TIMES-MATISSE modello multi-regionale del Sistema Elettrico Italiano

TIMES-MATISSE: modello multi-regionale
del
Sistema Elettrico Italiano
Ing. Maurizio Gargiulo
[email protected]
+39 011.090.4412
Indice
La Ricerca di Sistema: il Progetto SCENARI
Il modello MATISSE
a) Le ipotesi esogene
b) Lo schema funzionale (RES)
c) Descrizione del lato domanda
d) Descrizione dell’offerta
Esempi di Scenari analizzati
Ing. Maurizio Gargiulo
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PARTE PRIMA
La Ricerca di Sistema: il Progetto SCENARI
Ing. Maurizio Gargiulo
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Progetto SCENARI – Obiettivi e metodologie
L’obiettivo del Progetto era quello di analizzare le
prospettive di sviluppo a lungo termine del Settore Elettrico
mediante:
la messa a punto di strumenti e metodologie atti a
studiare lo sviluppo del sistema elettrico, anche nella sua
dimensione geografica
la conduzione di analisi di dettaglio della domanda e
dell’offerta di energia (e potenza) elettrica, integrando
valutazioni tecnologiche, ambientali ed economiche
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Progetto SCENARI – Obiettivi e metodologie
Il modello MATISSE del Sistema Elettrico Italiano
Il “cuore” del sistema messo a punto è costituito dal modello
MATISSE (MARKAL-TIMES per Scenari del Settore Elettrico),
che rappresenta il sistema elettrico italiano descritto nella sua
dimensione regionale su orizzonti temporali di medio lungo
periodo (fino al 2030).
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Progetto SCENARI – Obiettivi e metodologie
MATISSE è basato sulla famiglia di modelli Markal, nella sua
evoluzione TIMES.
TIMES (The Integrated Markal-Efom
System) è un generatore di modelli
sviluppato e distribuito dall’Energy
Technology System Analysis Project
(ETSAP) dell’International Energy
Agency (IEA).
E’ un generatore di modelli di
equilibrio economico parziale tra
Domanda e Offerta di energia di tipo
“bottom up”, che individua la
soluzione di minimo costo soggetta
ad una serie di vincoli quali, ad
esempio, livelli di emissione annuali
o globali
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Progetto SCENARI – Obiettivi e metodologie
Una peculiarità di MATISSE è la regionalizzazione, ovvero
Domanda e Offerta di energia elettrica sono descritte
singolarmente per ciascuna Regione. Ciò significa:
identificazione geografica dei carichi
localizzazione impianti di generazione (anche GD)
evidenza degli scambi e dei transiti di energia
elettrica fra e attraverso le regioni
Questo
consente
valutazioni
sulle
conseguenze
economiche, ambientali e di sicurezza dell’evoluzione sul
territorio della domanda e dell’offerta di energia elettrica.
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Progetto SCENARI – Obiettivi e metodologie
L’input a MATISSE è costituito da dati sulle tecnologie (efficienza,
disponibilità, costi di investimento, capacità esistente), proiezioni
socioeconomiche (popolazione, PIL), costi, disponibilità delle risorse
ed obiettivi ambientali.
MATISSE contiene i dati reali relativi al Sistema Elettrico italiano
aggiornati al 2006:
• generazione: circa 150 impianti, con le relative caratteristiche
tecniche
• rete: configurazione schematica, per ogni Regione, nei quattro
livelli principali di tensione (AAT, AT, MT e BT)
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Progetto SCENARI – Obiettivi e metodologie
L’output di MATISSE consiste, per ciascuna Regione italiana, in:
lato Domanda: previsioni di consumo a lungo termine,
suddivise per settore (Domestico, Industria, Terziario, Agricoltura
e Trasporti),
lato Offerta: consistenza e tipologia del parco di generazione
(sia “Bulk”, sia “Distribuita”), consumi di combustibili, emissioni…
nonché lo sviluppo preliminare delle linee di Trasmissione
necessarie, tenuto conto della Domanda della Regione stessa e
degli scambi di energia possibili con le Regioni vicine.
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Progetto SCENARI – Obiettivi e metodologie
Sez.
Domanda
Modello
MATISSE
(Markal-Times
per Scenari del
Settore Elettrico)
Sez.
