Integrated optimization of power-to-gas and gas-to-power architectures into multi-energy systems

The transition toward 100% renewable energy systems is hindered by the seasonal mismatch between generation and demand. In this framework, Power-to-Gas technologies play a crucial role, specifically when understood as Power-to-Methane, thereby bypassing the high costs and logistical complexities associated with direct Power-to-Hydrogen chains. To address the integration of these vectors, the Three-Pipeline Gas Grid (3PGG) concept—featuring separate pipelines for synthetic methane, carbon dioxide, and oxygen—emerges as a promising infrastructure solution. However, current literature lacks a comprehensive framework for the detailed modeling and holistic optimization of such architectures within Multi-Energy Systems (MES). This study addresses this gap by developing a Mixed-Integer Linear Programming (MILP) model to simulate the integrated optimal design and operation of a MES embedding the 3PGG concept. The proposed optimization approach simultaneously sizes conversion technologies, storage systems, and energy networks, managing the hourly interaction between electrical, thermal, and gas flows to minimize total system costs. By enforcing strict constraints on energy autonomy and carbon neutrality through a closed-loop Power-to-Gas-to-Power cycle, the model demonstrates the technical feasibility of the concept. Results highlight its economic competitiveness particularly in retrofit scenarios applied to isolated micro-grids, where summer photovoltaic surplus is effectively shifted to winter demand via oxy-combustion. Furthermore, the analysis confirms that this configuration remains attractive in grid-connected contexts with pre-existing gas infrastructure, successfully closing the carbon loop.

La transizione verso sistemi energetici 100% rinnovabili è ostacolata dal disallineamento stagionale tra generazione e domanda. In questo contesto, le tecnologie Power-to-Gas giocano un ruolo cruciale, specificamente se intese come Power-to-Methane, permettendo così di aggirare gli elevati costi e le complessità logistiche associate alle filiere dirette Power-to-Hydrogen. Per affrontare l'integrazione di questi vettori, il concetto di Three-Pipeline Gas Grid (3PGG) — caratterizzato da condotte separate per metano sintetico, anidride carbonica e ossigeno — emerge come una promettente soluzione infrastrutturale. Tuttavia, la letteratura attuale manca di un quadro completo per la modellazione dettagliata e l'ottimizzazione olistica di tali architetture all'interno dei Sistemi Multi-Energia (MES). Questo studio colma tale lacuna sviluppando un modello di Programmazione Lineare Mista-Intera (MILP) per simulare la progettazione e l'operatività integrata ottimale di un MES che incorpora il concetto 3PGG. L'approccio di ottimizzazione proposto dimensiona simultaneamente le tecnologie di conversione, i sistemi di accumulo e le reti energetiche, gestendo l'interazione oraria tra flussi elettrici, termici e di gas per minimizzare i costi totali del sistema. Imponendo vincoli rigorosi sull'autonomia energetica e sulla neutralità carbonica attraverso un ciclo chiuso Power-to-Gas-to-Power, il modello dimostra la fattibilità tecnica del concetto. I risultati evidenziano la sua competitività economica, in particolare negli scenari di retrofit applicati a micro-reti isolate, dove il surplus fotovoltaico estivo viene efficacemente spostato verso la domanda invernale tramite ossicombustione. Inoltre, l'analisi conferma che questa configurazione rimane attraente in contesti connessi alla rete con infrastrutture gas preesistenti, chiudendo con successo il ciclo del carbonio.