Decarbonization of Local Energy Systems: GHG Emissions Accounting Comparison and Renewable Energy Integration in Energy Communities

Questa tesi intende affrontare i temi della riduzione delle emissioni e della volatilità dei prezzi dell'energia attraverso lo sviluppo di strumenti per il calcolo delle emissioni legate ai consumi energetici, la valutazione del potenziale dell’autoproduzione da fonti rinnovabili e l’analisi del ruolo delle amministrazioni pubbliche e delle comunità energetiche nel raggiungimento degli obiettivi di neutralità climatica e riduzione dei costi. La ricerca è articolata in quattro ambiti tematici, ciascuno sviluppato in un articolo scientifico distinto, con un contributo finale che integra i risultati ottenuti. Il punto di forza del lavoro risiede nello sviluppo di metodologie integrate che combinano il bilancio delle emissioni con la valutazione tecnico-economica dei sistemi energetici rinnovabili, applicate a casi studio reali. Tutte le analisi sono state condotte utilizzando software open-source, con codice reso disponibile pubblicamente per favorire trasparenza e riproducibilità. I primi due articoli confrontano diverse metodologie per il calcolo delle emissioni associate ai consumi energetici in reti termiche ed elettriche. Il primo articolo, focalizzato su una rete di teleriscaldamento alimentata da un impianto di cogenerazione a ciclo combinato, confronta i metodi standard annuali con una nuova metodologia basata su dati orari reali. I risultati mostrano un fattore di emissione medio annuo pari a 102 kgCO₂/MWh, circa la metà rispetto a sistemi individuali a gas, evidenziando i benefici ambientali della produzione centralizzata di calore. I metodi standard sovrastimano le emissioni di quasi tre volte. Il secondo articolo analizza i fattori di emissione della rete elettrica nel Nord Italia, evidenziando una variazione compresa tra 214 e 404 kgCO₂eq/MWh a seconda della metodologia impiegata. In entrambi i casi, le fluttuazioni orarie dei fattori di emissione, legate soprattutto al maggiore utilizzo di fonti fossili nelle ore di maggior consumo, dimostrano l’utilità di un approccio temporale per stimare le emissioni legate a differenti profili di consumo. Per analizzare strategie di riduzione delle emissioni e contenimento dei costi, è stata approfondita il tema degli impianti fotovoltaici su tetto. Poiché l'analisi tecno economica si basa su simulazioni open-source, il terzo articolo confronta diversi strumenti e dataset con dati misurati ad alta risoluzione in vari contesti geografici. I risultati mostrano che la produzione è spesso sovrastimata nei giorni nuvolosi e che le simulazioni orarie non catturano completamente le fluttuazioni di breve durata, sebbene l’accuratezza stia migliorando con l’evoluzione dei software. Un coefficiente di correzione ricavato in questo studio è stato applicato nel quarto articolo, che presenta un’analisi tecnico-economica di impianti fotovoltaico installati su edifici scolastici, con particolare attenzione al ruolo delle comunità energetiche. I risultati indicano che la capacità ottimale corrisponde all’intera superficie disponibile del tetto. Gli impianti permettono una riduzione media dei costi energetici del 65%, con risparmi fino a 1,5 milioni di euro l’anno. Le comunità energetiche migliorano ulteriormente la sostenibilità finanziaria, riducendo il tempo di ritorno dell’investimento da 9 a 6 anni e coprendo fino al 96% dei costi elettrici delle scuole. Infine, la ricerca dimostra che gli impianti PV su tetto possono ridurre le emissioni scolastiche di circa il 35% considerando l’approccio orario Scope 3. Il raggiungimento della neutralità climatica dipende dalla continua decarbonizzazione della della rete elettrica e termica, un processo tuttora in corso. In conclusione, la tesi evidenzia l’importanza di un approccio integrato che combini il calcolo delle emissioni basato su dati reali, l’autoproduzione da fonti rinnovabili e il coinvolgimento delle comunità energetiche per supportare la transizione energetica dei sistemi locali.

In a world increasingly affected by global warming and volatile energy prices, public and private entities are confronted with two major challenges: reducing greenhouse gas emissions and managing energy costs. This thesis aims to address both issues through the development of tools to support the calculation of emissions from energy consumption, assess the potential of renewable self-production, and study the roles of public administrations and energy communities in achieving net-zero targets and reducing energy costs. The thesis is organized into four research areas, each presented in a separate paper, with a final contribution emerging from the integration of their findings. The main strength of this work lies in the development of integrated methodologies that combine emission accounting and techno-economic evaluation of renewable energy systems, applied to real case studies. Additionally, all analyses are conducted using open-source software, and the codes are made publicly available to promote transparency and reproducibility in other contexts. The first two papers compare methods for calculating emissions related to energy consumption in thermal and electrical networks. Paper I on the district heating system compares standard annual accounting methodologies with a method that uses detail real-hourly data from an operational network powered by a combined-cycle cogeneration plant. The results obtained with a new developed methodology, show an average annual emission factor of 102 kgCO2/MWh, which is around half the value associated with individual gas combustion systems, highlighting the environmental benefits of centralized heat production. The standard methodology estimates a value nearly three times higher. Paper II examines different methodologies for calculating emission factors for the electrical grid. In Northern Italy, annual emission factors range from 214 to 404 kgCO{2eq}/MWh, depending on the methodology used. In both studies, the results reveal significant fluctuations in emission factors within the day, primarily due to increased fossil fuel use during periods of peak demand. Applying hourly emission factors to different user profiles allowed for the assessment of differences from annual average estimates. To explore strategies for reducing emissions and stabilizing energy costs in local energy systems, rooftop photovoltaic (PV) systems were examined in detail. Since cost estimates are based on PV power production data from open-source simulation tools, Paper III presents a comparative study that evaluates several tools and datasets against high-resolution measured data from PV systems across different locations. The results show that hourly simulations do not fully capture short-term fluctuations, although the accuracy of these tools continues to improve with new versions developments. A correlation factor identified in Paper III was applied in Paper IV, which presents a techno-economic analysis of rooftop PV installations on school buildings, with a particular focus on the role of energy communities. The results indicate that the optimal PV capacity corresponds to the maximum available rooftop area. PV installations reduce the schools’ annual energy expenses by 65%, resulting in savings of up to 1.5 million euros per year. Furthermore, energy communities improve financial performance shortening payback periods from 9 to 6 years, covering up to 96% of a school’s electricity costs. Finally, the research shows that rooftop PV installations can reduce school-related emissions by around 35% under the Scope 3 hourly approach. Reaching net-zero emissions depends on the continued decarbonization of the electricity grid. In conclusion, the overall thesis highlights the importance of an integrated approach that combines data-driven emission accounting, renewable self-production, and energy communities to support the decarbonization of local energy systems.