Offerta
Domand
a Locale
Vincoli
Distribuzion
e
F.Obiettivo
Trasmissione
Modello
Rete T&D
scena
ri
T&D
Scenari
G
Codici
valutazione
scenari
Mod. SE
Regionale
(Case Study)
Scenari
Regionali
Sostenibilità
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PARTE SECONDA
Il modello MATISSE
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Il modello MATISSE: le ipotesi esogene
Le ipotesi esogene
Lo schema funzionale
Il lato domanda
Il lato offerta
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Le ipotesi esogene
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Il modello MATISSE: le ipotesi esogene
Prospettive dell’economia italiana
Lo scenario caratterizzato da elevati prezzi internazionali delle fonti di
energia comporta uno sviluppo moderato del PIL e limiti all’espansione
di alcuni settori dell’economia
Scenario di prezzi del petrolio, del gas naturale e del carbone in moneta
costante 2005
$/boe
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
petrolio
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gas naturale cif Italia
2030
2029
2028
2027
2026
2025
2024
2023
2022
2021
2020
2019
2018
2017
2016
2015
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
0
Carbone cif Italia
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Il modello MATISSE: le ipotesi esogene
Popolazione residente (n. persone)
70.000.000
60.000.000
50.000.000
40.000.000
30.000.000
20.000.000
10.000.000
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2020
2018
2016
2014
2012
2010
2008
2006
2004
2002
2000
1998
1996
1994
1992
1990
1988
1986
1984
1982
1980
-
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Il modello MATISSE: le ipotesi esogene
Numero medio di componenti per famiglia
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
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2020
2018
2016
2014
2012
2010
2008
2006
2004
2002
2000
1998
1996
1994
1992
1990
1988
1986
1984
1982
1980
0,0
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8
Il modello MATISSE: le ipotesi esogene
Valore aggiunto ai prezzi base e relativa tendenza
(Valori concatenati - Anno di riferimento 2000)
1,600
1,400
1,200
2
R = 0,9841
Miliardi
1,000
0,800
0,600
20002000-2020: 1,3%
0,400
0,200
1971
1972
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
0,000
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Il modello MATISSE: le ipotesi esogene
Valore Aggiunto ai prezzi di base in moneta costante (G€’95)
e tassi medi annui di crescita
STORICO
Valore Aggiunto
ai prezzi di base
(G€'95)
Tassi di crescita
medi annui (%)
PREVISIONI
1980
1990
2000
2005
2010
2020
647,9
814,7
956,0
1012,0
1090,2
1240,3
‘71-‘80
‘80-‘90
‘90-‘00
‘00-‘05
‘05-‘10
‘10-‘15
3,2%
2,3%
1,6%
1,1%
1,5%
1,3%
9
Il modello MATISSE: le ipotesi esogene
P IL p ro -c a p ite (€ '9 5 /p e rs o n a )
2 5.0 00
2 0.0 00
1 5.0 00
1 0.0 00
5.0 0 0
2015
2013
2011
2009
2007
2005
2003
2001
1999
1997
1995
1993
1991
1989
1987
1985
1983
1981
0
Tassi medi annui di crescita del PIL pro-capite
PREVISIONI
STORICO
Tassi di crescita del PIL pro capite
Ing. Maurizio Gargiulo
‘80-‘90
‘90-‘00
‘00-‘05
‘05-‘10
‘10-‘20
2,2%
1,4%
0,9%
1,4%
1,2%
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Il modello MATISSE: le ipotesi esogene
Nell’ambito dell'evoluzione complessiva del Valore Aggiunto, in linea con
le tendenze di lungo periodo, la quota dell’industria continuerà ad avere
un peso rilevante ma in riduzione, mentre il settore dei servizi sarà il più
dinamico; il settore dell’agricoltura ridurrà leggermente la sua quota.
Struttura del valore aggiunto ai prezzi base
(miliardi di euro-lire 1995)
1.200
Servizi
1.000
800
Industria
600
400
Agricoltura e
Pesca
0
1971
1972
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
200
10
Il modello MATISSE: le ipotesi esogene
In sintesi
Le principali assunzioni del modello sono:
- Petrolio e gas rimangono le fonti di riferimento
- Forte pressione sulle risorse mondiali di idrocarburi anche per effetto
della crescita dei paesi emergenti
- Prezzi internazionali delle fonti di energia in crescita in termini reali
- Crescita moderata della popolazione e del Pil in Italia
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Lo schema funzionale
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Il modello MATISSE: lo schema funzionale
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
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Il modello MATISSE: lo schema funzionale
MATISSE può essere utilizzato per:
•
•
•
•
•
•
identificare la configurazione energetica di minor costo
valutare la fattibilità di misure di contenimento delle emissioni
studiare evoluzioni di medio o lungo termine sotto differenti scenari
analizzare la penetrazione di nuove tecnologie
valutare le conseguenze di tasse, sussidi e altri interventi fiscali
studiare gli effetti della cooperazione regionale
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Il modello MATISSE: lo schema funzionale
Gli elementi che costituiscono il modello sono le tecnologie che
trasformano e consumano energia e quelle che controllano le emissioni.
Ogni tecnologia è rappresentata quantitativamente da un insieme di
caratteristiche fisiche ed economiche relative sia al livello tecnologico
esistente, sia a quello che si prevede possa essere disponibile in futuro.
TIMES sceglie le tecnologie e stabilisce il consumo di energia necessari
per il soddisfacimento delle esigenze di ciascun settore di domanda, (la
cui evoluzione nel periodo considerato costituisce la principale variabile
esogena) in modo che sia minimizzato il costo totale del sistema,
compatibilmente con il conseguimento di standard ambientali prefissati
e all'interno di una serie di vincoli e scenari opportunamente definiti
dall'operatore.
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Il modello MATISSE: lo schema funzionale
L’elaborazione dello Schema Funzionale del Sistema Elettrico nazionale
e regionale ha richiesto la costruzione del più ampio schema funzionale
del Sistema Energetico italiano, del quale il sistema elettrico
rappresenta un sotto-insieme.
Per le finalità di questa ricerca non è stato necessario descrivere l’intero
Sistema Energetico Nazionale con lo stesso livello di dettaglio del
sottosistema elettrico.
In ogni caso sono state evidenziate le interrelazioni tra i due sistemi,
principalmente per quanto riguarda gli usi elettrici non obbligati e la
presenza di impianti di cogenerazione e coproduzione nonché le
infrastrutture e i flussi dei vettori energetici.
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Il modello MATISSE: lo schema funzionale
Orizzonte temporale dal 2006 - 2030
8 time slice
20 Regioni
5 Settori economici
32 servizi energetici “elettrici”
150 tecnologie di uso finale dell’energia elettrica
300 tecnologie di offerta (impianti termoelettrici,
cogenerativi, idroelettrici e ad altre fonti rinnovabili)
4 livelli di tensione
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Il modello MATISSE: lo schema funzionale
Per descrivere correttamente il comportamento del sistema in presenza di
curve di carico con rilevanti variazioni nel tempo (circadiane, settimanali e
stagionali) ogni periodo dell’orizzonte temporale di analisi è suddiviso in
sotto-periodi, secondo criteri scelti dall’analista in relazione agli obiettivi
dell’analisi.
