Village-scale multi-energy system modelling tools : a review and critical analysis

Tools for energy systems modelling and planning are essential to ensure technical and economic sizing. Nowadays, a wide range of models aimed at this objective, characterized by different purposes and priorities, exist. It is however necessary to choose the model best suited to specific needs and ends in order to guarantee an effective and easy sizing of the energy system, otherwise negative consequences on cost and efficiency could arise. This planning tools can differ from each other for the type of analysis performed, the geographical area considered, the goals determined, the energy sectors and technologies included. Nevertheless, the majority of the most widespread tools, and of which more information is known, addresses its attention primarily on large scale energy system modelling and covers mainly electrical demand, neglecting important energy needs such as heating and cooking. Moreover, the increasing interest towards the disadvantageous energy conditions of developing countries makes necessary the knowledge and the diffusion of new models based on smaller energy system scales and which also include sectors other than electric one. In fact, the population of these countries lives mainly in small villages located in rural areas where access to energy is limited and the primary source for cooking, heating and lighting is the harmful and polluting biomass. Among the possible solution in such contests, the most suitable from an economic and efficiency point of view is the diffusion of autonomous off-grid systems: they comprehend stand-alone systems for only one consumer and micro-grids in which more than one consumer and energy sources are included. As a matter of fact, the present thesis work aims to carry out a literature review of the existing models, excluding all those which are not suitable for the optimization of rural energy systems and therefore focusing the attention on the tools with ideal features for modelling multi-energy systems in isolated areas. These tools should also allow possible further integrations and enable the aggregation of more multi-energy systems. A detailed analysis of properties and of main information, a comparative analysis and a final consideration about benefits and drawbacks of each tools is performed. Moreover, it is highlighted which tools could be the most suitable for the above-mentioned purposes.

Gli strumenti per la modellizzazione e la pianificazione dei sistemi energetici sono essenziali per garantire un corretto dimensionamento tecnico ed economico. Attualmente, in letteratura esiste una grande varietà di modelli rivolti a questo intento, caratterizzati da diversi scopi e proprietà. Tuttavia è necessario scegliere il modello più adatto alle specifiche esigenze e finalità in modo da garantire un valido e agevole dimensionamento del sistema energetico, altrimenti si potrebbero avere delle conseguenze negative sui costi e sull’efficienza del sistema. Questi strumenti di pianificazione posso differire per esempio per il tipo di analisi svolta, l’area geografica considerata, gli obiettivi fissati, le tecnologie e i settori energetici inclusi. Ciononostante, la maggior parte degli strumenti attuali più diffusi e di cui si conoscono più informazioni sono rivolti principalmente alla modellizzazione di sistemi energetici su ampia scala e alla copertura della domanda elettrica, tralasciando importanti bisogni energetici come il riscaldamento o la cottura di alimenti. Inoltre, il crescente interesse verso le sfavorevoli condizioni energetiche dei paesi in via di sviluppo rende necessaria la conoscenza e la diffusione di nuovi modelli basati su scale energetiche più piccole e che includano anche settori diversi da quello elettrico. Infatti la popolazione di questi paesi vive principalmente in piccoli villaggi situati in zone rurali dove l’accesso all’energia è alquanto ridotto e la fonte primaria per cuocere gli alimenti, di calore e di illuminazione è la biomassa, nociva e inquinante. Tra le soluzioni possibili in tali contesti, la più adatta dal punto di vista dei costi e di efficienza è la diffusione di sistemi off-grid autonomi: essi includono sistemi indipendenti per un solo tipo di consumatore o micro reti che comprendono più consumatori e risorse energetiche. Il presente lavoro di tesi ha difatti lo scopo di effettuare una revisione dei modelli esistenti in letteratura, scartando tutti quelli che non sono adatti a ottimizzare sistemi energetici in contesti rurali e focalizzando l’attenzione quindi su tutti quegli strumenti che presentano caratteristiche ideali per la modellizzazione di sistemi multi energetici in aree isolate, che consentano anche possibili future integrazioni di moduli, per esempio, e che permettano aggregazione di più sistemi multi energetici. Di tali strumenti è stata eseguita una descrizione dettagliata delle proprietà e delle informazioni principali, un’analisi comparativa e una considerazione finale atta a evidenziare i vantaggi e gli svantaggi di ogni modello, specificando quali tra essi potrebbero essere i più adatti agli scopi sopra citati.