A GIS-based approach to assessing the impact of the decarbonization of the heating sector on the electrical distribution networks

The aim of this work of thesis is to evaluate the impact of the decarbonization of the heating sector on the energy networks in the city of Milan. The first part of the work focuses on the current situation of the energy networks and of the heating sector of Milan. Then, following the review of the scientific literature, the energy requirements for the space heating demand are defined. The second part of the work presents the definition of a mathematical optimization model designed to determine a plan for the replacement of the existing boilers. The model is implemented using Pyomo, a Python-based open-source optimization modelling language. It determines the connections of the heating systems to the energy networks with the goal of minimizing the CO_2 emissions, while taking into account the constraints of the networks and the costs for the new connections. The results of the model are used to assess the impact on the energy networks, especially on the electricity grid. The new annual energy profiles of the secondary substations and the feeders are evaluated. Then, the effects of energy efficiency measures applied to the buildings are described. The area of Città Studi is chosen as case study. QGIS, an open-source geographic information system, is used to deal with spatial data such as the location of the existing thermal generators and the topology of the energy networks of the case study. Finally, the thesis presents the benefits that the flexibility of heating demand can have on the operation of the electricity network. It is shown the ability of electric heat pumps to provide services to the electricity grid when coupled with thermal energy storages.

Questa tesi si pone l’obiettivo di valutare l’impatto della decarbonizzazione del settore del riscaldamento sulle reti di distribuzione della città di Milano. La prima parte del lavoro introduce l’attuale situazione delle reti energetiche e del settore del riscaldamento degli edifici di Milano. Successivamente vengono definiti i fabbisogni energetici di tali edifici Nel lavoro di tesi è stato definito un modello matematico di ottimizzazione per determinare un piano di sostituzione degli impianti di riscaldamento di Milano. Il modello, sviluppato usando Pyomo, un linguaggio di modellizzazione di ottimizzazione open source basato su Python, determina le connessioni dei nuovi impianti alle reti energetiche e i relativi costi, con l’obiettivo di minimizzare le emissioni di CO_2. I risultati sono stati usati per valutare l’impatto sulle reti energetiche, specialmente sulla rete elettrica. In particolare, sono stati analizzati i nuovi profili di carico delle cabine secondarie e dei feeders. Si è scelto di studiare nel dettaglio l’area di Città Studi. Per localizzare gli impianti di riscaldamento e le reti energetiche da analizzare è stato utilizzato QGIS, un Sistema di Informazione Geografica open source che permette di visualizzare, analizzare e rappresentare dati spaziali. Successivamente sono stati descritti gli effetti che le misure di efficientamento energetico degli edifici possono avere sul sistema energetico. In conclusione vengono presentati i benefici che la flessibilità della domanda di energia termica può avere sul funzionamento della rete elettrica. Viene mostrata la capacità delle pompe di calore elettriche abbinate a sistemi di accumulo di fornire servizi alla rete elettrica.