Orizzonte temporale
Nel Progetto
MATISSE, si è
scelta una
suddivisione in
otto timeslices
(4 stagioni +
Giorno-Notte)
Periodo 2
Periodo 3
SP
SP
D
SP
N
SU
D
SU
SU
N
FA
FA
D
Lunghezza variabile
dei periodi
Timeslice ad albero
con due sotto livelli
Periodo 4
Stagioni
WI
FA
N
WI
D
WI
N
Giorno/Notte
E’ inoltre necessario prendere in considerare la condizione di picco e
introdurre, ulteriormente, un valore opportuno della potenza di riserva,
che non partecipa alla generazione di elettricità ma, in quanto presente,
costituisce un costo addizionale di investimento.
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Il modello MATISSE: lo schema funzionale
Lo schema funzionale
Lo Schema Funzionale è costituito dall’insieme delle tecnologie di
produzione
trasporto
distribuzione e
domanda finale dell’energia elettrica
a partire dalla loro disponibilità sul territorio (per produzione locale
primaria o per importazione) sino agli impieghi nelle tecnologie di uso
finale.
Il modello permette, se pur in modo semplificato, di distinguere l’energia
prodotta ai diversi livelli di tensione della rete Nazionale e Regionale.
Inoltre è stato modellizzato lo scambio elettrico interregionali e
l’import/export con l’estero.
Per quanto riguarda i vettori energetici (gas naturale, prodotti
petroliferi,…..) che alimentano le tecnologie di produzione, lo schema
funzionale prevede la loro “provenienza” da una regione esterna Italia
non modellizzata
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Il modello MATISSE: lo schema funzionale
Primary Primaria
Energy FinalEnergia
EnergyFinaleUseful
Energy
Energia
Energia
Utile
Energy
Services
Servizi
Energetici
Emissioni
Tecnologie
Tecnologie
Domanda
Tecnologie
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Il modello MATISSE: lo schema funzionale
Il RES – Reference Energy System
Sulla base dello schema funzionale e delle scelte di rappresentazione
delle tecnologie si perviene alla costruzione del “Sistema Energetico di
Riferimento” (RES - Reference Energy System) che è la struttura su cui
opera il Modello.
Il RESe consiste nella rappresentazione completa del sistema elettrico
nazionale disaggregato per regione, dalla disponibilità delle risorse e
fonti energetiche primarie agli usi finali, attraverso i processi di
trasformazione, conversione e trasporto dell’energia elettrica.
Nelle slides successive viene presentato il RES costruito, nel quale le
tecnologie competono, nell’ambito dei vincoli a cui sono sottoposte, per
soddisfare la domanda finale.
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OIL
GSL
GAS
KER
COAL
Il modello MATISSE: lo schema funzionale
RES
ITA
COMIMP
(VdA)
SOL, HYD,
WIND, BIOM (VdA)
ELCP
(VdA)
Generazione centralizzata
e Locale AT e MT
(VdA)
Vettoriamento
IMPEXPE
Valle d’Aosta
ELCAA
(VdA)
Gen. da fonti
rinnovabili
(VdA)
ENV
ELCD
(VdA)
ELCM
(VdA)
Domanda elettrica
(VdA)
Gen. Distribuita in BT
(VdA)
VALLE D’AOSTA
Trade Piemo nte/
V alle d’Ao sta
GRIDMT
(VdA)
ELCAA
(Pie)
Trade Piemo nte/
V alle d’Ao sta
ELCP
(Pie)
BIO
HY D
WIND
BGS
SOL
GRIDAAT
(Vda)
COMIMP
(Pie)
IMPEXPE
Piemonte
ELCM
(Pie)
ELCA
(Pie)
ELCD
(Pie)
LTH
(Pie)
PIEMONTE
IMPEXPE
Piemonte
COMIMP(Lom)
Vettoriamento
IMPEXPE
Valle d’Aosta
IMPORT/EXPORT
ELCA
(VdA)
GRIDAT
(VdA)
SOL, HYD,
WIND, BIOM
(Lom)
GRIDAAT
(Pie)
ELCM
(Lom)
ELCD
(Lom)
Generazione
centralizzata e
Locale AT e MT
(Lom)
GRIDAT
(Pie)
PIEGASCCCE2
ELCA
(Lom)
Gen. da fonti
rinnovabili
(Lom)
Domanda elettrica
(Pie)
Imp. Aut/Cost
ELCAA
(Lom)
ENV
Nuovi impianti
PIEGASCCCE1
ELCP
(Lom)
LOMBARDIA
GRIDMT
(Pie)
PIEGASCCCE3
GRIDBT
(Pie)
PIEGASTBGE1
GRIDAAT
(Lom)
ENV
GRIDAT
(Lom)
PIEBIOCTEE
GRIDMT
(Lom)
PIEGASTBGE2
Estrazione
(Pie)
GRIDBT
(Lom)
PIEGASTBGE3
PIEGASTBGE4
Domanda elettri ca
(Lom)
Trade Piemonte/
Lombardia
PIEGASCTEE1
Trade Piemonte/
Lombardia
PIEGASCCCE4
PIEGASCCCE5
PIEGASCCCE6
Generazione Locale in
BT (Pie)
PIEBIOCTEE2
Gen. Distribuita
in BT
(Lom)
PIEBIOCTEE3
Vettor iamento
PIEMIXCTEE
PIEBGSCTEE
PIESOLIMPE
PIEWINIMPE
PIEGASCHPE1
PIEGASMCIE
PIEGASMCIE2
PIEGASCHPE
PIEHYDBACE
ELCP
(Lig)
ELCAA
(Lig)
Trade Piemonte/
Lig uria
PIEHYDPOME
SOL, HYD,
WIND, BIOM (Lig)
Trade Piemonte/
Lig uria
PIEHYDFLUE
IMPEXPE
Lombardia
ELCA
(Lig)
ELCD
(Lig)
ELCM
(Lig)
IMPEXPE
Lombardia
ENV
Vettoriamento
Ing. Maurizio Gargiulo
Domanda elettrica
(Lig)
GRIDAAT
(Lig)
IMPEXPE
Liguria
IMPEXPE
Liguria
Generazione centralizzata
e Locale AT e MT
(Lig)
GRIDAT
(Lig)
COMIMP(Lig)
Gen. da fonti
rinnovabili
(Lig)
Gen. Distribuita in BT
(Lig)
GRIDMT
(Lig)
Liguria
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Il modello MATISSE: lo schema funzionale
Il Trade regionale
ELCAA (Lom)
(AAT)
ELCP (Lom)
(AAT)
Trade & Grids = Tecnologie
GRIDAAT (Lom)
LOMBARDIA
Sono descritte attraverso parametri:
- economici (costi di installazione e
gestione)
ELCP (Pie)
(AAT)
- ambientali….esternalità.
