Techno-economic design of an advanced generation plant equipped with an MPC controller in a 4th generation district heating network

This thesis work focused on the design of the generation section of a 4th generation district heating system in order to maximize its synergies with the electric system, as well as the economic result. A TRNSYS model has been used to simulate the reference district heating network of Canavese (MI). To comply with the objective of this work, an optimization and control tool based on Model Predictive Control has been developed within a Matlab environment. This optimizer uses a simplified model of the reference network to predict its response to any set of the generators’ state, over a certain time horizon, and it minimizes the operational costs of heat generation. The developed tool has been subsequently used to identify the economically optimal plant configuration for a given set of generation technologies, under four different electricity price scenarios, future and actual. The generators selected were a gas-fuelled internal combustion engine, a gas turbine and a groundwater heat pump. At last, a sensitivity analysis was performed on the most important parameters. The results showed that the internal combustion engine technology is the preferable solution, because it allows exploiting the high prices for the sale of electricity during peak hours. This translates into a beneficial stabilizing effect on the electrical network. Moreover, simultaneous participation of the plant in both day-ahead and ancillary services markets is highly desirable, since it allows maximizing the economic advantages given by the fact that thermal energy demand results anti-cyclical compared to electrical energy one. The coupling of a combustion engine and a heat pump seems to be competitive only for a rather small size of the latter, which allow it to run entirely with the electricity produced by the engine.

Questa tesi si è focalizzata sulla progettazione della sezione di generazione di un sistema di teleriscaldamento di quarta generazione, al fine di massimizzarne le sinergie con il sistema elettrico, nonché il risultato economico. Un modello TRNSYS è stato utilizzato per simulare la rete di teleriscaldamento di riferimento di Canavese (MI). Per soddisfare l'obiettivo di questo lavoro, è stato sviluppato in ambiente Matlab uno strumento di ottimizzazione e controllo basato sul Model Predictive Control. Questo ottimizzatore si avvale di un modello semplificato della rete di riferimento per prevederne la risposta ad ogni possibile combinazione degli stati dei generatori in un dato orizzonte temporale, con l’obiettivo di ridurre al minimo i costi operativi della generazione di calore. Questo strumento è stato successivamente utilizzato per identificare la configurazione d'impianto economicamente ottimale per un determinato insieme di tecnologie di generazione, in quattro diversi scenari di prezzo dell'elettricità. I generatori selezionati sono stati un motore a combustione interna a gas, una turbina a gas e una pompa di calore geotermica. Infine, è stata effettuata un’analisi di sensitività sui parametri più importanti. I risultati hanno indicato la tecnologia dei motori a combustione interna come la soluzione preferibile, consentendo lo sfruttamento dei prezzi elevati di vendita dell’elettricità nelle ore di punta del sistema elettrico. Questo si traduce in un favorevole effetto stabilizzante sulla rete elettrica. Inoltre, la partecipazione contemporanea dell’impianto sia al mercato del giorno prima che in quello di bilanciamento è altamente auspicabile, in quanto consente di massimizzare i vantaggi economici derivanti dalla anti-ciclicità della domanda termica rispetto a quella elettrica. L'accoppiamento di un motore a combustione e di una pompa di calore risulta essere competitivo solo per una taglia piuttosto ridotta di quest'ultima, che gli permette di funzionare interamente con l'elettricità prodotta dal motore.