Refinement of 20-regions Italian energy model and development of power-to-heat scenarios

The residential sector in Europe constitutes the 27 % of total final energy consumption, with space heating and water heating that take the lion’s share, accounting for the 78 % of total. The implementation of effective and valuable policies towards the decarbonization of heating sector is, as a matter of fact, a crucial aspect in order to fulfil the ambitious climate mitigation goals imposed by COP 21. This study tries to address this issue by providing information and insight that could demonstrate the significant potentiality of heat-electricity integration in the residential heating sector. In order to achieve this goal, after a refinement of base 20-region Italian energy system model, two P2H scenarios are generated. The Calliope modelling framework used here, represents a fundamental tool in order to supply accurate and detailed scenarios. First scenario regards the introduction of P2H technologies in the current configuration of the power system, while the second scenario examines the P2H configuration in an energy system with a higher penetration of renewable energy sources. P2H configuration consists in the substitution of traditional heating technologies with highly efficient Heat Pumps. The operational functioning of P2H technologies introduced in the system is analysed through graphical comparison aiming to detect possible correlation and operational-relevant behaviours. The overall impact, instead, is evaluated in terms of ramping costs and TPES, with a further investigation on electric curtailment for the second scenario. Finally, a sensitivity analysis has been performed on a critical parameter of the model. The results obtained confirm the deep decarbonization potentiality of heat-electricity integration. In particular the outcome of the second scenario stresses the enormous advantages that P2H configuration could gain from a renewable capacity expansion, entailing a more efficient conversion and a better exploitation of thermal storage. Furthermore, the energy system obtained by the deployment of P2H technologies, experiences a significant reduction of electric curtailment all over the country. All these evidences together emphasize the deep decarbonization potentiality of heat-electricity integration and its cruciality in order to underpin the transition towards a zero-emission energy system.

Il settore residenziale costituisce il 27 % del totale dei consumi energetici finali in Europa, ed è composto in prevalenza dal riscaldamento e dall’acqua calda sanitaria, i quali più precisamente rappresentano il 78 % del totale. L’implementazione di politiche efficaci e incisive per una decarbonizzazione di questo settore è quindi cruciale al fine di soddisfare gli ambiziosi obiettivi imposti dalla conferenza di Parigi. Questo lavoro si pone l’intento di fornire strumenti che possano dimostrare l’enorme potenzialità di un’integrazione tra il settore elettrico e il settore del riscaldamento in ambito residenziale. Allo scopo di raggiungere quest’obiettivo, in seguito ad un affinamento del modello del sistema energetico italiano a multiplo nodo, due scenari P2H vengono generati. Lo strumento di modellazione energetica usato, Calliope, rappresenta un elemento fondamentale per garantire scenari accurati e dettagliati. Una configurazione P2H consiste nella sostituzione delle tradizionali tecnologie di riscaldamento con efficienti pompe di calore, corredate sempre da strumenti atti allo stoccaggio. Il primo scenario riguarda l’introduzione di queste nuove tecnologie in un sistema avente l’attuale configurazione, mentre il secondo scenario esamina l’integrazione P2H in un sistema avente un’alta penetrazione di fonti di energia rinnovabile. Il funzionamento operativo delle tecnologie introdotte viene analizzato attraverso confronti grafici con l’intento di rilevare possibili correlazioni e fenomeni rilevanti a livello operativo. Al contrario, l’impatto sul sistema complessivo viene valutato in termini di costi e energia primaria risparmiata dal sistema. Il secondo scenario, in seguito all’espansione delle fonti rinnovabili, presenta un ulteriore fenomeno legato alla decurtazione elettrica, che viene investigata qui con particolare attenzione. Infine, un’analisi di sensibilità viene eseguita su uno dei parametri più critici del modello. I risultati ottenuti confermano il notevole potenziale di decarbonizzazione dell’integrazione tra settore elettrico e settore del riscaldamento. In particolare, gli output del secondo scenario, mettono in evidenza gli enormi vantaggi che una configurazione P2H può trarre dall’espansione della capacità delle fonti di energia rinnovabili. Un mix energetico con un’alta penetrazione di fonti rinnovabili, infatti, garantisce una più efficiente conversione ed un miglior sfruttamento dello stoccaggio termico, assicurando in sintesi un’integrazione notevolmente più efficace. Inoltre, si può notare una significativa riduzione della decurtazione elettrica grazie all’introduzione delle nuove tecnologie P2H. I benefici ottenuti in seguito all’introduzione di queste tecnologie sono quindi tangibili sotto qualsiasi aspetto. Tutte queste evidenze enfatizzano l’efficacia di un eventuale integrazione tra settore elettrico e settore del riscaldamento ai fini della decarbonizzazione del riscaldamento residenziale. Questo approccio si rivela dunque un fondamento essenziale per sostenere la transizione verso un sistema energetico a zero emissioni.