Trade Piemonte/
Lombardia
Trade Piemonte/
Lombarida
- ingegneristici (perdite sulla rete)
ELCAA (Pie)
(AAT)
GRIDAAT (Pie)
PIEMONTE
TRADE
GRID
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Il modello MATISSE: lo schema funzionale
O IL [P J]
GS L [P J ]
K ER [PJ ]
GAS [PJ]
COAL [PJ ]
ITA
10
11
3
4
5
13
12
16
14
18
17
19
21
15
23
20
22
25
24
26
IM P ORT/E X PORT
27
Particolare evidenza è stata
data alla modellizzazione
degli scambi interregionali e
all’import/export con l’estero;
7
2
8
•
Il territorio nazionale è stato
disaggregato nelle Regioni
amministrative e gli impianti,
le stazioni e le infrastrutture
di trasporto e distribuzione
sono stati attribuiti ai relativi
ambiti territoriali;
1
•
6
9
28
LEGENDA
1 ‘Scambio Valle d'Aosta/Piemonte - Piemonte/Valle d'Aosta’
2 ‘Scambio Piemonte/Lombardia - Lombardia/Piemonte’
3 ‘Scambio Piemonte/Liguria - Liguria/Piemonte’
4 ‘Scambio Liguria/Emilia Romagna - Emilia Romagna/Liguria’
5 ‘Scambio Liguria/Toscana - Toscana/Liguria’
6 ‘Scambio Lombardia/Trentino Alto Adige - Trentino Alto Adige/Lombardia
7 ‘Scambio Lombardia/Veneto - Veneto/Lombardia’
8 ‘Scambio Lombardia/Emilia Romagna - Emilia Romagna/Lombardia’
9 ‘Scambio Veneto/Trentino Alto Adige - Trentino Alto Adige/Veneto’
10 ‘Scambio Veneto/Friuli Venezia Giulia - Friuli Venezia Giulia/Veneto’
11 ‘Scambio Veneto/Emilia Romagna - Emilia Romagna/Veneto’
12 ‘Scambio Emilia Romagna/Marche - Marche/Emilia Romagna’
13 ‘Scambio Emilia Romagna/Toscana - Toscana/Emilia Romagna’
14 ‘Scambio Marche/Abruzzo - Abruzzo/Marche’
Ing. Maurizio Gargiulo
15 ‘Scambio Toscana/Sardegna - Sardegna/Toscana’
16 ‘Scambio Toscana/Umbria - Umbria/Toscana’
17 ‘Scambio Toscana/Lazio - Lazio/Toscana’
18 ‘Scambio Umbria/Lazio - Lazio/Umbria’
19 ‘Scambio Lazio/Abruzzo - Abruzzo/Lazio’
20 ‘Scambio Lazio/Campania - Campania/Lazio’
21 ‘Scambio Abruzzo/Molise - Molise/Abruzzo’
22 ‘Scambio Molise/Campania - Campania/Molise’
23 ‘Scambio Molise/Puglia - Puglia/Molise’
24 ‘Scambio Campania/Basilicata - Basilicata/Campania’
25 ‘Scambio Campania/Puglia - Puglia/Campania’
26 ‘Scambio Basilicata/Puglia - Puglia/Basilicata’
27 ‘Scambio Basilicata/Calabria - Calabria/Basilicata’
28 ‘Scambio Calabria/Sicilia - Sicilia/Calabria’
TIMES-MATISSE: modello multi-regionale del Sistema Elettrico Italiano
Pavia, 28 Maggio 2008
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17
Il modello MATISSE: lo schema funzionale
La Rete elettrica – i livelli di tensione
\\\\
• 5 livelli di tensione
- AAT prodotta e
importata,
- AAT trasportata (per
Trade)
- AT
- MT
- BT distribuita
• 5 commodities
- ELCP prodotta e
importata,
- ECLAA trasportata
(per Trade)
- ECLA
- ECLM
- ELCD distribuita
PROGETTO SCENARI
DEFINIZIONE CONVENZIONALE DEI CONFINI
TRA LE DIVERSE COMPONENTI DEL SISTEMA ELETTRICO
SISTEMA DI
GENERAZIONE
COLLEGATO IN
AAT
C
Da altre Regioni
400 kV / 220 kV
C
GRIDAAT
400 kV / 220 kV
Commodities Markal-TIMES
ELCP
ELCAA
ELCA
ELCM
ELCB
C
RETE DI
TRASMISSIONE
NAZIONALE
C
C
C
C
C
UTENZE AAT
C
Alle altre Regioni
C
GRIDAT
RETE DI DISTRIBUZIONE
AT REGIONALE
(o subtrasmissione)
132 kV / 150 kV
132 kV / 150 kV
SISTEMA DI
GENERAZIONE
COLLEGATO IN AT
C
C
UTENZE AT
C
• 4 sistemi di trasporto
e trasformazioni
• 4 tecnologie GRID
- GRIDAAT
- GRIDAT
- GRIDMT
- GRIDBT
GRIDMT
RETE DI
DISTRIBUZIONE MT
MT
C
SISTEMA DI
GENERAZIONE
COLLEGATO IN MT
UTENZE MT
C
MT
C
GRIDBT
RETE DI
DISTRIBUZIONE BT
BT
C
C
SISTEMA DI GENERAZIONE
COLLEGATO IN BT
Ing. Maurizio Gargiulo
UTENZE BT
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ELCD
(BT)
ELCM
(MT)
ELCA
(AT)
ELCT
(AAT)
ELCP
(AAT)
FUEL
Il modello MATISSE: lo schema funzionale
La struttura del
modello MATISSE
- la Rete elettrica ed i
livelli di tensione
Ing. Maurizio Gargiulo
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18
Il lato domanda
Ing. Maurizio Gargiulo
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Il modello MATISSE: il lato domanda
La domanda di servizi energetici
La domanda generale di energia viene determinata utilizzando dati
previsionali di lungo periodo (al 2030), e tendo conto di ipotesi di
evoluzione nel tempo di misure legislative o di vincoli di mercato.
