A minimum-cost optimization model to define the dispatch strategy of waste heat and renewable energy through District Heating, in real urban contexts and in future-oriented scenarios

This doctoral research presents an open-source model to optimize the dispatch strategy of renewable energy and waste heat over an actual urban area using district heating (DH) systems, whose potential is assessed in competition with individual heating sources. Based on a georeferenced graph connecting energy sources and heat demand points, the model identifies the optimal heat dispatch strategy and the optimal configuration of district heating networks with the aim to decarbonize the energy system of cities at minimum cost. The tool is based on the open-source python framework oemof.solph which solves a linear programming problem over a network that is built according to the local conditions of the real urban contexts. The model, called DH-NODE, contributes to filling an identified gap when addressing DH potential assessment, that is the loss of modelling details when increasing the scale of the analysis. Indeed, one of the strengths of the model is that it performs DH planning over a quite extended area with a high spatial resolution and without threshold values assumed a priori. In the end, DH technical and economic potential can be assessed for a single waste heat source or considering the combination of multiple sources in a certain area. The application of the model with both the perspectives led to i) the creation of an atlas of industrial waste heat recovery potential in Italy, and to ii) the definition of the technological mix supplying heat into the minimum cost DH network of a city located in Northern Italy, in compliance with the emission targets recently imposed by the European Commission. These policies have set ambitious targets for energy efficiency and emissions reduction, emphasizing the need for new efficient district heating systems or the modernization of existing networks, which must be completely decarbonized and 100% based on renewable energy sources by 2050.

Questa ricerca di dottorato presenta un modello open-source per ottimizzare la strategia di distribuzione del calore proveniente da fonti rinnovabili e del calore di scarto su un’area urbana reale, utilizzando sistemi di teleriscaldamento (DH) il cui potenziale viene valutato in competizione con fonti di riscaldamento individuali. Basandosi su un grafo georeferenziato che collega le fonti energetiche ai punti di domanda di calore, il modello identifica la strategia ottimale di distribuzione del calore e la configurazione ottimale delle reti di teleriscaldamento, con l’obiettivo di decarbonizzare il sistema energetico delle città al minimo costo complessivo per il sistema. Lo strumento si basa sul framework open-source sviluppato in Python, chiamato oemof.solph, che risolve un problema di programmazione lineare a partire da una rete costruita secondo le condizioni locali dei contesti urbani reali considerati. Il modello, denominato DH-NODE, contribuisce a colmare una lacuna identificata nella valutazione del potenziale di reti di teleriscaldamento, ovvero la perdita di dettaglio nella modellazione di tali sistemi all’aumentare della scala dell’analisi. Infatti, uno dei punti di forza del modello è la capacità di pianificare il teleriscaldamento su un’area piuttosto estesa, mantenendo un’elevata risoluzione spaziale e senza valori soglia assunti a priori. In definitiva, il modello permette di valutare il potenziale tecnico-economico del teleriscaldamento per una singola fonte di calore di scarto oppure considerando la combinazione di più fonti in una determinata area. L’applicazione del modello da entrambe le prospettive ha portato i) alla creazione di un atlante del potenziale di recupero del calore di scarto industriale in Italia e ii) alla definizione del mix tecnologico ottimale che possa alimentare la rete di teleriscaldamento in un comune del nord Italia in uno scenario di minimo costo attuale e futuro, in conformità con gli obiettivi di decarbonizzazione e i limiti emissivi recentemente imposti dalla Commissione Europea. Difatti, queste politiche hanno fissato obiettivi ambiziosi in materia di efficienza energetica e riduzione delle emissioni, sottolineando la necessità di nuovi sistemi di teleriscaldamento efficienti o della modernizzazione delle reti esistenti, che entro il 2050 dovranno essere completamente decarbonizzate e basate al 100% su fonti di energia rinnovabile.