Impact assessment of heating, cooling and transport demand electrification in the residential sector : the case of Milan

The city of Milan has recently defined its energy transition strategy through the Air and Climate Plan (PAC), which envisages the objective of a "zero-emission city" by 2050 and a reduction in CO₂ emissions of 45% by 2030 compared to 2005 levels. Therefore, the main objective of this thesis is to model and simulate the future electric load profiles in the residential sector of Milan, aiming to assess the impact of key technologies for electrification such as heat pumps and electric vehicles. To do so, an aggregation of different modeling techniques is adopted. Basic electricity consumption (i.e. thermal and mobility demand excluded) is predicted on an hourly basis using consumption data from household bills, through a top-down approach using the k-nearest neighbors (k-NN) algorithm. Heating and cooling demand is modeled using a bottom-up parametric model, through which a scenario that projects domestic heating demand in Milan until 2050 is implemented, respecting the constraints imposed by the PNIEC. Finally, the impact of electric mobility on domestic consumption in Milan is quantified using a Monte Carlo model that implements scenarios considered more realistic than those envisaged by the PNIEC. The research shows a substantial increase in residential electricity demand, growing from around 1550 GWh in 2024 to around 2300 GWh in 2050. In addition, the results related to individual areas of consumption are also reported, for which the current situation and possible future trends have been studied. The basic consumption curve shows a strong dependence on seasonality and on the number of family members. Regarding the thermal consumption, it is estimated that, with the progressive adoption of heat pumps, it will become the main cause of new and significant peaks in demand during winter season, alongside the already critical peaks of summer cooling. The evolution of consumption linked to domestic charging of electric vehicles will prove increasingly relevant over the years in the context of urban electrification, becoming less and less negligible compared to basic consumption.

La città di Milano ha recentemente definito la propria strategia di transizione energetica attraverso il Piano Aria e Clima (PAC), che prevede l'obiettivo di una “città a emissioni zero” entro il 2050 e una riduzione delle emissioni di CO₂ del 45% entro il 2030 rispetto ai livelli del 2005. Pertanto, l'obiettivo principale di questa tesi è quello di modellare e simulare i futuri profili di carico elettrico nel settore residenziale di Milano, valutando l'impatto delle tecnologie chiave per l'elettrificazione, come le pompe di calore e i veicoli elettrici. A tal fine, viene adottata un'aggregazione di diverse tecniche di modellizzazione. Il consumo elettrico di base (esclusa la domanda termica e di mobilità) viene calcolato su base oraria utilizzando i dati di consumo delle bollette domestiche, attraverso un approccio top-down che utilizza l'algoritmo k-nearest neighbors (k-NN). La domanda di riscaldamento e raffreddamento viene quantificata utilizzando un modello a parametri concentrati, attraverso il quale viene implementato uno scenario che proietta la domanda termica domestica a Milano fino al 2050, rispettando i vincoli imposti dal PNIEC. Infine, l'impatto della mobilità elettrica sul consumo domestico a Milano viene quantificato utilizzando un modello Monte Carlo che implementa scenari considerati più realistici di quelli previsti dal PNIEC. Lo studio mostra un aumento sostanziale della domanda di elettricità residenziale, che passerà da circa 1550 GWh nel 2024 a circa 2300 GWh nel 2050. Inoltre, vengono riportati anche i risultati relativi alle singole aree di consumo, per le quali sono descritti lo stato attuale e le possibili evoluzioni future. La curva di consumo di base mostra una forte dipendenza dalla stagionalità e dal numero dei componenti del nucleo familiare. Riguardo il consumo termico, con la progressiva diffusione delle pompe di calore, esso diventerà la causa principale di nuovi e significativi picchi di domanda durante la stagione invernale, che si aggiungeranno ai picchi già critici del raffrescamento estivo. L'evoluzione dei consumi legati alla ricarica domestica dei veicoli elettrici assumerà un'importanza crescente nel corso degli anni nel contesto dell'elettrificazione urbana, diventando sempre meno trascurabile rispetto al consumo di base.