Dr. Gerhard TOTSCHNIG, Dr. Demet SUNA
AIT Austrian Institute of Technology GmbH, Giefinggasse 2 1210 Vienna/Austria T: +43 664 88335436, E-Mail: gerhard.totschnig@ait.ac.at, W: www.ait.ac.at
Introduzione
Nell’ambito del progetto H2020 REACT viene analizzato il potenziale di adattare in modo flessibile il consumo di elettricità di tipici edifici residenziali con pompe di calore ad aria nelle Isole Aran cercando di focalizzare il consumo di elettricità alle ore in cui è vantaggioso per il sistema elettrico dell’isola. Ciò significa consumare energia quando è disponibile e meno costosa, ed evitare il consumo di elettricità quando la fornitura è scarsa ed ha un costo maggiore . I risultati di questa analisi mostrano che in media il 35% della domanda di elettricità potrebbe essere spostata in momenti di abbondanza di energia e si potrebbe risparmiare il 32% dei costi di elettricità. Tuttavia, per essere in grado di far funzionare tutti i sistemi in modo economico sono necessarie tariffe flessibili per gli utenti finali, in modo che questi ultimi possano reagire alle variazioni di disponibilità e prezzo.
Contesto e approccio
Le isole Aran sono un gruppo di tre piccole isole culturalmente significative al largo della costa occidentale dell’Irlanda, nella baia di Galway con una storia importante che risale a migliaia di anni fa. Più del 75% del territorio è designato come ‘‘Zona di Protezione Speciale’’ dove lo sviluppo è limitato. La topografia è dominata dal calcare carsico, dai muri a secco e da scogliere rivolte a sud/ovest. Le isole sono famose per le loro tipiche case in pietra, molto esposte ai venti prevalenti da ovest/sud-ovest. L’attività principale delle isole è il turismo e la popolazione media raddoppia durante i mesi estivi. Lo scopo dell’analisi è quello di stimare il potenziale di flessibilità di tipici edifici residenziali con pompe di calore ad aria alle isole Aran e con il variare del prezzo dell’elettricità ogni ora.
Dalla figura 1 si può vedere che quasi tutte le famiglie di Inis Mór abitano in una casa familiare/bungalow mentre non sono presenti molti appartamenti. L’86% delle famiglie utilizzano riscaldamento a combustibili fossili (petrolio, carbone, torba, vedi Figura 1, vedi [2,3,4,5]) e il 50% delle case è stato costruito prima del 1970 (vedi tabella 1, vedi [2,3,4,5]).
In una prima fase, gli edifici e i cluster chiave sono stati scelti (Figura 2) sulla base di un sistema di punteggio che coinvolge vari criteri tecnici, comunitari ed economici.
Strumento e metodologia di pianificazione
Si presume che gli edifici residenziali potranno beneficiare di un prezzo orario dell’elettricità variabile, come definito dal mercato irlandese del giorno prima. Poiché i prezzi dell’elettricità del giorno prima sono fissati il giorno precedente, le pompe di calore elettriche possono essere ottimizzate in modo tale da consumare elettricità nelle ore che hanno un costo inferiore.
Dalla Figura 3 si può vedere che in Irlanda ci sono forti variazioni giornaliere dei prezzi dell’elettricità. Facendo funzionare le pompe di calore secondo i segnali del mercato, le famiglie possono risparmiare e adottare un comportamento favorevole alla domanda di elettricità. Consumando ad orari diversi al di fuori degli orari di punta che hanno un prezzo più elevato si appiana la curva di domanda, evitando così i picchi di domanda sfavorevoli alla rete.
Modello a risoluzione temporale variabile
Per l’analisi è stato simulato un insieme di edifici tipici dotati di pompe di calore ad aria e di accumulatori termici. La flessibilità media sul lato della domanda e i risparmi sui costi degli edifici a pompa di calore sono stati analizzati sviluppando un modello di ottimizzazione. Per catturare realisticamente il fabbisogno energetico, è stato sviluppato un modello con risoluzione temporale variabile.
