Synergy between buildings and the power system

Efforts to reduce energy consumption and increase renewable energy use have long been a priority. In the residential sector, electrification by heat pump can be applied to use more renewable energy sources. However, while heat pumps facilitate renewable energy use, the intermittency and non-dispatchability of these sources create challenges in reliably meeting heating demand, especially in winter when energy needs are highest. The aim of the thesis is to define a "Thermal Smart House" model capable of storing thermal energy during the hours when the house is unoccupied, to shift the peak demand to the middle hours of the day, i.e. when there is greater availability of energy from low-cost renewable sources, and then evaluate its benefits on the perspective of the Italian energy system. The work focuses on how the building envelope can act as a thermal storage system, retaining and releasing heat in response to the thermal demand, accounting for losses through the envelope. The analysis begins by designing the "Thermal Smart House" model, focusing on its storage component, which represents the heat stored during economically advantageous periods, ensuring that comfort levels for occupants are maintained. To be able to assess the flexibility of the network at national level, it has been conducted a regional data analysis on building types and characteristics, family types and habits to define the Italian thermal demand profiles. Then, the "Thermal Smart House" and the thermal profiles are inserted into a pre-existing model of the Italian energy system, called NEMeSI. Before directly integrating of the "Thermal Smart House" into the Italian energy system model, a calibration step is performed, by a developed model called “126 Houses Model”, to reduce errors arising from the need to aggregate various demand inputs. The aggregation and calibration steps are essential due to the high computational complexity of the Italian energy system model, which cannot manage a high number of regional demand profiles within an acceptable time. Through the national model, this thesis proposes a plausible electrification scenario for 2030 in alignment with Fit-For-55 standards, to define the technical-economic advantages of the "Thermal Smart House" inside the national energy system.

Ridurre il consumo energetico e aumentare l'uso di energia rinnovabile sono da tempo una priorità. Nel settore residenziale, l'elettrificazione tramite pompe di calore consente un maggiore impiego di fonti rinnovabili. Tuttavia, l'intermittenza di queste fonti crea problemi nel soddisfare la domanda di riscaldamento, soprattutto in inverno. Questa tesi propone un modello, "Thermal Smart House", in grado di accumulare energia termica nelle ore in cui la casa è vuota, spostando il picco di domanda nelle ore centrali della giornata, quando è disponibile più energia rinnovabile a basso costo, e quindi valutarne i benefici dal punto di vista del sistema energetico italiano. Il lavoro si concentra su come l'involucro dell'edificio possa agire come un sistema di accumulo termico, trattenendo e rilasciando il calore in risposta alla domanda termica. L'analisi inizia con la progettazione del modello "Thermal Smart House", concentrandosi sulla sua componente di accumulo, che rappresenta il calore immagazzinato durante i periodi economicamente vantaggiosi, garantendo il mantenimento dei livelli di comfort per gli occupanti. Per valutare la flessibilità della rete a livello nazionale, è stata condotta un'analisi dei dati regionali sulle tipologie e le caratteristiche degli edifici, le tipologie e le abitudini delle famiglie per definire il profilo della domanda termica italiana. La "Thermal Smart House" e i profili termici sono stati poi inseriti in un modello pre-esistente del sistema energetico italiano, denominato NEMeSI. Prima dell'integrazione della "Thermal Smart House" nel modello del sistema energetico italiano, viene eseguita una fase di calibrazione, con il "Modello 126 Case", per ridurre gli errori derivanti dalla necessità di aggregare i vari input di domanda. Le fasi di aggregazione e calibrazione sono essenziali a causa dell'elevata complessità computazionale del modello di sistema energetico italiano, che non può gestire un numero elevato di profili di domanda regionale in un tempo accettabile. Attraverso il modello nazionale, questa tesi propone uno scenario di elettrificazione per il 2030 in linea con gli standard Fit-For-55, per definire i vantaggi tecnico-economici della "Thermal Smart House" all'interno del sistema energetico nazionale.