Sulla base dell’evoluzione della domanda e delle altre variabili esogene il
TIMES:
- determina il mix tecnologico ottimale dal punto di vista della
Funzione Obiettivo (Minimo costo del sistema);
- compatibilmente con i vincoli tecnologici ed ambientali definiti
dall’analista.
I vincoli (scelti dall’analista) riguardano:
standard ambientali da conseguire;
limiti normativi;
velocità di penetrazione di nuove tecnologie (market share);
disponibilità delle risorse.
Ing. Maurizio Gargiulo
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Il modello MATISSE: il lato domanda
La domanda di servizi energetici
Schema di previsione delle domande di servizi energetici
Fabbisogno termico
edifici (kcal/mq)
Fabbisogno personale
acqua calda sanitaria
(l/persona/giorno)
Domanda di servizio
energetico
2000
2030
Intensità o Elasticità
2000
2030
Illuminazione media
abitazioni (lumen/mq)
Intensità elettrica
del V.A. (kWh/€)
Elasticità al V.A.
Etc. …
Numero di addetti
Popolazione residente
Drivers
2000
2030
Numero di famiglie
Valore aggiunto
ai prezzi di base
Etc. …
Numero di abitazioni
Ipotesi di riferimento per i drivers
Ing. Maurizio Gargiulo
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Il modello MATISSE: il lato domanda
La domanda di servizi energetici
Nei modelli MARKAL-TIMES:
- la domanda è un dato di input esogeno;
- si parte dalla domanda di servizi energetici
-
Volumi di abitazioni da riscaldare [Mm3];
-
Litri di acqua calda da fornire [Glitri]
-
……..
- Il modello calcola i consumi elettrici:
-
per ogni singola tecnologia di domanda finale;
-
per livello di tensione.
Ing. Maurizio Gargiulo
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20
Il modello MATISSE: il lato domanda
Settore terziario
Settore residenziale
Freddo
Cottura
Acqua Calda Sanitaria
Illuminazione
Altre apparecchiature
Freddo
Entertainment
Tecnologie di uso finale
Climatizzazione
Tecnologie di uso finale
Apparecchiature uffici
Lato offerta
(produzione/scambio)
Domanda regionale
di energia elettrica
Servizi generali
Lavaggio Biancheria
Lavaggio Stoviglie
Condizionamento
Cottura
Acqua Calda Sanitaria
Illuminazione
Servizi per la casa
Settore trasporti
Servizi generali
Tecnologie di
uso finale
Trasporto urbano
Ferrovie ordinarie
Sistema AV
Trasporto a fune
Settore agricoltura e pesca
Tecnologie (dummy)
di uso finale
Tecnologie di uso finale
Forza motrice
Forza motrice
Forza motrice
Forza motrice
Forza motrice
Forza motrice
Forza motrice
Illuminazione
Illuminazione
Illuminazione
Illuminazione
Illuminazione
Illuminazione
Illuminazione
Forza motrice
Illuminazione
Energia termica
Energia termica
Energia termica
Energia termica
Energia termica
Energia termica
Energia termica
Energia termica
Altri servizi
Altri servizi
Altri servizi
Altri servizi
Altri servizi
Altri servizi
Altri servizi
Altri servizi
Metallurgia
Meccanica
Agroalimentare
Tessile
Materiali costr.
Chimica e petr.
Altre manifatt.
Edilizia
Settore industriale
Ing. Maurizio Gargiulo
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Il modello MATISSE: il lato domanda
Esempi degli andamenti di alcuni servizi energetici
Ing. Maurizio Gargiulo
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Il modello MATISSE: il lato domanda
Le tecnologie di domanda sono rappresentate attraverso i seguenti
parametri
- nome, descrizione, codice
- regione, segmento di domanda
- anno di ingresso nel mercato
- vita tecnica
- efficienza
- costi di investimento, di esercizio e manutenzione
- tasso di interesse (per calcolo ammortamenti)
- vincoli (cap. residua stock esistente, nuovi investimenti, ecc.)
TECNOLOGIA
[Efficienza] = GWh/unità di servizio
ELETTRICITA’
[GWh]
Ing. Maurizio Gargiulo
SERVIZIO
ENERGETICO
[unità di
servizio]
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Il modello MATISSE: il lato domanda
Le tecnologie di domanda
• Esempi di tecnologie di domanda del settore settore residenziale
sono:
- Lampade (incandescenza, alogene, a vapori di sodio,…)
- Frigoriferi (classe A, B,…)
- Boiler
- …….
