Modelling of an urban quarter to identify possible decarbonization pathways

The European Union has set the ambitious goal of achieving Carbon Neutrality in 2050. To do this, each European nation has set out its own policies. Germany, with its latest EEG law (2022), has decided to accelerate this path, opting for zero net CO2 emissions by 2045 and for 80% penetration of renewable resources in electricity production by 2030. But what impact will this change have in the urban context? This study presents a way of describing the urban context by taking into account the energy demand and production of particular buildings. The fundamental tool used in this study is the FOCUS-model (Framework for Optimising sector-Coupled Urban energy Systems) developed at the ISEA RWTH Aachen University. Additionally, a clustering-based algorithm is designed to identify urban quarters, sets of buildings connected to the same low- to medium-voltage transformer. The number of buildings per quarter is optimised by taking into account the location of the buildings and the size of the transformer. Using these tools and using data from the city of Aachen, this study analyses the impact of the deployment of three components. Photovoltaic panels, capable of exploiting the solar resource in a cost-effective and versatile way in cities. Heat pumps, capable of decreasing fossil fuel consumption to meet thermal demand by using electricity. Batteries, installed together with photovoltaic panels, capable of compensating for the gaps between electricity production and demand. The impact of these components is analysed for three scenarios representing the years 2019, 2022, and 2030. The results are examined following a top-down approach, starting with the impact on the city and proceeding with the specific buildings. At the city level, the average annual growth in photovoltaic panel installation from 2023 to 2030 will have to be slightly less than double the average annual growth between 2019 and 2022. After defining the quarters by means of the algorithm, their electricity demand is calculated by summing up the residual demand of individual buildings. The increased use of heat pumps and photovoltaic panels in 2030 results in a 6% rise in yearly electricity demand compared to 2019. In addition to this approach, the application of the energy community model is also analysed. This is applied to large-scale residential districts. Since the application of the energy community model involves the use of dynamic energy pricing, it is emphasized that the energy community approach will generate no significant economic benefits in 2022. On the contrary, if the same quarter is analysed in 2030, with a plausible increase of the three aforementioned components, it is noted that there are major advantages in terms of emissions and self-consumption. Furthermore, the examined energy community will feed electricity into the grid for 3% of the annual hours (a total of 269 hours). In conclusion, the increased presence of heat pumps causes an inevitable rise in the electricity demand of individual buildings, but this will be partly or fully offset by production from photovoltaic panels. This energy transition, which will affect German cities until 2030, will not lead to a significant increase in the energy demand for quarters. Furthermore, if the energy community approach becomes widespread, there will be considerable benefits both in terms of emissions reduction and energy demand.

L’Unione Europea si è posta l’obiettivo ambizioso di annullare le emissioni nette di CO2 entro il 2050. Per far questo ogni nazione europea ha delineato delle politiche proprie. La Germania, con l’ultima la legge EEG (2022) ha deciso di accelerare questo percorso, decidendo di raggiungere la neutralità climatica nel 2045 e di ottenere l’80% di penetrazione delle risorse rinnovabili nella produzione di elettricità entro il 2030. Ma, quale impatto avrà questo cambiamento nel contesto urbano? Per rispondere a questa domanda, questo lavoro delinea un metodo per poter rappresentare il contesto urbano, considerando la produzione e la domanda di energia dei singoli edifici. Lo strumento fondamentale utilizzato in questo studio è il FOCUS-model (Framework for Optimizing sector-Coupled Urban energy Systems) sviluppato presso l’ISEA RWTH Aachen University. Inoltre, viene definito un algoritmo basato sulla tecnica del clustering, per poter definire i quartieri urbani. I quartieri sono definiti come un insieme di edifici collegati allo stesso trasformatore di bassa-media tensione. Il numero di edifici per quartiere è ottimizzato tenendo conto della loro posizione e della dimensione del trasformatore selezionato per quel determinato quartiere. Sfruttando questi strumenti e utilizzando i dati della città di Aachen, questo studio analizza l’impatto della diffusione di tre componenti. I panelli fotovoltaici, capaci di sfruttare la risorsa solare in modo versatile ed economico nelle città. Le pompe di calore, in grado di diminuire il consumo di combustibili fossili per rispondere alla domanda termica, sfruttando l’elettricità. Le batterie, installate insieme ai panelli fotovoltaici, utilizzate per compensare il divario tra produzione e domanda di elettricità. L’impatto di questi componenti è stato analizzato per tre scenari che rappresentano l’anno 2019, 2022 e 2030. I risultati sono analizzati seguendo un approccio top-down, partendo dall’impatto sulla città fino a concentrarsi sul singolo edificio. A livello di città, si nota che il numero di panelli fotovoltaici che dovranno essere in media installati annualmente nel periodo tra il 2023 e il 2030, dovrà essere poco meno del doppio rispetto a quanto registrato tra il 2019 e il 2022. Dopo aver definito i quartieri tramite l’algoritmo, si è analizzata la loro domanda di elettricità, sommando la domanda residua dei singoli edifici. Si nota come l’incremento di pompe di calore e panelli fotovoltaici nel 2030 porti ad un aumento della domanda di elettricità annua rispetto al 2019 al massimo del 6%. Oltre a questo approccio, viene analizzata anche l’applicazione del modello di comunità energetica nel caso di quartieri residenziali di dimensioni significative. Poiché l’applicazione del modello di comunità energetica considera l’utilizzo del prezzo variabile dell’energia, si nota come nel 2022 siano stati registrati grossi vantaggi dal punto di vista economico. Se invece si confronta lo stesso quartiere nel 2030, anno per il quale è previsto un aumento sostanziale dei tre componenti precedentemente menzionati, si evince una riduzione significativa delle emissioni. Inoltre, si nota che durante il 3% delle ore annue (totale di 269 ore), la comunità energetica analizzata è in grado di immettere energia sulla rete, ricavando da ciò un profitto. In conclusione, l’aumento della presenza di pompe di calore provocherà un inevitabile aumento della domanda elettrica dei singoli edifici. Ciò verrà, però, compensato in parte o del tutto dalla produzione da panelli fotovoltaici. Questa transizione energetica, che riguarderà le città in Germania fino al 2030, provocherà un minimo aumento della domanda energetica dei quartieri. Inoltre, se l'approccio di comunità energetica verrà adottato in modo più diffuso, si avranno notevoli benefici sia in termini di riduzione di emissioni che di domanda energetica.