Optimization of a system based on sector coupling for household energy needs fulfillment through the minimization of non-renewable energy consumption

After the COP21 UN Climate Change Conference in 2016 it became clear that specific actions to limit climate change are necessary, thus leading to the stipulation of an agreement to keep below 2 C the increase of global temperature, compared to values of pre-industrial period. European Union implemented an energy roadmap to 2050 to cut greenhouse gas emissions by 80-90% by that year. In order to achieve this objective, necessary measures to undertake include the increase of renewable energy consumption share. The aim of this work is to analyze the potential of sector coupling in the residential sector in order to get a reduced environmental impact with respect to a conventional system. It consists in the use of electricity from renewable sources for heating (Power-to-Heat) and transport (Power-to-Mobility), which represent important fractions of CO2 emissions of a country. To accomplish this task, the energy demand of a standard household in Germany is estimated, in terms of electrical appliances, heating, hot water and transport. A system based on a heat pump and electric vehicles is implemented and a yearly, onehour time step simulation is developed thanks to the Matlab software. The objective is to make the system as self-sufficient as possible to minimize the electricity supplied by the grid, employing renewable electricity generated by solar panels mounted on the house roof and a micro wind turbine. The main parameters affecting the system performance are analyzed to obtain the best configuration able to minimize CO2 emissions. Finally, an economic analysis is performed to determine the feasibility of the system from a practical point of view.

Dopo la Conferenza delle Nazioni Unite sui Cambiamenti Climatici COP21 tenuta nel 2016, è stata chiara l’urgenza dell’intraprendere azioni specifiche per limitare il cambiamento climatico, arrivando così a stipulare un accordo volto a mantenere sotto i 2 C l’aumento della temperatura terrestre rispetto ai valori del periodo pre-industriale. L’Unione Europea ha implementato una strategia energetica da attuare gradualmente entro il 2050 per tagliare le emissioni di gas serra dell’80-90% entro quell’anno. Per raggiungere questo obiettivo, è necessario intraprendere misure che prevedono l’aumento della frazione di energia prodotta da fonti rinnovabili. Lo scopo di questo lavoro è quello di analizzare il potenziale del sector coupling nell’ambito residenziale in modo da ridurre l’impatto ambientale rispetto a un sistema convenzionale. Esso consiste nell’uso di elettricità proveniente da fonti rinnovabili per il riscaldamento (Power-to-Heat) e il trasporto (Power-to-Mobility), settori che generalmente rappresentano importanti frazioni di emissioni di CO2 in un Paese. Per realizzare questo compito, la richiesta energetica di un’abitazione standard in Germania è stimata, in termini di domanda elettrica, riscaldamento degli ambienti e dell’acqua sanitaria e infine trasporto. Un sistema basato sull’uso di una pompa di calore e veicoli elettrici è implementato e una simulazione annuale, a intervalli orari, è sviluppata grazie all’uso del software Matlab. L’obiettivo è quello di rendere il sistema il più autosufficiente possibile, minimizzando l’elettricità proveniente dalla rete principale, utilizzando invece quella rinnovabile prodotta da pannelli fotovoltaici e una mictro turbina eolica montati sul tetto dell’abitazione. I principali parametri che influenzano la performance del sistema sono analizzati per ottenere la miglior configurazione capace di minimizzare le emissioni di CO2. Infine, un’analisi economica è svolta per determinare la fattibilità del sistema da un punto di vista pratico.