Comprehensive MILP formulation for the optimal investment planning of Aggregated Energy Systems

In the last decades, the international community has agreed to move towards global sustainability and, thus, the energy transition. The so-called Aggregated Energy Systems (AES) represent an opportunity to exploit the synergy among different energy vectors and technologies, satisfying the energy demand more efficiently, ecologically, and economically with respect to traditional energy systems. State-of-the-art approaches for AES optimization predominantly lean on single-year models, which are able to achieve close-to-optimal solutions with a low computational burden. Currently, multi-year models have been developed in order to accomplish more realistic results, accounting for long-term variations such as technology costs, equipment aging, and energy demand. The proposed long-term MILP formulation establishes a multi-stage investment strategy with perfect foresight, extending a single-year formulation that enables redundant system layouts (i.e., multiple units of the same type). It employs proper inter-year linking constraints, includes the possibility of multiple fuel feeding (i.e., co-firing), and moreover distinguishes between modular and non-modular technologies. A sensitivity analysis of a university campus AES design and operation is performed under two environmental regulations (i.e., carbon tax and emissions cap) with respect to a reference case, in which carbon neutrality must be achieved at the end of the time horizon. Results overall show that the pre-existent cogenerative units have been the backbone of the investment decisions process over the years. Modular technologies, such as PV and energy storage, enable a suited installed capacity expansion to satisfy the unmet energy demand at the lowest capital costs. On the other hand, the slots-based structure demonstrates to be a cost-effective solution to achieve environmental limitations by better partial load performance from redundant configurations. Finally, although the emissions cap study case has employed multiple fuels in the system layout, NG shows precedence over H2 in co-firing technologies due to the pronounced gap in their purchasing price. Consequentially, this long-term formulation serves as a tool to describe and analyze more realistic and dynamic designs of an AES that can be employed to test different environmental or techno-economic conditions.

Negli ultimi decenni, la comunità internazionale ha concordato di avanzare verso la sostenibilità globale e, quindi, la transizione energetica. I cosiddetti Sistemi Energetici Aggregati (AES, per il suo acronimo in inglese) rappresentano un'opportunità per sfruttare la sinergia tra diversi vettori energetici e tecnologie, soddisfacendo la domanda di energia in modo più efficiente, ecologico ed economico rispetto ai sistemi energetici tradizionali. Gli approcci all'avanguardia per l'ottimizzazione di AES si basano prevalentemente su modelli di singolo-anno, che sono in grado di ottenere soluzioni quasi ottimali con un basso carico computazionale. Attualmente, sono stati sviluppati modelli pluriennali per ottenere risultati più realistici, tenendo conto delle variazioni a lungo termine come i costi tecnologici, l'invecchiamento delle apparecchiature e la domanda di energia. La formulazione MILP a lungo termine proposta in questo lavoro stabilisce una strategia di investimento in varie fasi con una perfetta previsione, estendendo una formulazione di singolo anno che consente layout di sistema ridondanti (ovvero varie unità dello stesso tipo). La formulazione MILP a lungo termine proposta in questo lavoro stabilisce una strategia di investimento in varie fasi con una perfetta previsione, estendendo una formulazione di singolo anno che consente layout di sistema ridondanti (ovvero varie unità dello stesso tipo). Ciò impiega opportuni vincoli di collegamento inter-anno, include la possibilità di alimentazione multipla del combustibile (cioè co-combustione) e inoltre distingue tra tecnologie modulari e non modulari. Viene eseguita un'analisi di sensibilità della progettazione e del funzionamento di un'AES di un campus universitario in base a due normative ambientali (cioè imposta sull'emissioni di carbonio e tetto massimo delle emissioni) rispetto a un caso di riferimento, in cui la neutralità del carbonio deve essere raggiunta alla fine dell'orizzonte temporale. I risultati complessivi mostrano che le unità cogenerative preesistenti sono state la spina dorsale del processo decisionale di investimento nel corso degli anni. Le tecnologie modulari, come il fotovoltaico e lo stoccaggio di energia, consentono un'adeguata espansione della capacità installata per soddisfare la domanda di energia insoddisfatta con i costi di capitale più bassi. D'altra parte, la struttura basata su slot dimostra di essere una soluzione conveniente per raggiungere i limiti ambientali grazie a migliori prestazioni di carico parziale da configurazioni ridondanti. Infine, sebbene il caso di studio del limite di emissioni abbia utilizzato vari combustibili nel layout del sistema, il GN mostra la precedenza sull'H2 nelle tecnologie di co-combustione a causa della differenza pronunciata nel loro prezzo di acquisto. Di conseguenza, questa formulazione a lungo termine funge da strumento per descrivere e analizzare sistemi energetici più realistici e dinamici che possono essere impiegati per testare diverse condizioni ambientali o tecnico-economiche.