Introduzione a MarkAl come strumento per la
pianificazione energetica su scala locale
Giuseppe Muliere
Provincia di Pavia – Divisione Ambiente
Settore Risorse Naturali – U.O. Aria&Energia
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Pavia
1
Prima parte
Introduzione alla pianificazione energetica su scala locale
MarkAl come strumento per la pianificazione energetica su scala locale
L’esempio della provincia di Pavia
Seconda parte
Hands-on MarkAl tramite l’interfaccia ANSWER: elaborazione di un
semplice modello di partenza
2
Introduzione alla pianificazione
energetica su scala locale
Nella seconda metà del
’900 forte sviluppo delle
società industrializzate
1992 conferenza di Rio:
- Agenda 21
- UNFCCC
Tra il 1950 e il 1970 tasso di crescita
medio annuo mondiale dei consumi di
combustibili fossili pari al 5% circa.
Nella conferenza di Stoccolma del
1972 si afferma che lo sviluppo deve
essere compatibile con la
salvaguardia delle risorse
Nel 1997 viene elaborato il
protocollo di Kyoto entrato poi in
vigore nel 2005
Il raggiungimento di obiettivi di sostenibilità
ambientale è imprescindibile da una
pianificazione delle risorse energetiche
3
Introduzione alla pianificazione
energetica su scala locale
Capitolo 28 di Agenda 21
“Le comunità dei paesi che hanno stipulato
l’accordo, devono creare linee guida per uno
sviluppo sostenibile all’interno della loro
area di competenza, chiedendo anche la
collaborazione dei propri cittadini (A21L)”
4
Introduzione alla pianificazione
energetica su scala locale
Quali informazioni possono essere utili a livello di
Amministrazione provinciale?
* Verifica delle politiche di derivazione regionale, quale impatto sul territorio? 
maggiori informazioni per tavolo di confronto e coordinamento
* Quante centrali autorizzare?
* Quali sono le tecnologie che risultano vincenti per raggiungere gli obiettivi di
Kyoto?
* Verifica delle politiche di promozione di certe attività
* Verifica delle politiche di incentivazione su rinnovabili vs. efficienza
energetica?
* Qual è il ruolo della biomassa come risorsa energetica del territorio
provinciale
5
Introduzione alla pianificazione
energetica su scala locale
Quali strumenti in mano alle province per decidere circa la pianificazione
energetica sul proprio territorio?
L’analisi di un sistema energetico territoriale può essere affrontata con l’ausilio, tra gli
altri, di due strumenti:

il Bilancio Energetico Territoriale

il Modello del Sistema Energetico Territoriale
Il Bilancio Energetico consente di conoscere quantitativamente la situazione energetica
di un determinato territorio evidenziando, a vari livelli di dettaglio, i dati relativi a:
–
–
–
–
le produzioni di fonti energetiche primarie,
le trasformazioni di energia primaria in energia secondaria,
gli scambi dei vari vettori energetici con gli altri territori,
la domanda di energia richiesta dai dispositivi di uso finale
6
Introduzione alla pianificazione
energetica su scala locale
Il Bilancio Energetico Territoriale
Questo insieme di informazioni fornisce una fotografia della
situazione energetica del territorio per ogni anno preso in
considerazione e consente, sulla base delle serie storiche, di valutare
i trend evolutivi del sistema in esame.
E’ quindi uno strumento certamente utile alla pianificazione, con
funzioni non solo di verifica ma anche di indirizzo, permettendo di
evidenziare linee di tendenza utilizzabili come primo, ancorché
limitato, supporto alle scelte del decisore pubblico.
7
Introduzione alla pianificazione
energetica su scala locale
Uno strumento notevolmente più efficace è rappresentato dal
Modello del Sistema Energetico
nel quale


le caratteristiche (tecnologiche, economiche e ambientali) dei vari
componenti del sistema (impianti di produzione e trasformazione,
infrastrutture, tecnologie di uso finale)
i flussi di energia associati
sono descritti in forma analitica in modo da consentire l’applicazione di diverse
metodologie di analisi, sia statiche sia dinamiche, essenziali per valutare il
comportamento del sistema nell’ambito di scenari evolutivi della domanda, della
disponibilità di risorse energetiche e delle tecnologie.
8
Introduzione alla pianificazione
energetica su scala locale
Il Modello svolge diverse funzioni; ma, in particolare:
•
fornisce una struttura ed un linguaggio comune per le discussioni tra gli attori
della pianificazione territoriale;
•
favorisce la comunicazione in quanto nuove idee (relative a tecnologie e
vettori) e nuove necessità (domande di energia elettrica) possono essere
valutate molto velocemente;
•
gestisce facilmente la grande quantità di dati necessari per un’analisi
complessa e disaggregata alle varie scale descrittive;
•
é uno strumento interattivo e trasparente nel senso che i metodi di calcolo, i
dati d’ingresso e le ipotesi di base sono palesi ed accessibili da tutti i gruppi
coinvolti
9
Introduzione alla pianificazione
energetica su scala locale
Approccio mediante scenari

