Flexibility for the Power Grid through District Heating Networks in a Decarbonization scenario

Climate change worsening make experts to call for innovative and unconventional strategies to guarantee a development which should be sustainable. The purpose of this work is to explore the potential of power-to-heat (P2H) electrode boiler (EB) technology to manage the electrical overgeneration of the power grid avoiding a wasting of electricity from variable renewable energy sources (RESs) and in the meanwhile decarbonizing part of the thermal production, which is today very fossil fuel dependent. A very promising system to exploit this potential is the district heating network (DHN). This centralized way to manage heat production and distribution allows cross-sectoral strategies between power grid and thermal users. To evaluate the opportunity to install new capacity of P2H, a modelling approach is adopted which uses a modelling framework to optimize the energy dispatch in a designed energy system. Oemof framework, exploiting solph library as a model generator, is chosen to reach a technological level of detail for DHN description. The competitive relations among technologies to supply a given load demand and the electricity availability due to overgeneration is an interesting combination to assess electrode boilers potential. The analysis is based on scenarios referred to the Italian stated policies in 2019 National Energy and Climate Plan (NECP). The effectiveness of electrode boilers to exploit Italian electrical excess due to more than 75 TWh of solar photovoltaic (PV) annual generation leads to recover around 121 GWh with a minimal decarbonization contribution but still in a minimum total cost configuration of the whole system. The complex competition within the generation mix in large and developed DHNs and the annual distribution of overgeneration mainly in mid-seasons, when thermal demand is not peaky, cause P2H electrode boiler implementation not to fulfil all the available overgeneration. As a general consideration, simple networks with few supplying technologies see a more consistent implementation of electrode boiler than ones characterised by complex thermal generation mix.

L’inasprimento degli effetti imputati al riscaldamento climatico ha portato gli esperti ad agire per cercare soluzioni innovative e non convenzionali per garantire uno sviluppo che sia effettivamente sostenibile. Lo scopo di questo lavoro è esplorare il potenziale della tecnologia power-to-heat (P2H) basati su generatori di vapore ad elettrodi immerso o electrode boilers (EB) per gestire il surplus elettrico dalla rete di trasmissione e distribuzione evitando la perdita di elettricità disponibile da fonti di energia rinnovabile (FER) e al contempo decarbonizzare una parte del settore termico, storicamente dipendente dai combustibili fossili. Le reti di teleriscaldamento appaiono essere promettenti in questo contesto. Esse gestiscono modo centralizzato la produzione e la distribuzione di calore alle utenze e dunque permettono di adottare strategie integrate tra settori. Per valutare il potenziale di installazione di nuova capacità termica da EB, si utilizza un approccio modellistico impostando un problema di ottimizzazione che garantisca il soddisfacimento della domanda energetica. Oemof è un framework di modellazione che sfruttando la libreria solph come generatore di modelli, può garantire il livello di dettaglio tecnologico per l’analisi delle reti di teleriscaldamento. La competizione tra tecnologie di generazione termica e la disponibilità di eccessi elettrici dovuti a un surplus di generazione, spesso rinnovabile, sono un banco prova utile per l’introduzione di generatori di vapore a elettrodi immersi nel mix tecnologico e la valutazione del loro impatto. Le analisi sono state svolte basandosi sullo scenario al 2030 proposto nel Piano nazionale integrato energia e clima (PNIEC). L’efficacia degli EB nello sfruttare un surplus elettrico dovuto principalmente alla generazione solare fotovoltaica di 75 TWh annui si dimostra recuperando circa 121 GWh elettrici. Il contributo alla riduzione di CO2 risulta marginale sebbene la soluzione implementata sia quella che minimizza il costo totale dell’intero sistema. Le complesse relazioni di competizione tra tecnologie per la generazione termica nelle reti di teleriscaldamento maggiormente sviluppate e la distribuzione nell’anno del surplus elettrico, concentrato principalmente nelle mezze stagioni quando la domanda termica non è di picco, frenano lo sfruttamento di capacità P2H e lasciano inutilizza una parte di elettricità in eccesso. In generale, è possibile osservare un’implementazione maggiore di EB in reti con mix di generazione semplici piuttosto che caratterizzati da un’alta competizione tra tecnologie.