Optimal design of distributed energy resources for sustainable community development

The thesis presents a multi-objective linear programming model with the aim of finding the optimal design of interconnected DER systems to satisfy the electricity and thermal loads of residential and commercial end-users, while considering economic and environmental aspects. Within each DER system, the DER technologies include Combined Heat and Power systems (CHPs), gas-fired boilers, PV panels and solar thermal collectors, reversible air-source heat pumps, single-stage absorption chillers, and electrical and thermal energy storage devices. Interconnection among DER systems is allowed through sharing electricity and thermal energy (through a heating pipeline to be designed) provided by CHPs of all DER systems. The model aims at minimizing both the total annual cost, as a crucial parameter in the short run for the feasibility of the implementation, and the environmental impact in terms of total annual CO2 emissions, as an essential priority in the long-run. The Pareto frontier is found through the weighted-sum method, by using branch-and-cut (implemented by using the commercial solver IBM ILOG CPLEX Optimization Studio). In order to demonstrate the effectiveness of the model, three case studies are analysed. The first case study involve a single DER system coupled to a residential end-user. The second case study involve three DER systems coupled to three residential and commercial end-users. The third case study involve the complete DER systems structure allowing the energy sharing through the local grid and the heating pipeline. For each case study is illustrated the associated Pareto frontier and the economic and environmental optimization configurations are presented. Moreover, some of the meaningful trade-off points with the correspondent configurations are also presented and discussed. In conclusion, a comparative analysis shows the economic and environmental benefits of integrated DER systems compared to conventional and trigeneration supply scenarios.

Il seguente lavoro di tesi presenta un modello di programmazione lineare multi-obiettivo che ha lo scopo di identificare la configurazione ottimale, secondo criteri economico/ambientali, per diversi sistemi di risorse energetiche distribuite (DER – Distributed Energy Resources) interconnessi elettricamente e termicamente per soddisfare la domanda multi-energetica di utenti residenziali e commerciali, nell’ambito di una comunità energetica. In ogni sistema, i dispositivi installati possono essere scelti tra i seguenti: cogeneratori con motori a combustione interna o micro-turbine, caldaie a gas, pannelli fotovoltaici, collettori solari termici, pompe di calore reversibili, refrigeratori monostadio ad assorbimento, ed unità di accumulo termico ed elettrico. I sistemi possono scambiare energia elettrica e termica fornita dai cogeneratori installati in qualsiasi sistema di DER. Lo scambio di energia termica avviene tramite una rete termica di interconnessione tra i sistemi (da configurare). Lo scopo del modello è quello di minimizzare sia il costo annuale associato ai sistemi di DER e alla rete termica, parametro cruciale nel breve termine per la fattibilità dell’implementazione, che l’impatto ambientale in termini di emissioni di CO2 prodotte dai dispositivi installati, obiettivo fondamentale nel lungo termine. Il fronte di Pareto è stato identificato mediante il metodo della somma pesata, utilizzando la tecnica del branch-and-cut (implementato nel software di ottimizzazione commerciale IBM ILOG CPLEX Optimization Studio). Per dimostrare la validità del modello, sono stati analizzati tre casi studio. Il primo caso studio comprende un singolo sistema di DER collegato ad un solo utente. Il secondo caso studio riguarda tre sistemi di DER collegati a tre utenti residenziali e commerciali. Il terzo caso studio comprende la struttura completa dei sistemi di DER che consente lo scambio di energia mediante la rete elettrica e la rete termica. Per ogni caso studio sono stati presentati il fronte di Pareto associato e le configurazioni ottimizzate per gli obiettivi economico ed ambientale. Inoltre, sono presentati e discussi anche alcuni punti significativi del fronte con le configurazioni corrispondenti. In conclusione, un’analisi comparativa evidenzia i vantaggi economici ed ambientali dei sistemi di DER integrati rispetto ai casi di approvvigionamento energetico convenzionale e con trigenerazione.