Per individuare i meccanismi di evoluzione serve un approccio mediante
scenari (variazione delle condizioni al contorno)

A partire da:
– informazioni tuttavia incomplete sul sistema
– ipotesi circa le forze guida del cambiamento e le tendenze in atto
– con l’analisi di scenario si possono analizzare sviluppi possibili dello
status quo per progettarne cambiamenti e verificarne indirizzi.

L’obiettivo dell’analisi mediante scenari NON è una predizione di quello
che accadrà, ma la possibilità di immaginare configurazioni alternative,
date certe condizioni ed entro ragionevoli limiti di probabilità e valutare
l’impatto di certe azioni/misure.

Questo è l’obiettivo dell’analisi dei sistemi energetici estesi mediante
modelli tecnologici complessi come quelli della famiglia MarkAl.
10
MarkAl come strumento per la
pianificazione energetica su scala locale
MarkAl è un generatore di modelli bottom-up di equilibrio economico parziale basato
sulla programmazione lineare, sviluppato nell’ambito dell’Energy Technology Systems
Analysis Programme (ETSAP) dell’International Energy Agency (IEA).
A partire da un anno assunto come riferimento “costruisce” le traiettorie energetiche
che soddisfano i requisiti della Funzione Obiettivo (costo totale del sistema) e dei
vincoli imposti.
Infatti, sulla base di criteri definiti dall’operatore, MarkAL:


per


genera un modello di equilibrio economico parziale del sistema energetico in
esame,
descrive i diversi processi (tecnologie) e i vettori in termini tecnologici,
economici e ambientali,
analizzare l’evoluzione del sistema nel medio o lungo termine e
consentire studi di allocazione ottimale di investimenti oltre che di spese
11
annuali.
MarkAl come strumento per la
pianificazione energetica su scala locale
Il software crea l’assetto di equilibrio economico domanda-offerta del sistema
energetico considerato sul lungo periodo(allocazione ottima delle risorse)
MarkAl permette una descrizione dettagliata delle tecnologie e dei vettori (bottom
up) e il sistema energetico è descritto tramite il RES (Reference Energy System)
Fornisce in output:
•
la consistenza dei parchi tecnologici (lampadine alogene, centrali
elettriche a ciclo combinato);
• i flussi dei vettori energetici (consumi di gas naturale negli uffici,
produzione di gasolio dalle raffinerie, etc.).
12
MarkAl come strumento per la
pianificazione energetica su scala locale
Prezzo
demand curve
Prezzo di Equilibrio
Supply curve
Consumer
surplus
Producer surplus
Production costs
Domanda di Equilibrio
Curve di domanda e offerta
Quantità
13
MarkAl come strumento per la
pianificazione energetica su scala locale
14
MarkAl come strumento per la
pianificazione energetica su scala locale
Il sistema modellistico MarkAl è composto da:
-una banca dati di migliaia di tecnologie energetiche, organizzate in un reticolo
topologico detto Reference Energy System (RES)
-una struttura matematica composta da un motore
(GAMS) e algoritmi in grado di risolvere problemi con centinaia di migliaia di
equazioni;
- un’interfaccia software di introduzione dati e lettura agevole dei risultati, detta
ANSWER.
15
MarkAl come strumento per la
pianificazione energetica su scala locale
Calibrazione:
Verificare che il modello
costruito sia coerente
RES all’anno BASE (2000):
ricostruire una fotografia il più
verosimile possibile del sistema
energetico in esame:
•Studio del sistema energetico
•Ricerca dati attendibili
•Formulazione ipotesi coerenti
•Modellizzazione del sistema
energetico con il software (tecnologie,
fabbisogni)
Analisi senza vincoli ambientali,
Economici: scenario BASE
Aggiunta vincoli ambientali,
Economici, ecc….
Analisi di scenari alternativi
allo scenario BASE
16
L’esempio della provincia di Pavia
Consumo di energia in
provincia di Pavia nel
2000 (fonte: BEP)
Dall’analisi del BEP
risulta evidente che il
settore civile svolge
un ruolo di primaria
importanza nel
sistema energetico
provinciale
17
L’esempio della provincia di Pavia
Consumo di energia in
provincia di Pavia nel
2000 (fonte: BEP)
il 65% dei consumi
del settore civile è
rappresentato dal
settore termico; l’80%
di questo è attribuibile
al settore termico
residenziale.
18
L’esempio della provincia di Pavia
Consumi del settore termico per comparto di utilizzo e vettore
energetico in provincia di Pavia (2000)


