Dynamic analysis of the Italian gas distribution network

Natural gas is an essential part of the European and Italian energy mix. This is also not changing in the nearby future as it plays an essential role in the stabilization of the energy supply due to its storability. Therefore the gas distribution network must be operated efficiently and reliably. The grid could also be used in the future for transporting Hydrogen, resulting a key infrastructure on the long term. In Italy, SNAM is the company operating the national gas distribution network. Up to now the control of the compressors in the network is done by an heuristic approach by SNAM operators. This is not the most efficient way and therefore automated, optimized control approaches could be introduced. In academia there were already different optimization approaches developed to tackle this problem, but they were just practical for small academic examples. For real cases, like the one studied in this thesis, the existing methods may not be practical. The target of this thesis is to create methods to be able to analyze the dynamics of gas distribution networks to extract knowledge about their behavior. It can be used to simplify the optimization problem. This is done for the example of the Italian network, but the developed methods can be applied to all gas distribution networks. In this work, the Modelica model from a previous thesis is linearized around a real measured working point, provided by SNAM. This model is then analyzed in frequency and time domain and geographical maps are created to show its behavior combined with its spatial information. These maps show how the pressures distribute after changing the speed of the compressors. With these maps, physical information is extracted which can be used to formulate simplified optimization problems. The obtained results give an important contribution to transfer the academic knowledge of gas network optimization to real industrial applications. With the developed methods, new configurations and scenarios can be easily analyzed. It is a starting point for the formulation of an optimization problem for a practicable, automated and optimized operation of the Italian gas distribution network.

Il gas naturale è una parte essenziale del mix energetico europeo e italiano. Anche nel prossimo futuro giocherà un ruolo essenziale nella stabilizzazione dell'approvvigionamento energetico grazie alla possibilità di accumularlo in siti di stoccaggio. Pertanto la rete di distribuzione del gas deve essere gestita in modo efficiente e affidabile. La stessa rete potrebbe essere utilizzata in futuro anche per il trasporto dell'idrogeno, risultando un'infrastruttura chiave nel lungo periodo. In Italia, SNAM è la società che gestisce la rete nazionale di distribuzione del gas. Fino ad ora il controllo dei compressori nella rete è condotto con un approccio euristico dagli operatori di SNAM. Questo non è il modo più efficiente e quindi potrebbero essere introdotti approcci di controllo automatizzati e ottimizzati. Nel mondo accademico sono già stati sviluppati diversi approcci di ottimizzazione applicati a questo tipo di problemi, ma essi risultano efficaci solo per piccoli esempi accademici. Per casi reali, come quello studiato in questa tesi, i metodi già esistenti potrebbero non essere pratici. L'obiettivo di questa tesi è quello di creare metodi per analizzare la dinamica delle reti di distribuzione del gas in modo da ricavare informazioni sul loro comportamento. Può essere utilizzato per semplificare il problema di ottimizzazione. L'analisi è eseguita sulla rete italiana, ma i metodi sviluppati possono essere applicati a tutte le reti di distribuzione del gas. In questo lavoro, il modello Modelica di una tesi precedente è linearizzato attorno ad un punto di lavoro reale misurato, fornito da SNAM. Il modello è poi analizzato nel dominio della frequenza e del tempo e vengono create delle mappe geografiche per mostrare il suo comportamento combinato con le informazioni spaziali della stessa. Queste mappe mostrano come le pressioni si distribuiscono dopo aver cambiato la velocità dei compressori. Grazie a queste mappe, sono estratte informazioni che possono essere utilizzate per formulare problemi di ottimizzazione semplificati. I risultati ottenuti forniscono un importante contributo per trasferire la conoscenza accademica dell'ottimizzazione delle reti di gas ad applicazioni industriali reali. Con i metodi sviluppati, nuovi scenari e configurazioni potranno essere facilmente analizzati. Questo è un punto di partenza per la formulazione di un problema di ottimizzazione per un funzionamento automatizzato e ottimizzato della rete di distribuzione del gas italiana.