• Tutte le tecnologie di domanda, caratterizzate dai parametri indicati
precedentemente, richiedono una valutazione della penetrazione nel
mercato (market share)
Ing. Maurizio Gargiulo
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Il lato offerta
Ing. Maurizio Gargiulo
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Il modello MATISSE: il lato offerta
La generazione elettrica
L’offerta di energia elettrica è rappresentata con un alto livello di
dettaglio:
- la rappresentazione degli impianti termoelettrici esistenti è di tipo “1
a 1” per quelli riportati negli elenchi del GRTN (AtlaRete);
- la rappresentazione degli impianti cogenerativi esistenti è di tipo “1 a
1” ma sono stati trattati come impianti di sola generazione elettrica
per non dover introdurre la domanda termica;
- gli impianti termoelettrici di cui non era nota la tipologia o le
caratteristiche sono stati ipotizzati come cicli combinati;
- quelli idroelettrici sono aggregati nei tre gruppi: serbatoio/bacino,
acqua fluente e pompaggio;
- per quelli che impiegano fonti rinnovabili si sono riportati degli
aggregati per l’eolico, il solare e la biomassa;
- sono stati inseriti i termo-valorizzatori presenti nella regione;
- per chiudere il bilancio GRTN sono state introdotte delle tecnologie
fittizie, con caratteristiche medie.
Ing. Maurizio Gargiulo
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23
Il modello MATISSE: il lato offerta
La generazione elettrica
L’assunzione della rappresentazione “1 a 1“ degli impianti comporta
un’elevata difficoltà di raccolta di dati coerenti ed affidabili sia per quanto
riguarda la capacità installata sia per la produzione annuale.
I dati utilizzati, provengono da fonte GRTN, dal CESI e dall’analisi dei dati
locali disponibili.
Il DB tecnologico, in generale è una delle criticità presenti nella
realizzazione di un modello a causa:
- dell’incompletezza dei dati;
- dell’incoerenza delle fonti.
Ing. Maurizio Gargiulo
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Il modello MATISSE: il lato offerta
Rappresentazione di una tecnologia di offerta
I parametri che permettono di rappresentare un impianto di produzione
elettrica (in termini tecnologici, economici ed ambientali) sono:
Parametri tecnologici
- la potenza installata (GW)
- il rendimento
- le modalità di funzionamento (contributo al carico di base e/o al
picco)
- il fattore di disponibilità (annuale o nei timeslices)
- la vita dell'impianto (anni)
GAS
Potenza Installata
- il tipo di combustibile utilizzato
- l’anno di costruzione
ELCP
Emissioni
CTE
Combustibile [PJ]
Parametri economici
- il costo di investimento (M€/GW);
- i costi annui fissi di O&M (M€/GW/a);
- i costi annui variabili di O&M (M€/GWh/a)
- le esternalità, le tassazioni, i sussidi,
Elettricità
Prodotta
[GWh]
Parametri ambientali
- I coefficienti di emissione (u.a./GWh) per i diversi inquinanti
24
PARTE TERZA
Esempi di Scenari analizzati
Ing. Maurizio Gargiulo
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Il modello MATISSE: esempi di scenari analizzati
Esempi di risultati ottenibili con il modello MATISSE
•
Consumo di combustibili per singola tecnologia, periodo per periodo;
•
Evoluzione del parco tecnologico di generazione e domanda;
•
Costo di sostituzione del parco tecnologico periodo per periodo:
- costi di investimento;
- costi di funzionamento e manutenzione;
- costo dei combustibili consumati;
•
Scambi con l’estero ed interregionali;
•
Emissioni totali, per tipologia di inquinante considerato, per tipologia
di combustibile consumato, per singola tecnologia di offerta e per ogni
regione analizzata
•
Analisi di politiche di riduzione delle emissioni di CO2, evidenziando:
- il potenziale di risparmio energetico e di riduzione delle emissioni di
inquinanti
- la competizione tra l’impiego di impianti di generazione centralizzati
o distribuiti
- le potenzialità di utilizzazione delle risorse rinnovabili
Ing. Maurizio Gargiulo
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25
Il modello MATISSE: esempi di scenari analizzati
Applicazioni del modello del sistema elettrico
• Analisi dell’evoluzione del sistema di generazione elettrica;
• Valutazione dei costi di sistema e del costo del kWh;
• Implementazione di:
-
politiche di riduzione
l’efficienza energetica);
dei
consumi
(Certificati
Bianchi
per
- politiche ambientali (Certificati Verdi, Kyoto);
• Introduzione della parte mancante del sistema energetico, per l’analisi
della competizione elettrico non elettrico per gli usi elettrici non
obbligati (Riscaldamento, Acqua calda sanitaria,….)
• Studio di possibili scenari evolutivi del sistema
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Il modello MATISSE: esempi di scenari analizzati
Gli Scenari
UNO SCENARIO NON E’
E’ UNA PREVISIONE !
Uno scenario è una descrizione di diversi futuri possibili
Uno scenario di settore è una possibile struttura del settore stesso
Gli scenari tecnologici sono “trame” alternative e coerenti
di evoluzione tecnologica, saldamente legate ai mercati
La traduzione corretta dall’inglese di “scenario” è “sceneggiatura”.
L’obiettivo dell’analisi mediante scenari non è indovinare
quello che accadrà, ma immaginare configurazioni alternative molteplici,
date certe condizioni ed entro ragionevoli limiti di probabilità.
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26
Esempi di Scenari Analizzati
In questa parte sono riportati alcuni esempi degli
scenari analizzati, così da mostrare le potenzialità del
sistema.
I “casi studio” riportati sono:
Minimi costi industriali (MCI)
Kyoto e post-Kyoto (KPK)
Rinnovabili (RINN)
Certificati Bianchi (CERB)
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Esempi di Scenari Analizzati
Scenario “MCI”
0.06
0.05
0.04
€/kWh
• fonti fossili:
• nessuna limitazione
alla disponibilità
• prezzi
0.03
0.02
0.01
2004 2005 2006 2007 2008 2010 2014 2018 2022 2026 2030
Carbone
Gas Naturale
Olio
Gasolio
• carbone: limite di potenza installabile pari alla capacità
complessiva degli impianti esistenti e autorizzati
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27
Esempi di Scenari Analizzati
Scenario “MCI” (2)
• fonti rinnovabili: nessun incentivo allo sviluppo
• importazione di elettricità dall’estero: realizzato (al 2015) il
programma decennale del GRTN, nessuna capacità aggiuntiva
• emissioni di gas serra: nessun vincolo
• altre emissioni: nessuna restrizione della legislazione attuale in materia
• realizzazione di nuovi impianti: nessun vincolo geografico
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Esempi di Scenari Analizzati
Scenario “KPK”
Obiettivi di riduzione delle emissioni
di CO2:
150
2005 - 2007: riduzione 10% PNA ET;
2008 - 2012: Direttiva EU ETS, Kyoto
Protocol;
post 2012: accordi post Kyoto.