cucina


acqua calda
sanitaria
gas

5000 kWh = 1.1 TEP = 46 GJ
1 TEP = 1213 Sm3 =1000 kg
olio combustibile
1 kWh  0,52 kg CO2
1 Sm3 gas naturale  2,15 kg
CO2
1 PJ = 23,9 kTEP
gpl
gasolio
biomassa
riscaldamento
centralizzato
elettricità
riscaldamento
autonomo
0
1
2
3
PJ
4
5
6
19
Gas Naturale
Tec. a gas naturale residue
Tec. a gas naturale nuove
LTH
C.Cogen
Gasolio
Tec. a LTH
Tec. a gasolio residue
Tec. a gasolio nuove
En Elettrica
Tec. elettriche residue
Domanda di
ACS Pavia
Domanda di
ACS Pr-PV
Usi ELE
residenziali
Domanda di
RA Pavia
Tec. elettriche nuove
GPL
Tec. a GPL residue
Tec. a GPL nuove
Energia Solare
Tec. solari nuove
Biomassa
Tec. a Biomassa residue
Tec. a Biomassa nuove
IN (€)
OUT (Pj)
IN (, €/kW…) OUT (kW, € …)
Domanda di
RC Pavia
Domanda di
RA Pr-PV
Domanda di
RC Pr-Pv
IN (Pj)
20
L’esempio della provincia di Pavia
1 - Recupero dei consumi di combustibile per il settore (BEP)
2 - Ipotesi sulla distribuzione dei consumi per tecnologia di domanda
(database visite ispettive provinciali)
3 - Calcolo dei rendimenti reali medi stagionali delle diverse tecnologie
di domanda (database visite ispettive provinciali)
4 - Calcolo del fabbisogno di Acqua Calda Sanitaria per ogni tipologia
di tecnologia:
DomandaACS  i ACTi
ACTi  i  Ci  yi
21
L’esempio della provincia di Pavia
Calcolo del fabbisogno di riscaldamento:
1 - Divisione del parco edilizio in 24 tipologie a seconda:
• Caratteristiche pareti verticali esterne
• Tipologia di superficie vetrata
elaborazione dati ISTAT
periodo costruzione edifici
in provincia
2 - Calcolo del fabbisogno unitario per ogni tipologia costruttiva attraverso un
modello di calcolo in Excel basato su:
• Norma UNI 7357 (Calcolo del fabbisogno termico)
• Valori delle trasmittanze termiche per tipologia di parete
(Comitato Termotecnico Italiano)
22
L’esempio della provincia di Pavia
3 - Ogni tipologie costruttive risultanti, grazie al fabbisogno unitario calcolato, è
stata attribuita alla specifica classe energetica:
Fabbisogno di
Calore
Classe
Classe A
fino a 30 kWh/m 2
Classe B
≤ 50 kWh/m 2 anno
Classe C
≤ 70 kWh/m 2 anno
17%
Classe D
≤ 90 kWh/m 2 anno
76%
Classe E
≤ 110 kWh/m 2 anno
7%
Classe F
≤ 130 kWh/m 2 anno
Classe G
≥ 130 kWh/m 2 anno
FEtot   ( FEumi  S cli )
i
7,35 PJ
23
Classe A
Classe B
Classe C
Classe D
edifici ad uso
abitativo (1946 1971) in muratura
mattoni pieni - doppi
vetri
edifici ad uso
abitativo (1972 1981) in muratura
mattoni pieni vetri
doppi
edifici ad uso
abitativo (1972 1981) in muratura
mattoni pieni - vetri
singoli
edifici ad uso
abitativo (1982 2000) in muratura
mattoni pieni - doppi
vetri
edifici ad uso
abitativo (1982 2000) in muratura
mattoni pieni - vetri
singoli
edifici ad uso
abitativo(1982 2000) in muratura
cassa vuota - doppi
vetri
Classe E
Classe F
Classe G
edifici ad uso
edifici ad uso
edifici ad uso
abitativo (1900 al
abitativo (1900 al
abitativo (1900 al
1945) in muratura 1945) in muratura
1945) in cls - vetri
mattoni pieni mattoni pieni - vetri
singoli
doppi vetri
singoli
edifici ad uso
edifici ad uso
abitativo (1946 abitativo (1900 al
1971) in muratura
1945) in cls - doppi
mattoni pieni - vetri
vetri
singoli
edifici ad uso
edifici ad uso
abitativo (1900 al
abitativo (1946 1945) in muratura
1971) in cls - doppi
cassa vuota - doppi
vetri
vetri
edifici ad uso
edifici ad uso
abitativo (1946 abitativo (1900 al
1971) in muratura 1945) in muratura
cassa vuota - doppi cassa vuota - vetri
vetri
singoli
edifici ad uso
edifici ad uso
