Realizzazione di un’applicazione di Digital Twin per una rete di teleriscaldamento finalizzata al riutilizzo del calore di scarto prodotto da un’acciaieria

District heating supplied by industrial waste heat is one of the levers for decarbonising urban heating, and digital twins provide the tools to manage its operation. The literature, however, shows a shortage of physics-based models applied at network scale to coordinate sources, storage and demand. This work, carried out within a European research project, develops the physics-based digital model at the core of the digital twin of a real district heating network supplied by waste heat from a steel mill. The model, based on a hydraulic-thermal formulation of the network, represents twelve consumers, two heat recovery sources and an auxiliary generator; demand profiles are built with the energy signature method from a typical meteorological year. Under nominal conditions, recovered heat covers the entire heating-season demand of about 11,760 MWh without the auxiliary generator, avoiding about 1,170 t of gas oil and 3,740 t of CO₂. The most critical condition is the preventive maintenance of the furnace heat recovery exchanger: when scheduled at fixed intervals in the coldest months, about 19% of the demand during maintenance hours remains unserved, critical consumers included. When placed by the model in minimum-demand windows, it leaves no deficit; this yields an operating rule — performing maintenance with an outdoor temperature of at least 6 °C — which is met in about half of the hours of the season. Thermal storage reduces the deficit by 18 to 45% depending on its size, its contribution being limited by the exchange power, and lowers the threshold to 4 °C, raising the hours available for maintenance to 67%. The work addresses the need for physical fidelity in digital twin models and partly contributes to the coordination of sources and storage; validation against measured data and the integration of an optimisation agent are left as future developments. Finally, the general nature of the tool allows it to be used in the design of new networks.

Il teleriscaldamento alimentato dal calore di scarto industriale è una delle leve della decarbonizzazione del riscaldamento urbano, e il gemello digitale offre gli strumenti per gestirne l’esercizio. La letteratura evidenzia tuttavia la scarsità di modelli a base fisica impiegati a scala di rete per coordinare sorgenti, accumulo e domanda. Il presente lavoro, svolto nell’ambito di un progetto di ricerca europeo, sviluppa il modello digitale a base fisica che costituisce il nucleo del gemello digitale di una rete di teleriscaldamento reale, alimentata dal calore di scarto di un’acciaieria. Il modello, fondato su una formulazione idraulico-termica della rete, rappresenta dodici utenze, due sorgenti di recupero e un generatore ausiliario; i profili di domanda sono costruiti con il metodo della firma energetica a partire da una serie climatica tipo. In condizioni nominali il calore di recupero copre l’intero fabbisogno della stagione di riscaldamento, pari a circa 11.760 MWh, senza ricorso all’ausiliaria, evitando circa 1.170 t di gasolio e 3.740 t di CO₂. La condizione più critica è la manutenzione preventiva dello scambiatore di recupero del forno: collocata a calendario nei mesi più freddi, lascia scoperto circa il 19 % della domanda nelle ore di intervento, utenze critiche comprese. Collocata con il modello nelle ore di minima richiesta, non lascia alcun deficit; ne discende una regola operativa, intervenire con una temperatura esterna di almeno 6 °C, soddisfatta in circa metà delle ore della stagione. Un accumulo termico riduce il deficit dal 18 al 45 % secondo la taglia, con un contributo limitato dalla potenza di scambio, e abbassa la soglia fino a 4 °C, portando al 67 % le ore utilizzabili per la manutenzione. Il lavoro risponde all’esigenza di fedeltà fisica dei modelli e contribuisce in parte al coordinamento fra sorgenti e accumulo; la validazione su dati misurati e l’integrazione di un agente di ottimizzazione costituiscono gli sviluppi futuri. Il carattere generale dello strumento ne consente infine l’impiego nella progettazione di nuove reti.