC) Sarmato (PC) Ponti S.M. (BS) Santa Barbara (AR) Porto Corsini (RA) Pietrafitta (PG) La Casella (PC) Torrevaldaliga Nord(RM) Mercure circa MW

37 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo nuovi cicli combinati

38 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Le tipologie di impianto The plant typologies taken into consideration are listed in the table: Medium size and large plants are spatially identified and characterised. Only small plants are aggregated (minihydro, mni-chp, …). steam cycle/condensationgas steam cycle/condensationoil steam cycle/condensationcoal new coal fuelled steam plantscoal turbogasgas turbogasdiesel oil steam cycle with repowered turbogasgas steam cycle with repowered turbogasoil combined cyclegas natural gas derivate fuelled combined cyclegas derivate internal combustion enginediesel oil incineratorusw biomass combustion plantbiomass combined cycle integrated with gasificationheavy oils natural gas fuelled small thermal plantgas wind plantwind solar plantsolar hydro planthydro geothermal plantgeothermal diesel oil fuelled combineddiesel oil oil fuelled combined cycleoil oil fuelled turbogasoil diesel oil fuelled small thermal plantdiesel oil biogas combustion plantbiogas combined cycle chpgas natural gas turbogas chpgas steam cycle chpoil oil fuelled turbogas chpoil steam cycle/condensation chpgas steam cycle/condensation chpoil combined cycle chpdiesel oil steam cycle/condensation chpcoal

39 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo La curva del carico elettrico The figure shows the Power Plants contribution to the load curve: gas fuelled Combined Cycle Plants base-load oil and gas fuelled Steam Cycle Plants modulation

40 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo MATISSE

41 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo I modelli di sistemi regionali: Piemonte e Lombardia

42 Dipartimento di Energetica - POLITO IEFE - Milano 13 marzo Grazie per lattenzione


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