140
130
120
Mt CO2
110
100
Utilizzo di meccanismi di flessibilità
(ET, CDM)
90
80
70
– disponibilità di EAU e CER
– due profili di prezzo a 25 e 50 €/t CO2
60
50
2005
2010
2015
2020
2025
2030
Anno
Ing. Maurizio Gargiulo
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28
Esempi di Scenari Analizzati
Scenario “RINN”
450000
400000
35
Rinnovabili
conseguimento nel 2020
dell’obiettivo di 76 TWh
30
Produzione
350000
Recepimento ritardato della
Direttiva Europea 2001/77/CE
sulla promozione delle fonti
rinnovabili :
%
25
250000
20
200000
15
Percen t u ale
En erg ia ( G W h )
300000
150000
Imposizione
quota
di
produzione da fonti rinnovabili
10
100000
5
50000
0
0
2004 2005 2006 2007 2008 2010 2014 2018 2022 2026 2030
Ing. Maurizio Gargiulo
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Esempi di Scenari Analizzati
La domanda di energia elettrica
450
Energia elettrica [TWh]
400
350
300
250
200
150
100
50
0
2006
2007
Abruzzo
Emilia Romagna
Lombardia
Puglia
Toscana
Ing. Maurizio Gargiulo
2008
Basilicata
Friuli Venezia Giulia
Marche
Sardegna
Umbria
2010
2014
Calabria
Lazio
Molise
Sicilia
Valle d'Aosta
2018
2020
Campania
Liguria
Piemonte
Trentino Alto Adige
Veneto
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29
Esempi di Scenari Analizzati
Scenario MCI - L’energia prodotta ed importata
500
450
Energia elettrica [TWh]
400
350
300
250
200
150
100
50
0
2006
2007
Abruzzo
Emilia Romagna
Lombardia
Puglia
Toscana
Importazione
Ing. Maurizio Gargiulo
2008
2010
Basilicata
Friuli Venezia Giulia
Marche
Sardegna
Umbria
Disponibilità in rete
2014
2018
Calabria
Lazio
Molise
Sicilia
Valle d'Aosta
2020
Campania
Liguria
Piemonte
Trentino Alto Adige
Veneto
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Esempi di Scenari Analizzati
Scenario MCI - L’energia prodotta per fonte
400
350
300
TWh
250
200
150
100
50
0
2 006
biogas
idroc. pes.
Ing. Maurizio Gargiulo
2 007
biomasse
idrico
2 008
carbone
olio
2 010
gas derivati
rifiuti
2 014
geot.
solare
2 018
gas nat.
eolico
2 020
gasolio
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30
Esempi di Scenari Analizzati
Scenario MCI - Bilanci energetici regionali (GWh)
2020
Produzione netta
Pompaggi
Import da estero
Trade regionali in
Trade regionali out
Energia immessa in
rete
Perdite
Energia destinata ai
consumi
Domanda
Lombardia
68 698
3 305
34 164
10 618
17 017
93 158
PIE
10 618
EMR
TAA
16 591
426
6 232
86 927
86 927
2020
Produzione netta
Pompaggi
Import da estero
Trade regionali in
Trade regionali out
Energia immessa in
rete
Perdite
Energia destinata ai
consumi
Domanda
Ing. Maurizio Gargiulo
Puglia
46 251
1 418
24 776
BAS 14 821
CAM 6 636
MOL
3 318
22 893
1 497
21 395
21 395
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Esempi di Scenari Analizzati
Scenario MCI - Bilanci energetici regionali (2)
Produzione totale in Lombardia (MCI)
16000
14000
12000
10000
GWh
8000
6000
4000
2030
2022
2000
2014
0
2008
Au- Au-N
In-G In-N
G
Pr-G Pr-N
Es-G Es-N
2006
Periodo dell'anno (timeslice)
Ing. Maurizio Gargiulo
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Esempi di Scenari Analizzati
Scenario MCI - Bilanci energetici regionali (3)
Flussi di energia da Lombardia a Emilia R. (MCI)
6000
5000
4000
GWh
3000
2000
2030
1000
2022
2014
0
2008
Au-G Au-N
In-G
In-N Pr-G
2006
Pr-N Es-G
Es-N
Periodo dell'anno (timeslice)
Ing. Maurizio Gargiulo
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Esempi di Scenari Analizzati
300
200
400
100
-
2006
300
TWh
MCI
KPK
carbone gas nat.
400
300
200
100
-
RINN
olio altre
TWh
TWh
Confronto tra scenari - Il contributo delle principali fonti
400
200
100
2010
MCI
KPK
carbone gas nat.
RINN
olio altre
2020
\
MCI
KPK
RINN
carbone gas nat. olio altre
Ing. Maurizio Gargiulo
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32
Esempi di Scenari Analizzati
Confronto tra scenari - Il contributo delle principali fonti
2006
KPK
gas nat.
TWh
60
MCI
carbone
RINN
olio idro
60
2006
40
20
-
KPK
gas nat.
60
2010
40
KPK
gas nat.
RINN
olio idro
2020
40
20
20
RINN
olio altre
2020
MCI
carbone
RINN
olio idro
0
MCI
KPK
carbone gas nat.
