Costruire sistemi energetici intelligenti per un futuro sostenibile

Il passaggio all'energia pulita sta accelerando in tutto il mondo. Si tratta di chiudere grandi centrali elettriche che usano combustibili fossili e sostituirle con fonti rinnovabili come l'energia eolica e solare. Per rendere questa transizione un successone, dobbiamo trovare modi migliori per far lavorare insieme queste fonti rinnovabili in modo intelligente. Questo significa creare Sistemi Energetici che collegano reti elettriche, di riscaldamento e del gas, permettendoci di usare l'energia in modo più efficiente.

#L'importanza di costruire sistemi energetici intelligenti

Mentre ci muoviamo verso un sistema energetico moderno che usa meno carbonio, affrontiamo delle sfide. Il modo in cui costruiamo e gestiamo i sistemi energetici deve cambiare per includere più fonti rinnovabili. I sistemi energetici intelligenti collegano diversi tipi di energia, offrendo vari modi per fornire energia a case e aziende. Questo approccio è cruciale perché assicura una fornitura di energia più flessibile e affidabile.

Per progettare e pianificare questi sistemi in modo efficace, abbiamo bisogno di modelli affidabili che ci aiutino ad analizzare diversi scenari. Questi modelli possono rappresentare vari bisogni energetici, tipi di fonti energetiche e come interagiscono. La Modellazione è uno strumento fondamentale che i ricercatori hanno sviluppato nel tempo per rispondere a domande su come progettare e gestire al meglio questi sistemi complessi.

#La necessità di una metodologia dettagliata

Esistono molti modelli energetici, ma spesso non spiegano come sono stati costruiti o come usarli. Questo documento discute un metodo passo passo per creare un database pubblico che possa modellare un sistema in cui elettricità, riscaldamento e gas lavorano insieme. L'accento è su come le reti elettriche a bassa e media tensione possano integrare prosumer (persone che producono e consumano energia), stoccaggio di batterie, pompe di calore e veicoli elettrici. Inoltre, una rete di riscaldamento urbano è collegata al sistema elettrico.

Lo strumento di modellazione usato si chiama Modelica, che aiuta a creare modelli dinamici di questi sistemi energetici. In questo documento, presenteremo anche uno studio di caso che utilizza questo metodo per esaminare problemi legati alla congestione in una rete di distribuzione a media tensione.

#Modelli di sistema energetico: cosa sono e perché sono importanti

I modelli di sistema energetico sono importanti perché ci aiutano a capire come l'energia fluisce da diverse fonti a dove è necessaria. Le sfide di creare questi modelli derivano dai modi diversi in cui le fonti di energia e le domande possono interagire. Ad esempio, quanta energia ci serve in momenti diversi? Come contribuiscono le fonti rinnovabili come il solare e l'eolico a questa domanda?

Sono stati utilizzati due metodi principali per analizzare i sistemi energetici: Ottimizzazione e simulazione.

• Ottimizzazione aiuta nella pianificazione della migliore configurazione del sistema energetico. Si concentra su come raggiungere determinati obiettivi, come ridurre i costi o aumentare l'affidabilità.
• Simulazione esamina come si comporta il sistema energetico nel tempo, permettendoci di vedere come cambia l'uso dell'energia con diverse condizioni.

Entrambi i metodi richiedono una chiara comprensione del sistema energetico che si sta modellando, inclusi i suoi componenti e come lavorano insieme.

#Creare un quadro per i modelli di sistema energetico

Per aiutare i ricercatori a sviluppare migliori modelli energetici, è stato formato un gruppo per condividere metodi e pratiche. In Germania, un'iniziativa nota come National Research Data Infrastructure si concentra sui modelli energetici. Altri progetti in tutta Europa sono anche dedicati a migliorare la condivisione di dati e modelli.

L'obiettivo principale è garantire che i modelli siano facili da trovare, accedere e riutilizzare. Questo aiuterà i ricercatori a evitare di ripetere lavori già svolti, consentendo loro di costruire sulla conoscenza esistente.

#Costruire un database aperto

L'obiettivo di questo lavoro è creare un database dettagliato open-source che possa essere utilizzato per sviluppare modelli di sistema energetico. Questo database coprirà vari aspetti del sistema, inclusi come gli edifici generano e usano energia. Il quadro fornirà anche un modo per parametrizzare una rete di riscaldamento urbano in modo che possa essere integrata con la rete elettrica.

