Optimal investment planning for the decarbonization of cities and municipalities to achieve the carbon neutrality target by 2050.

In the context of rapidly changing environment, increasing greenhouse gas emissions and frequent extreme climate events the EU has set ambitious decarbonisation goals to try to limit the adverse effects of climate change, defining a net zero CO2 emissions target to be reached by 2050. Different strategies can be adopted to achieve a greenhouse emissions reduction, as for example the replacement of boilers with heat pumps, the diffusion of renewable sources, the transition from fossil fuels to hydrogen and biogenic fuels, the renovation of old buildings to achieve a thermal demand reduction and the installation of a district heating network (DHN) to recover waste heat from co-generative units. This thesis work, as part of the PRIN 2022 national research project “ECCO 2050”, funded by the MUR, aims at the optimization of the decarbonization strategies for cities and communities, focusing in particular on the case study of Vigolzone, a municipality in the Province of Piacenza in the Italian region of Emilia-Romagna. After a process of electric and thermal demands reconstruction, this community has been modelled as an Aggregated Energy System (AES) and a multi-year MILP-based model was adopted to optimize the design and the operation of the system, in order to determine the best combination of strategies to reduce the GHG emissions of the municipality, at the lowest cost. Some adaptations have been made to the optimization model to accommodate the peculiarities of the system under analysis, namely the possibility to install a DHN and the possibility of operating energy efficiency interventions on buildings. Many cases were evaluated, which differ for technological set, input goods available and environmental regulations (i.e. carbon tax and CO2 emissions cap). Results of the optimization show that reaching carbon neutrality by 2050 is indeed feasible and can also be economically advantageous. Centralized dispatchable generation coupled with PV panels is preferred for electric energy, while decentralized solutions are adopted for thermal energy generation, as the low energy density of the system makes a district heating network inconvenient. In conclusion, this project provides an effective methodology that, with proper adaptations, could be replicated on other realities with similar characteristics with respect to the one considered in this study.

In un contesto di rapido cambiamento climatico, emissioni di gas serra in aumento e frequenti eventi climatici estremi l’UE ha stabilito ambiziosi obiettivi di decarbonizzazione nel tentativo di limitare gli effetti negativi del cambiamento climatico, ponendosi l’obiettivo di raggiungere emissioni nette pari a zero entro il 2050. Diverse strategie possono essere attuate per ridurre le emissioni di gas serra, come per esempio la sostituzione di caldaie con pompe di calore, la diffusione di fonti rinnovabili, la transizione dai combustibili fossili all’idrogeno e biocombustibili, l’efficientamento energetico dei vecchi edifici in modo da ridurre la domanda, o l’installazione di reti di teleriscaldamento per sfruttare il calore prodotto da unità cogenerative. Questo lavoro di tesi, come parte del progetto nazionale di ricerca PRIN 2022, chiamato “ECCO 2050”, finanziato dal MUR, si pone l’obiettivo di ottimizzare la strategia di decarbonizzazione di città e comuni, focalizzandosi in particolare sul caso studio di Vigolzone, un comune in provincia di Piacenza (Emilia-Romagna). Dopo un processo di ricostruzione della domanda elettrica e termica, il sistema è stato modellato come un Aggregated Energy System (AES) e un modello MILP multi-stadio è stato utilizzato per ottimizzare il design e l’operazione del sistema, in modo da determinare la combinazione ottima delle strategie di decarbonizzazione per il comune, minimizzando i costi. Al modello sono state apportate delle modifiche in modo da adattarlo alle peculiarità del caso studio, ossia la possibilità di installare una rete di teleriscaldamento e attuare interventi di efficientamento degli edifici. Sono stati analizzati diversi casi, che differiscono per le tecnologie e i combustibili a disposizione e per le regolamentazioni ambientali adottate (tassa o cap sulle emissioni di CO2). I risultati dell’ottimizzazione mostrano che raggiungere la neutralità carbonica entro il 2050 è effettivamente possibile e può risultare economicamente vantaggioso. Per la produzione di elettricità vengono preferite macchine dispacciabili centralizzate accoppiate con pannelli fotovoltaici, mentre soluzioni decentralizzate vengono adottate per la generazione termica, in quanto la bassa densità energetica del sistema compromette la convenienza delle reti di teleriscaldamento. In conclusione, questo progetto fornisce una metodologia efficace che, con le dovute modifiche, può essere replicata per altre realtà con caratteristiche simili a quella considerata in questo studio.