15.4 Metodo
Un quartiere di 50 famiglie è stato assunto uno «Smarthood», con una struttura acquaponica multiloop disaccoppiata presente che è in grado di fornire pesce e verdure a tutti i 100 abitanti dello Smarthood.
Per la modellazione dettagliata dello Smarthood, è stato utilizzato un ipotetico caso di riferimento di un quartiere periferico di Amsterdam, composto da 50 famiglie (case) con una occupazione familiare media di 2 persone per famiglia (100 persone totali). Inoltre, un impianto acquaponico urbano è costituito da una serra, un sistema di acquacoltura, un UASB e un’unità di distillazione. Il dimensionamento dei diversi componenti è motivato utilizzando i dati relativi a una tipica famiglia olandese e serra (cfr. tabella 15.1).
15.4.1 Il modello del sistema energetico
È stato realizzato un modello di sistema energetico (ESM) in grado di simulare i flussi di energia di una vasta gamma di componenti, le cui specifiche principali sono riportate nella tabella 15.2. L’ESM è in grado di calcolare i flussi energetici per ogni componente per ogni ora dell’anno.
Tabella 15.1 Requisiti alimentari ed energetici per persona/famiglia nei Paesi Bassi
tavolo testata tr td/td Media (pro capito/anno) /esimo Totale (100 persone) /th ThSource/TH /tr /testata tbody tr th colspan=4cibo/th /tr tr Consumo vegetale (Paesi Bassi) /td td 33 kgsupa/sup (mentre u73 kg/u sono raccomandati /td td 7300 kg /td td EFSA (2018) /td /tr tr class=“dispari» TDREquired zona serra/td td Circa 4 msup2/sup /td td 400 msup2/sup /td td Stima in base al min. raccomandazione di consumo /td /tr tr class=“even» Consumo TDfish/td td 20 kg /td td 2000 kg /td td FAO (2015) /td /tr tr class=“dispari» TdRequired Volume di acquacoltura supb/sup/td td 0,2 msup3/sup /td td 20 msup3/sup /td td Stima /td /tr tr th colspan=4 Energia/th /tr tr class=“dispari» TDConsumo di calore domestico (Paesi Bassi) /td td 6500 kWhsubth/Sub/Casa/anno /td td 325 MWhsubth/Sub/anno /td td CBS (2018) /td /tr tr class=“even» td rowspan=2RAS consumo di elettricità/td td rowspan=2 0,05—0,15 kWsube/SUB/MSUP3/SUP /td td 1—3 kWsube/sub /td td rowspan=2 (Espinal, pers. comunicazione) /td /tr tr class=“dispari» td 8,76—28,26 MWHsube/Sub/ anno /td /tr /tbody /tavolo
SUPA/SUPLa persona media olandese mangia 50 kg di verdure all’anno. Tuttavia, solo 33 kg di verdure che possono essere coltivate in sistemi idroponici, che sono fruttificazione verdure 31.87 g/giorno, verdure brassica 22,11 g/giorno, verdure a foglia 12,57 g/giorno, legumi 19,74 g/giorno, verdure staminali 4,29 g/giorno
SUPB/supConsiderando una densità massima di pesce di 80 kg/msup3/sup
Tabella 15.2 Componenti di produzione
tavolo testata tr class = header» Thcomponente/th th Dimensioni /th th Specifici /th /tr /testata tbody tr class=“dispari» TDSolar PV/TD td 40 kWsubp, e/sub /td td Eta: 0.15 /td /tr tr class=“even» TDurban eolico turbina/td td 20 kWsubp, e/sub /td td Eta: 0.33 /td /tr tr class=“dispari» Pompa TDheat/td td 10 kWsubp, e/sub /td td POLIZIOTTO: 4.0 /td /tr tr class=“even» TDCHP/TD td 20 kWsubp, e/sub /td td EtaSubel/sub: 0,24, etasubth/sub = 0,61 /td /tr tr class=“dispari» TDFuel cella/td td 10 kWsubp, e/sub /td td Eta: 0.55 /td /tr tr class=“even» TDElectrolyser/TD td 20 kWsubp, e/sub /td td Eta: 0.45 /td /tr tr class=“dispari» TDBattery/TD td 200 kWh /td td Eta: 0.90 /td /tr tr class=“even» Serbatoio di acqua calda/td td 930 kWh /td td 40—60C /td /tr tr class=“dispari» Serbatoio TDhydrogen/td td 1000 kWh /td td 30 kg di stoccaggio Hsub2/sub /td /tr /tbody /tavolo
Il sistema energetico è stato modellato in MATLAB utilizzando i dati del profilo energetico per Amsterdam ottenuti tramite DesignBuilder. Il modello numerico delle serie temporali incorpora un’ampia selezione di tecnologie energetiche, elencate nella tabella 15.2 con le relative specifiche (fig. 15.4).
Il modello di sistema energetico (ESM) utilizza semplici dichiarazioni condizionali per il processo decisionale, cioè si tratta di un sistema di controllo basato su regole. Nella versione attuale di questo modello, il controllo è centralizzato, con l’obiettivo dell’autoconsumo
Fig. 15.4 Il modello acquaponics microgrid (F. de Graaf 2018), che mostra i bilanci energetici per la potenza (diagramma superiore) e il calore (diagramma inferiore) per il caso di riferimento (Amsterdam)
massimizzazione per il sistema nel suo complesso (in una versione futura, l’architettura di controllo sarà decentrata, cfr. Sez. 15.5). Le dichiarazioni condizionali per raggiungere questo obiettivo possono essere dichiarate come segue:
Mantenere l’accumulo di calore al minimo.
Prevedere la produzione e il consumo di elettricità inflessibile prevista.
(a) Se la batteria è piena, attivare il consumo flessibile.
(b) Se la batteria è scarica, attivare la generazione flessibile.
Mantenendo al minimo l’accumulo di calore, il buffer per il bilanciamento energetico flessibile viene massimizzato. In caso di sovrapproduzione di elettricità inflessibile (cioè produzione di elettricità che non può essere programmata o controllata in modo flessibile, come solare o eolica), la pompa di calore può essere attivata per creare un tampone fornito dallo stoccaggio dell’acqua calda e dalla massa termica del sistema RAS acquaponico. Al contrario, se vi è una sottoproduzione di elettricità, è possibile accendere la generazione flessibile come la cogenerazione e la cella a combustibile, utilizzando così la capacità di accumulo termico.
Sia per il calore che per l’energia elettrica, il bilancio energetico è equivalente a
$P_ {gen, flex} + P_ {gen, inflex} + P_ {grid} = P_ {cons, inflex} + P_ {cons, flex} + P_ {storage} $ (15.1)
Le generazioni flessibili includono la pompa di calore, l’unità combinata di calore e potenza (CHP), la cella a combustibile, la batteria e i dispositivi intelligenti e flessibili (ad esempio pompe aquaponiche). Eolico, solare fotovoltaico (PV) e collettori solari sono classificati come generazione inflessibile. I dispositivi non flessibili costituiscono la maggior parte del consumo di elettricità, specialmente in inverno (a causa della necessità di illuminazione istantanea) (Fig. 15,5).
Fig. 15.5 Esempio dei flussi energetici (diagramma Sankey) di una possibile configurazione integrata di microgrid a De Ceuvel (de Graaf 2018), comprendente un biodigestore per la produzione di biogas. Questa particolare configurazione non include l’unità combinata di calore e potenza presente nel concetto di Smarthood, né tiene conto di una grande struttura acquaponica