Nei periodi con consumo di acqua calda, il modello ha una risoluzione temporale di 1 minuto. Nei periodi senza consumo di acqua calda, la risoluzione temporale per il riscaldamento e la ricarica del serbatoio d’acqua calda è di 1 ora. Di conseguenza, l’anno è ottimizzato con 42.000 passi temporali. La base del modello è un modello fisico di diversi edifici residenziali e dei loro sistemi di riscaldamento, che descrive le loro proprietà termiche, i guadagni interni, i guadagni solari e le perdite di riscaldamento. Nella simulazione sono stati utilizzati i dati di radiazione solare e di temperatura[1] delle Isole Aran nell’anno 2016.
Modello delle Pompe di Calore
Le prestazioni delle pompe di calore dipendono fortemente dalla temperatura della fonte di calore e dalla temperatura della fornitura di calore. Per i siti dimostrativi sono state considerate delle pompe di calore ad aria che hanno costi d’investimento piuttosto bassi e possono essere standardizzate. La fonte di calore è l’aria esterna, da cui viene estratto il calore. Il coefficiente di prestazione (COP) descrive la potenza termica fornita dalla pompa di calore in relazione all’elettricità consumata:
Produzione termica in uscita = Contributo elettrico in entrata * COP
Per gli edifici del sito dimostrativo, il calore estratto dall’aria ambiente è convertito dalla pompa di calore in temperature più elevate di acqua calda fornita ai radiatori di riscaldamento montati a parete. Il fattore di prestazione COP della pompa di calore dipende fortemente dalla temperatura dell’aria esterna e dalla temperatura di mandata dei radiatori.
Le temperature dell’aria esterna alle isole Aran variano per la maggior parte del tempo tra i 5 e i 10 °C in inverno (Figura 5). Un ambiente con tali temperature è molto propizio alle pompe di calore ad aria.
Limiti dei Radiatori
La potenza termica massima che i radiatori per il riscaldamento possono fornire alla stanza dipende fortemente dalla temperatura di mandata [2]. I radiatori perdono fortemente la loro capacità di fornire il calore a temperature di mandata più basse (Figura 6).
D’altra parte, le pompe di calore diventano più efficienti (COP più alto) a temperature di mandata più basse e hanno una maggiore potenza termica massima di uscita.
Cambio intelligente della modalità delle pompe di calore
Poiché alte temperature di mandata portano a bassi valori di COP e scarsa efficienza elettrica della pompa di calore ad aria, il controllo della pompa di calore nella simulazione può cambiare/ottimizzare la temperatura di mandata per i radiatori a seconda delle esigenze di riscaldamento e dei prezzi della potenza in salti di 10 °C (40°C, 50°C, 60°C, 70°C) illustrati nella Figura 7. Oltre al riscaldamento, la pompa di calore può anche riscaldare i serbatoi d’acqua calda e fornire direttamente acqua calda sanitaria.
La figura 8 mostra la fornitura di calore e le diverse temperature di mandata durante l’anno 2016 . Si può vedere che la temperatura di mandata varia spesso durante l’anno Questo è il risultato dello scenario di minimizzazione dei costi per la casa 1 (vedi definizione sotto). I diversi livelli di potenza di riscaldamento fornita (heat supply) dipendono dai limiti del radiatore alla data temperatura di fornitura.
Scenari simulati
Per i sette edifici delle isole Aran elencati nella tabella 2 sono state condotte delle ottimizzazioni. Due scenari vengono confrontati per analizzare quanta flessibilità della domanda di energia elettrica e quanti risparmi sui costi possono essere generati dal funzionamento ottimale degli edifici residenziali dotati di pompe di calore ad aria. Per decidere il momento ottimale per l’attivazione delle pompe di calore è stato usato il prezzo del mercato a breve termine (prezzo spot) irlandese.
Gli scenari:
- Minimizzare i costi: Si suppone che le pompe di calore considerino come prezzi dell’ elettricità i prezzi a breve termine del mercato irlandese del 2016. Il modello può adattare le temperature di mandata del calore tra 40-70 °C a ogni passo di simulazione. La simulazione cerca di minimizzare i costi dell’elettricità. La temperatura all’interno dell’abitazione è mantenuta entro ±0,5 °C rispetto alla temperatura richiesta durante la stagione di riscaldamento. La temperatura all’interno dell’abitazione non è limitata in estate.