abitativo (1946 abitativo (1946 1971) in muratura
1971) in cls - vetri
cassa vuota -vetri
singoli
singoli
edifici ad uso
abitativo (1972 1981) in cls - doppi
vetri
24
L’esempio della provincia di Pavia
Scenario
TENDENZIALE:
Scenario
311:
Scenario
CLASSE A:
Andamento della domanda nel caso Ristrutturato: un solo
in cui non fossero intervenute leggi passaggio di classe
in materia di risparmio energetico Nuovi edifici: stesse classi
dell’anno base
Andamento attuale della domanda
grazie al recepimento della legge 311
che impone la costruzioni di edifici
almeno in Classe C
Ristrutturato: 80% C,
15% B, 5% A
Nuovi edifici: 75% C, 15%
B, 10% A
Andamento ipotizzabile della
domanda nel caso in cui i decisori
politici spingessero verso la
costruzione di edifici altamente
efficienti (in classe A)
Ristrutturato: 80% C,
15% B, 5% A
Nuovi edifici: 10% C, 20%
B, 70% A
25
L’esempio della provincia di Pavia
Andamento della domanda nei tre scenari:
9,500
8,79 PJ
9,000
8,500
PJ
8,000
7,35 PJ
7,500
6,67 PJ
7,000
6,500
6,000
6,27 PJ
5,500
2000 2003 2006 2009 2012 2015 2018 2021 2024 2027 2030
Tendenziale
311
Classe A
26
L’esempio della provincia di Pavia
Andamento dei consumi:
33
31
29
26,06 PJ
PJ
27
25
23
19,07 PJ
21
19
17
17,78 PJ
15
2000 2003 2006 2009 2012 2015 2018 2021 2024 2027 2030
Tendenziale
311
Classe A
27
L’esempio della provincia di Pavia
Andamento delle emissioni di CO2:
800
Obiettivo Kyoto
al 2012: 697 kt
750
kt
700
650
600
550
500
2000
2003
2006
2009
2012
Tendenziale
2015
2018
311
2021
Classe A
2024
2027
2030
28
L’esempio della provincia di Pavia
Andamento del costo totale del sistema:
850,0
800,0
M€
750,0
700,0
650,0
600,0
550,0
500,0
2003 2006 2009 2012 2015 2018 2021 2024 2027 2030
311
Classe A
Tendenziale
29
L’esempio della provincia di Pavia
Andamento della potenza installata per tecnologia:
60
Caldaia a gas
naturale
50
Impianti solari
termici
PJ/anno
40
Boiler Elettrici
30
Caldaia a GPL
20
Teleriscaldamento
10
Caldaie a
Biomassa
0
Caldaie a Gasolio
2000 2003 2006 2009 2012 2015 2018 2021 2024 2027 2030
30
L’esempio della provincia di Pavia
Analisi di sussidi economici per consentire la penetrazione nel mercato delle
tecnologie solari e a Biomassa:
Contributo del 3% sul costo
della caldaia a biomassa
Penetrazione minima della
tecnologia a biomassa, gli
impianti solari rimangono sui
valori dello scenario 311
Contributo del 6% sul costo
della caldaia a Biomassa
Contributo del 20% sul costo
degli impianti solari
Livello di penetrazione delle
tecnologie tale da consentire di
avere entro il 2020 il 20% dei
consumi totali da fonti rinnovabili
(Nota Consiglio Europeo Marzo
2007)
31
L’esempio della provincia di Pavia
35
30
PJ/anno
25
Obiettivo EU: 20% dei
consumi da fonti rinnovabili
20%
consumi tot
20
15
10
12%
consumi tot
5
0
2000
2003
2006
2009
2012
tec. da fonte rinnovabile (senza sussidio)
2015
2018
2021
2024
2027
2030
tec. da fonte rinnovabile (con sussidio)
32
L’esempio della provincia di Pavia
L’impegno dell’istituzione pubblica nel raggiungimento di determinati obiettivi
(Public Commitment) è fondamentale per l’inserimento di alcune tecnologie nel
mercato
Dall’analisi degli scenari si valuta che si possa intervenire attraverso:
• Sgravi fiscali sul costo d’investimento delle tecnologie più costose ma da fonte
rinnovabile
• Sensibilizzazione del consumatore ai temi del risparmio energetico
• Divulgazione e forte informazione in merito ai benefici economici e ambientali
derivanti dall’acquisto di case altamente efficienti
33