Ing. Maurizio Gargiulo
TWh
2010
80
60
40
20
-
T
Wh
MCI
carbone
80
60
40
20
-
TWh
80
60
40
20
-
TWh
TWh
Dettaglio regionale
MCI
KPK
carbone gas nat.
MCI
carbone
RINN
olio altre
KPK
gas nat.
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RINN
olio altre
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Esempi di Scenari Analizzati
Confronto tra scenari: emissioni di CO2 _ (test 25 €/ton)
200
180
160
Mt (CO2)
140
120
100
80
60
40
20
2 006
2 007
2 008
per & cred
Ing. Maurizio Gargiulo
2 010
em KPK
2 014
2 018
2 022
obiettivo riduzione
2 026
2 030
em. MCI
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Pavia, 28 Maggio 2008
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33
Esempi di Scenari Analizzati
Confronto tra scenari: emissioni di CO2 _ (test 50 €/ton)
200
180
160
Mt (CO2)
140
120
100
80
60
40
20
2 006
2 007
2 008
perm & cred
Ing. Maurizio Gargiulo
2 010
2 014
em KPK
2 018
2 022
2 026
obiettivo riduzione
2 030
em. MCI
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Esempi di Scenari Analizzati
Confronto tra scenari- Penetrazione delle tecnologie
Differenza scen KPK e MCI
2 004 2 005 2 006 2 007 2 008 2 010 2 014 2 018 2 022 2 026 2 030
Differenza Capacità Totale (GW)
15
10
5
-5
biogas
gas nat.
rifiuti
Ing. Maurizio Gargiulo
biomasse
gasolio
solare
carbone
idroc. pes.
eolico
gas derivati
idrico
geot.
olio
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34
Esempi di Scenari Analizzati
Confronto tra scenari- Penetrazione delle tecnologie
Differenza scen RINN e MCI
Differenza Capacità Totale (GW)
2 004 2 005 2 006 2 007 2 008 2 010 2 014 2 018 2 022 2 026 2 030
15
10
5
-5
biogas
geot.
idrico
eolico base
Ing. Maurizio Gargiulo
biomasse
gas nat.
olio
eolico esteso
carbone
gasolio
rifiuti
gas derivati
idroc. pes.
solare
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Esempi di Scenari Analizzati
Confronto tra scenari - Differenza costi scen KPK e MCI
2500
Differenza costi (Meuro)
2000
1500
1000
O&M
Investimento
Combustibili
Perm & cred
500
0
2004 2005 2006 2007 2008 2010 2014 2018 2022 2026 2030
-500
-1000
-1500
Ing. Maurizio Gargiulo
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35
Esempi di Scenari Analizzati
Confronto tra scenari - Differenza costi scen RINN e MCI
2500
O&M
Investimento
Combustibili
Differenza costi (Meuro)
2000
1500
1000
500
0
2004 2005 2006 2007 2008 2010 2014 2018 2022 2026 2030
-500
-1000
-1500
Ing. Maurizio Gargiulo
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Esempi di Scenari Analizzati
Bilancio sulle reti
per la Lombardia
Anno 2010
Scenario Base
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Esempi di Scenari Analizzati
Scenario “CERB”
Le principali ipotesi sono:
- Scenario di riferimento il KPK
- Rimozione dei vincoli di competizione tra le tecnologie di domanda
- Impostazione di un vincolo superiore globale sui consumi annuali di
energia elettrica sulla base della legislazione corrente.
La sola differenza tra i due scenari è che il “CERB” adotta come target
nazionale un risparmio energetico cumulato per la promozione delle
tecnologie di uso finale a maggior efficienza
Ing. Maurizio Gargiulo
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Esempi di Scenari Analizzati
Contributo al risparmio energetico dai diversi settori
40000
GWh
30000
20000
10000
0
2004
2005
2006
2007
2008
2010
2014
2018
2022
2026
Agriculture
0
0
0
0
1
1
31
14
28
39
Transportation
0
0
0
0
0
0
0
1
3
4
Residential
22
44
59
70
91
144
5328
13963
22385
29996
Service
1323
1206
221
300
240
291
819
137
55
17
Industrial
0
160
163
166
190
175
918
239
443
170
Industrial
Ing. Maurizio Gargiulo
Service
Residential
Transportation
Agriculture
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Esempi di Scenari Analizzati
Evoluzione del risparmio energetico per differenti gruppi di
tecnologie nel settore residenziale
Ing. Maurizio Gargiulo
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VEDA_FE
Informazioni sulla struttura
(RES)
Processi (dispositivi di
domanda)
Domanda
V.A
.
LC
Energy
carrier
F_E
P_
HY
D
P_S
OL
P_W
IND
GE
OT
P_
RSU
P_B
IOM
P_
P_
NG
P_H AS
CO
OIL
IMPORTAZIONE
Processi (tecnologie di
conversione)
OIL
_P
Sem
_F
S_G
AS
Combustibili
secondari
Fonti primarie
P_
Interfaccia
Grafica
Dati numerici in formato
EXCEL per la costruzione
dei TEMPLATES
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Turbogas
Industria
tessile
Impianti a
vapore
Industria
meccanica
idroelettrico
ESTRAZIONE
Industria
metallurgica
Motori a
combustione
interna
Usi elettrici
obbligati
Ciclo
combinato
GAMS
TIMES
Preprocessor/Interpolazione dati
Valori di default
Controllo di consistenza
Solutore esterno
CPLEX
Equazioni/Funzione obiettivo
Equazioni che definiscono la
struttura del sistema energetico
Vincoli dell’utente
Routine di Output
File dei Risultati letti con
VEDA_BE – Interfaccia grafica
Possibilità di esportare in EXCEL
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LAME – Laboratorio di Analisi e Modelli Energetici Dipartimento di
Energetica – Politecnico di Torino
CESIRICERCA – Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano
AIEE – Associazione Italiana Economisti dell’Energia
Dipartimento di Energetica - Politecnico di Milano
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