Optimization of incentives and carbon tax in multi-energy systems

The use of Multi-Energy Systems is proven to be effective in the reduction of fossil CO2 emissions and costs for districts and firms. However, it is possible to further im-prove their effectiveness in tackling the problem of global warming by driving their de-sign towards a greener configuration through the imposition of incentives for RES and a carbon tax. In this work, we are going to present a novel bi-level optimization ap-proach which mimics the actual decision process: the government (Master level) de-cides the incentives/tax to meet a certain emission reduction target while minimizing its expenses and while the owner of the Multi-Energy System (lower level) decides the op-timal design and operation to minimize its Total Annual Cost (Capex + Opex). We then apply the bi-level approach to four different real-world systems, namely a university campus, a hospital, a residential neighborhood, and an office building.

L’uso di Multi-Energy Systems si è dimostrato essere efficace nella riduzione delle emissioni di CO2 fossile e dei costi per distretti ed aziende. È tuttavia possibile miglio-rarne ulteriormente l’efficacia nell’affrontare il problema del riscaldamento globale guidando il loro design verso una configurazione più ecologica mediante l’imposizione di incentivi per energie rinnovabili e una tassa sul carbonio. In questo lavoro presen-tiamo un nuovo originale approccio di ottimizzazione bi-livello che simula il vero pro-cesso decisionale: il governo (Master level) decide incentivi/tassa per rispettare un certo target di riduzione di emissioni mentre minimizza le sue spese e mentre il proprietario del Multi-Energy System (lower level) decide l’ottimo design e l’ottima gestione che minimizzino il proprio Costo Totale Annualizzato (Capex + Opex). Applichiamo poi l’approccio bi-livello a quattro diversi sistemi reali, nello specifico un campus universi-tario, un ospedale, un quartiere residenziale ed un edificio di uffici.