- Scenario di riferimento: Il modello considera un prezzo costante dell’elettricità pari a 30 EUR/MWh. La temperatura di mandata del calore è costantemente a 60 °C durante l’anno. Il modello cerca di ridurre il consumo di elettricità. La temperatura all’interno dell’abitazione è mantenuta entro ±0.5 °C dal rispetto alla temperatura richiesta durante la stagione di riscaldamento. Non c’è un limite di temperatura all’interno dell’abitazione in estate.
Risultati
Su tutti gli edifici analizzati i costi dell’elettricità simulati nello scenario di minimizzazione dei costi si sono ridotti in media del -32% e la domanda di elettricità è diminuita del 16%. Questo perché nella simulazione dello scenario “minimizzazione dei costi” la pompa di calore regola la temperatura di mandata al minimo richiesto e riscalda di preferenza quando i prezzi dell’elettricità sono bassi.Nello “scenario di riferimento” invece la temperatura di mandata è costantemente a 60°C senza alcuna ottimizzazione sofisticata. Circa il 35% del carico in media può essere spostato ad orari diversi per sfruttare i prezzi più bassi dell’elettricità.
Conclusioni
Il progetto REACT mira a raggiungere il 100% di autonomia energetica per le isole, il che richiede un’importante adozione di sistemi a fonti di energia rinnovabile. Poiché il potenziale delle fonti di calore da rinnovabili, come il solare termico e il biometano, è limitato nelle isole Aran, si stima che tutta la fornitura di calore da combustibili fossili sarà sostituita da pompe di calore. Secondo le simulazioni fatte per i tipici edifici residenziali con pompe di calore ad aria alle isole Aran, in media il 35% della domanda di elettricità potrebbe essere spostata per ottimizzare la domanda in base ai prezzi dell’elettricità e per fornire flessibilità al sistema energetico. In questo modo si potrebbe risparmiare il 32% dei costi dell’elettricità. Questa può essere considerata una situazione vantaggiosa per i clienti e per il sistema elettrico. Nel complesso, concludendo le analisi eseguite per le Isole Aran, si può affermare che una completa decarbonizzazione delle Isole Aran entro il 2030 può essere raggiunta per il settore elettrico e per il settore del riscaldamento utilizzando pompe di calore elettriche. Le temperature esterne in inverno sono per lo più comprese tra 5-10°C e sono molto favorevoli alle pompe di calore ad aria. Tuttavia, per poter far funzionare tutti i sistemi in modo economico sono necessarie tariffe flessibili per gli utenti finali, in modo che questi ultimi possano reagire alle variazioni di prezzo.
Riferimenti
[1] H2020 Project REACT Website, REACT 2020 – Renewable Energy for Self-Sustainable Island Communities “. [Online]. Verfügbar unter: https://react2020.eu/. [zugegriffen: 03-Feb-2020].
[2] C. Pleijel, Energy Audit on the Aran Island, Intelligent Energy Europe“, 2015.
[3] Energy Master Plan 2018, Árainn and Inis Meáin“. Fuinneamh Oileáin Árann – Aran Island Energy, 2018.
[4] All Electric Aran Islands Concept. A Design for a Wind and Ocean powered system supplying electricity, Heat and Transport “. Sustainable Energy Authority of Island, 2015.
[5] SEAI, All Electric Aran Islands Concept. A Design for a Wind and Ocean powered system supplying electricity, Heat and Transport, 2015“, SEAI – Sustainable Energy Authority of Island, 2015.
Autori:
DI Dr. Gerhard Totschnig, Research Engineer, AIT Austrian Institute of Technology, Vienna, Austria, gerhard.totschnig@ait.ac.at
DI Dr. Demet Suna, Scientist, AIT Austrian Institute of Technology, Vienna, Austria, demet.suna@ait.ac.at
[1] https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/tools.html#HR
[2] http://www.delta-q.de/export/sites/default/de/downloads/heizflaechenauslegung_recknagel.pdf
