Thermal and electric modelling of a village-scale multi-energy system for the sustainable energization of Toconao

The goal of this work is to face the matter of insufficient attention that is being given to thermal energy consumption and production when treating sustainability in the energy field, in the purpose of achieving the 7th SDG and the necessity for open-source modelling in contrast to commercial software that lead the scene of energy modelling market. The concept of Sustainable Energization, adopting the Comprehensive Energy Solution Planning (CESP) methodology, is applied within this work on a rural village in the North of Chile. Energy solution planning is based on matching energy demand with local available Renewable Energy Sources, both assessed with field measurement and analysis. An open-source software is developed to meet with the needs faced in the identification of a strategy to improve energy efficiency and energy supply of the study area, taking into account not only the electrical needs but also the thermal need of energy. An already existing open-source software based on Python language that models the optimization of micro grids in rural environments is taken as basis to develop a similar tool, that takes into account not only electrical needs but sanitary water heating demand as well. The electrical energy balances of the original software are kept unchanged and valid in the new proposed model, while the new thermal balances, carefully explained throughout the work, are joined to consider a wider, not only electric, energy system in the optimization. The optimization is based on the minimization of the Net Present Cost function of the project and uses a Linear Programming logic. In conclusion to the work, different scenarios are taken into account and energy optimization solutions for the study area are proposed to fulfil the needs in an off-grid configuration. The limitations of the actual modelling tools, encountered during the development of the work, are explained and commented alongside with proposals for possible further developments in the field.

L'obiettivo di questo lavoro è affrontare la questione dell'insufficiente attenzione che viene data al consumo e la produzione di energia termica e nel trattare la sostenibilità nel campo energetico, allo scopo di raggiungere il 7 ° SDG, e la necessità di una modellazione open source in contrasto ai software commerciali che guidano la scena del mercato dei modelli energetici. Il concetto di Sustainable Energization, adottando la metodologia CESP (Comprehensive Energy Planning), è applicato all'interno di questo lavoro in un villaggio rurale nel nord del Cile. La pianificazione delle soluzioni energetiche si basa sulla corrispondenza tra la domanda di energia e le fonti di energia rinnovabile disponibili localmente, entrambe valutate con misurazioni e analisi sul campo. Un software open source è stato sviluppato per soddisfare le esigenze nell'individuazione di una strategia per migliorare l'efficienza energetica e l'approvvigionamento energetico dell'area di studio, tenendo conto non solo dei bisogni elettrici, ma anche del fabbisogno di energia termica. Un software open source già esistente basato su linguaggio Python che modella l'ottimizzazione delle micro reti negli ambienti rurali è preso come base per sviluppare uno strumento simile, che tenga conto non solo dei bisogni elettrici, ma anche della domanda di riscaldamento dell'acqua sanitaria. I bilanci di energia elettrica del software originale sono mantenuti invariati e validi nel nuovo modello proposto, mentre i nuovi bilanci termici, accuratamente spiegati durante il lavoro, sono uniti per considerare un sistema energetico più ampio, non solo elettrico, nell'ottimizzazione. L'ottimizzazione si basa sulla minimizzazione della funzione obbiettivo Net Present Cost del progetto e utilizza una logica di programmazione e computazione lineare. In conclusione al lavoro, vengono presi in considerazione diversi scenari e vengono proposte soluzioni di ottimizzazione energetica per l'area di studio per soddisfare le esigenze in una configurazione off-grid. I limiti degli strumenti di modellazione reali, incontrati durante lo sviluppo del lavoro, sono spiegati e commentati insieme a proposte di possibili ulteriori sviluppi nel campo.