Towards Sustainable Energy Communities: Strategies for enhancing energy efficiency and self-sufficiency in electrical and thermal systems

Le comunità energetiche rappresentano uno strumento promettente per rafforzare l’autonomia dei sistemi energetici locali, promuovendo il coinvolgimento attivo degli utenti, l’integrazione di fonti rinnovabili e la loro gestione collettiva. Combinando innovazione tecnologica e governance partecipativa, le Comunità Energetiche Rinnovabili (REC) favoriscono l’aumento dell’autosufficienza energetica, migliorando efficienza e resilienza del sistema. La presente tesi analizza tre elementi complementari per potenziare l’autosufficienza nelle REC sostenibili, adottando un quadro metodologico comune basato su simulazioni dinamiche a risoluzione temporale, indicatori quantitativi e confronti tra scenari. L’approccio è applicato sia a sistemi comunitari basati sull’elettrico sia a sistemi integrati elettrico–termici. Il primo elemento riguarda la flessibilità comportamentale individuale e il suo impatto sulla performance collettiva. Attraverso un esperimento di gamification che ha coinvolto 192 studenti, è stata valutata la possibilità di spostare nel tempo una parte della domanda elettrica grazie alla volontà degli utenti. I risultati mostrano che i partecipanti i, quando operano come membri di una comunità, sono disposti a rendere flessibile circa il 45,4% della propria domanda giornaliera (il 4% in più rispetto a prosumer singoli). Ciò migliora l’allineamento tra produzione rinnovabile e consumi, aumentando la condivisione di energia e riducendo il deficit energetico di circa il 5% rispetto a uno scenario senza flessibilità. In seguito, viene analizzata la flessibilità lato produzione attraverso configurazioni ibride fotovoltaico-biomassa che combinano fonti rinnovabili variabili e programmabili. L’integrazione della cogenerazione a biomassa consente un incremento del 42% dell’autosufficienza e del 35% nel risparmio sui costi operativi rispetto a sistemi esclusivamente fotovoltaici. Inoltre, il modello incentivante delle REC italiane contribuisce a rendere economicamente competitiva la cogenerazione a biomassa su piccola scala. Infine, è stata considerata l’integrazione del vettore termico nei sistemi comunitari, attraverso reti di teleriscaldamento a bassa e ultra-bassa temperatura. In un caso studio a scala distrettuale, vengono valutati l’integrazione di pompe di calore centralizzate e distribuite, di fonti rinnovabili e di sistemi di accumulo termico. L’utilizzo di pompe di calore centralizzate e distribuite combinate con fonti rinnovabili ha mostrato un aumento dell’efficienza exergetica del 21% e una riduzione delle emissioni di CO₂ del 22% rispetto a sistemi convenzionali basati su cogenerazione. Inoltre, una gestione ottimizzata dell'accumulo termico consente, grazie al disaccoppiamento di produzione e domanda di calore, di ridurre i picchi di carico e di operare in condizioni più favorevoli, aumentando l'indipendenza dalle reti esterne (-24% di deficit energetico). In tale contesto, è stata sviluppata una metodologia dedicata per derivare una strategia di controllo basata su regole (RBC) a partire da un modello predittivo ideale (MPC), mantenendo benefici energetici e operativi comparabili con una minore complessità e una maggiore applicabilità in contesti reali. Nel complesso, i risultati forniscono indicazioni operative per le politiche energetiche, evidenziando l’importanza di incentivare la flessibilità lato domanda e sostenere fonti rinnovabili programmabili su piccola scala. Si promuove inoltre la transizione verso architetture integrate elettrico–termiche con reti a bassa temperatura, pompe di calore, accumulo e strategie di controllo semplici ed economicamente sostenibili.

Energy communities have emerged as a promising solution to enhance the autonomy of local energy systems by fostering user engagement, integrating local renewable energy sources, and enabling their collective management. By combining technological innovation with participatory governance, Renewable Energy Communities (RECs) create favourable conditions for increasing energy self-sufficiency while also improving system efficiency and resilience. This thesis investigates three different elements for enhancing self-sufficiency in sustainable RECs, employing a common methodological framework based on time-resolved simulations, quantitative performance indicators, and scenario-based comparisons. This framework is applied to both electricity-based REC configurations and integrated electrical–thermal community systems. First, the influence of individuals’ behavioural flexibility on collective energy performance is investigated. The study was conducted using an innovative gamification approach involving 192 students. By enabling the temporal shifting of flexible electricity demand, users can improve the alignment between local renewable generation and consumption, enhancing peer-to-peer energy sharing. Gamification results show that participants were willing to adjust approximately 45.4% of their daily demand when acting as community members (+4% flexibility increase compared to individual prosumers). This results in a potential increase in collective self-sufficiency and a reduction in the energy deficit by approximately 5%, compared to a scenario where no flexibility is applied. Then, supply-side flexibility is analysed through hybrid PV–biomass configurations combining variable and dispatchable renewable sources. Systems integrating biomass-based cogeneration significantly outperform PV-only solutions, with improvements of 42% in self-sufficiency and 35% in operational cost savings. Moreover, the REC framework creates the regulatory and market conditions necessary for small-scale biomass cogeneration to be economically competitive. Finally, the research investigates the benefit of including the thermal vector as an additional energy carrier, alongside the electrical one, considering low- and ultra-low temperature district heating networks (DHNs). The integration of centralized and distributed heat pumps together with thermal energy storage (TES) is assessed in a district-scale case study. Transitioning from conventional cogeneration-based systems to renewable-powered low-temperature DHNs increases exergy efficiency by 21% and reduces CO₂ emissions by 22%. Additionally, properly managed TES, through the decoupling of heat generation and demand, reduces peak loads, and allows operation under more favourable conditions, leading to higher independence from external grids (-24% of energy deficit). In that regard, a dedicated methodology was developed to derive a rule-based control (RBC) strategy from an ideal model predictive control (MPC). RBC achieves comparable energy and operational benefits with respect to MPC, while maintaining lower complexity and improved applicability in real-world contexts. Overall, the Thesis’s findings offer concrete guidance for policy design, emphasising the importance of incentivising demand-side flexibility mechanisms within RECs and creating favourable regulatory conditions for small-scale dispatchable renewables, such as biomass-based cogeneration. The evolution of traditional tri-generation systems is also encouraged, moving towards integrated thermal and electrical architectures supported by low-temperature DHNs, renewable heat sources, heat pumps, and TES, alongside straightforward, cost-effective control strategies.