Ottimizzazione degli impianti di produzione di energia termica

La gestione ottimale di un impianto di produzione di energia termica è funzione di numerose variabili di tipo tecnico ed economico-finanziario. Gli strumenti quantitativi per il supporto alle decisioni si rivelano pertanto indispensabili per un’oculata gestione sia nel medio-lungo termine sia nel breve termine. In questo articolo è descritto OptiEPM, strumento messo a punto da Optit, spin-off dell’Università di Bologna, per il supporto alla pianificazione ottimale degli impianti di produzione di energia termica.

La produzione di energia termica a partire dai combustibili fossili se, da un lato, ha supportato il boom industriale della seconda metà del Novecento, dall’altro ha generato una pericolosa ‘dipendenza’ energetica dei Paesi importatori dai Paesi produttori, ormai da anni oggetto di attenzione da parte dei Governi europei. L’Unione europea, con le proprie politiche, sta tentando progressivamente di ridurre tale dipendenza, puntando sullo sfruttamento delle fonti rinnovabili di energia le quali, oltre a garantire una parziale (se non totale, in alcuni casi) autosufficienza, comportano minori impatti sull’ambiente. Il futuro della produzione di energia termica, così come delineato dalle politiche europee, risiede pertanto nell’oculato sfruttamento di risorse di energia differenti, ognuna delle quali caratterizzata da costi e rese diverse, in alcuni casi legate al momento della giornata e/o alla stagione, con un‘influenza non trascurabile delle condizioni meteo (si pensi, ad esempio, al solare termico).

Per quanto riguarda l’Italia, l’annuario Airu (Associazione Italiana Riscaldamento Urbano) (Figura 1) riporta che, a fine 2013, la tipologia prevalente di impianti per la produzione di energia termica asserviti a reti di teleriscaldamento urbano (se si escludono le caldaie a integrazione e riserva), era costituita da impianti di cogenerazione alimentati da combustibili fossili e da centrali termoelettriche (queste ultime, benché realizzate e gestite con lo scopo primario di produrre energia elettrica per la rete nazionale, assumono la natura di ‘impianti di produzione combinata’ nel momento in cui da esse si preleva calore da destinare alle reti di teleriscaldamento). Sale la presenza di impianti di termovalorizzazione RSU, ormai tutti di tipo cogenerativo, e si rileva il ruolo importante degli impianti alimentati da bioenergie. Le altre fonti utilizzate sono la geotermia, le pompe di calore, ed il recupero da processo industriale. Non compare in Figura 1, perché inaugurato nel maggio 2015, il primo impianto di teleriscaldamento in Italia alimentato con solare termico, realizzato in provincia di Varese.

 Il problema
Il gestore di un impianto di produzione di energia termica (e spesso anche frigorifera) si trova di fronte alla necessità di soddisfare la domanda di riscaldamento (e raffrescamento) che può provenire da una rete di teleriscaldamento oppure da un edificio (nel caso, ad esempio, di un energy service). Se l’impianto è dotato di diverse tipologie di macchine che producono calore (freddo) a partire da diverse fonti, il gestore deve decidere quali fonti utilizzare nel corso della giornata per soddisfare la domanda e, al contempo, ottimizzare il margine di impianto. Nella propria decisione deve tenere in conto che ciascuna fonte è caratterizzata da rese diverse, costi e ricavi differenti, ed eventualmente anche incentivi specifici, e deve rispettare i vincoli imposti dalla configurazione dell’impianto, dalle caratteristiche tecniche delle macchine, dalla normativa e dai periodi di manutenzione. Inoltre, laddove vi sia produzione combinata di energia termica ed elettrica, con vendita alla rete nazionale, deve considerare anche la variabile prezzo di mercato e le penali da pagare in caso di sbilanciamento rispetto a quanto comunicato. Le numerose variabili in gioco rendono la decisione complessa e ovviamente, al crescere della complessità dell’impianto, cresce di pari passo la difficoltà di redigere ‘a mano’ un piano di produzione ottimale.
Il problema descritto si presta bene ad essere affrontato con gli strumenti messi a disposizione dalla Ricerca Operativa, una moderna disciplina della matematica applicata che fornisce strumenti per formulare e risolvere problemi caratterizzati da risorse limitate e vincoli di varia natura con l’obiettivo di massimizzare una funzione di prestazione o minimizzare una funzione di costo. A partire dalla seconda metà del XX secolo le metodologie della Ricerca Operativa (ottimizzazione matematica, teoria dei grafi e delle code, simulazione numerica, teoria dei giochi…) hanno avuto un enorme sviluppo e gli strumenti di ottimizzazione hanno trovato larga diffusione in moltissimi settori applicativi.

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