Utilizzando la TransiEnt-Library, che contiene componenti per modellare sistemi energetici, i ricercatori possono utilizzare questo database per creare modelli dinamici che catturano il comportamento reale dei sistemi energetici.

#Raccolta di dati e creazione di scenari

Per progettare modelli energetici efficaci, è necessario raccogliere dati per creare diversi scenari energetici futuri. I ricercatori iniziano raccogliendo informazioni da studi condotti da fornitori di energia e risultati di modelli precedenti. Utilizzando queste fonti, è possibile formare quadri e assunzioni comuni.

Una volta scelta una topologia di rete (la configurazione della rete energetica), i ricercatori possono iniziare a progettare le strutture degli edifici e le richieste di energia. Fattori importanti da considerare includono quanta elettricità avranno bisogno i vari edifici e le loro proprietà termiche. Questi dettagli aiutano a creare modelli accurati per la simulazione.

#Integrazione della rete di riscaldamento urbano

Oltre a modellare le reti elettriche, la metodologia include la creazione di una rete di riscaldamento urbano. Questo comporta la selezione tra diverse configurazioni di rete e il calcolo di quanta energia sarà necessaria per il riscaldamento. L'obiettivo è garantire un buon flusso di energia nella rete mantenendo l'efficienza.

Una volta definite le strutture, altri componenti come lo stoccaggio di batterie, le pompe di calore e i pannelli solari possono essere incorporati nel modello. Questo approccio complessivo consente ai ricercatori di analizzare come l'intero sistema opera insieme.

#La struttura del database

Il database progettato per questo progetto è basato su SQL, che consente una gestione efficiente dei dati. Avere un database strutturato significa che può gestire più simulazioni contemporaneamente, rendendo più facile accedere e analizzare i dati in diversi progetti di ricerca.

Man mano che i dati vengono elaborati, vengono organizzati in tabelle che rappresentano le relazioni tra i vari componenti, come le famiglie e il loro utilizzo energetico. Questo approccio strutturato consente una chiara comprensione di come fluisce l'energia nel sistema.

#Generazione di modelli e co-simulazione

I modelli generati da questo database possono essere utilizzati in diversi ambienti di programmazione, consentendo ai ricercatori di creare simulazioni dettagliate. L'approccio si concentra su modelli dinamici, che catturano i cambiamenti nel tempo, permettendo ai ricercatori di valutare come il sistema risponde a diverse condizioni.

Per facilitare la condivisione dei modelli, viene utilizzato uno standard noto come Functional Mock-up Interface (FMI). Questo consente ai modelli dinamici creati utilizzando il linguaggio di modellazione di essere facilmente condivisi e testati in diverse simulazioni.

#Caso d'uso: un esempio pratico

Per dimostrare come funziona il database, è stato creato un caso d'uso basato su un anello rurale a media tensione. Questo sistema è stato modellato per mostrare come interagiscono diverse fonti di energia, in particolare durante i periodi di alta domanda.

Analizzando i dati da questo modello, i ricercatori possono osservare come i cambiamenti nell'uso dell'energia impattano il sistema. Queste informazioni possono aiutare a identificare problemi potenziali come il sovraccarico in parti della rete, specialmente durante i periodi di picco.

#Conclusione e direzioni future

I sistemi energetici moderni stanno diventando sempre più complessi, richiedendo nuovi metodi e modelli per analizzare come funzionano. Collegando diverse fonti di energia e utilizzando strumenti open-source, i ricercatori possono capire meglio come gestire efficacemente i sistemi energetici.

Questo documento mira a fornire un quadro prezioso per i ricercatori che cercano di modellare sistemi energetici integrati. Rendendo queste risorse disponibili al pubblico, si apre la porta per ulteriori esplorazioni e innovazioni nel campo della ricerca energetica.

Con l'avanzare del piano, l'obiettivo è migliorare il generatore di scenari e convalidare i modelli creati per applicazioni pratiche. Questo sforzo contribuirà allo sviluppo continuo di sistemi energetici intelligenti che supportano un futuro sostenibile.