Integration of CCGT start-up costs and ramp constraints into energy system modelling applied to the Italian case

The planning of energy systems characterized by high penetration of renewable sources is acquiring importance to face environmental and energy security issues. The optimization of the configurations of an energy system is a multi-objective problem because it concerns economical, technical and environmental aspects. The aim of this thesis work is to present the use of the model EPLANopt for the Italian energy system. Under specific assumptions, the model has been used to develop renewable energy high penetration energy scenarios at 2050. The EPLANopt model, developed by EURAC, is based on the simulation deterministic model EnergyPLAN coupled with a Multi-Objective Evolutionary Algorithm based on DEAP python library. The model has been integrated with a post processing analysis for the cycling of combined cycles, specifically developed in this work. The characteristic of the model is the hourly analysis of the balance between demand and production. The 2014 baseline of the Italian energy system has been created in EnergyPLAN and validated on the value of total CO_2emissions. The input variables of the optimization analysis are: photovoltaic power capacity, wind power capacity, storage from hydro pumped plants and batteries, heat pumps and energy efficiency. The maximum potential for these variables has been evaluated and set as constraint into the optimization algorithm. The objectives considered within the multi-objective optimization are: total annual costs and CO_2 emissions. The Italian energy system has been analysed under the assumption of a single node, so as a perfect development of the electric grid without transmission constraints. It is studied the potential of the input variables in terms of CO_2 emissions reduction and total annual costs. This study shows that the integration of the overproduction from renewable sources requires additional storage from batteries, other than hydro pumped plants. The impact of the cost of cycling on the result of the optimization is then evaluated with a sensitivity analysis.

Lo sviluppo di scenari energetici caratterizzati da elevata penetrazione di fonti rinnovabili è un argomento di grande rilevanza per superare i problemi di impatto ambientale e sicurezza energetica. L’ottimizzazione di un sistema energetico è un problema multi-obiettivo poiché riguarda aspetti economici, tecnici e ambientali. L’obiettivo di questa tesi è presentare l’applicazione del modello EPLANopt al sistema energetico italiano. Sotto specifiche ipotesi, il modello è usato per lo sviluppo di scenari energetici con elevata penetrazione di rinnovabili al 2050. Il modello EPLANopt, sviluppato da EURAC, è basato sulla combinazione del modello deterministico di simulazione EnergyPLAN con un algoritmo genetico multi-obiettivo basato sulla libreria DEAP di python. Il modello è stato integrato con un’analisi a posteriori per il cycling degli impianti a ciclo combinato, sviluppata appositamente per questo lavoro. La caratteristica di questo modello è l’analisi oraria del bilancio tra domanda e produzione. Lo scenario di riferimento del sistema energetico italiano al 2014 è stato creato in EnergyPLAN e validato dal valore ottenuto di emissioni di CO_2. Le variabili di input per l’ottimizzazione sono: potenza installata da fotovoltaico, potenza installata da eolico, accumulo da impianti idroelettrici a pompaggio e batterie, pompe di calore ed efficienza energetica. Il potenziale massimo delle variabili è stato valutato e utilizzato come vincolo per l’algoritmo di ottimizzazione. Gli obiettivi considerati nell’ottimizzazione multi-obiettivo sono: costi annui totali ed emissione di CO_2. Il sistema energetico italiano è stato valutato sotto l’ipotesi di singolo nodo, è considerato uno sviluppo perfetto della rete elettrica senza vincoli di trasmissione. È studiato il potenziale delle variabili di input in termini di abbattimento di emissioni di CO_2 e costi totali annui. Questo studio mostra come l’integrazione della sovra produzione da rinnovabili richieda l’utilizzo di accumulo addizionale da batterie, oltre agli impianti idroelettrici da pompaggio. L’impatto del costo di cycling dei cicli combinati sui risultati è stato valutato con un’analisi di sensitività.