Methods and tools for the optimization of renewable technologies and hybrid energy systems. Metodi e strumenti per l'ottimizzazione di tecnologie rinnovabili e sistemi energetici ibridi

The United Nations (UN) project "Sustainable energy for all" sets three ambitious objectives to favor a sustainable development and to limit climate change: - Universal access to modern energy services. Electricity is currently not available for 1.3 billion people and the global energy demand is expected to grow of about 35% within 2040, due to the increasing world population and the expanding economies - Double the global rate of improvement in energy efficiency - Double the share of renewable energy sources (RESs) in the global energy mix In addition, according to the climate scenario assessed in the fifth assessment report (AR5) of the International Panel on Climate Change (IPCC), the prevention of undesirable climate effects requires a 40-70% reduction of greenhouse gas (GHG) emissions, compared with 2010 levels, by mid-century, and to near-zero by the end of this century (IPCC, 2014). The achievement of such objectives requires and encourages the spread of RESs in the global energy mix, gradually replacing depleting and polluting energy sources based on fossil fuels, which still have the main incidence on the energy sector. RESs already play a major role in several countries, due to the technological development and the increasing market competitiveness, and the world renewable power capacity reached 22.1% in 2013, showing an increasing trend in 2014 (REN, 2014). However, supporting policies, robust investments from the private sector and efforts from the scientific community are still crucial to demonstrate the technical and economic sustainability and effectiveness of RESs, helping their large-scale diffusion. Starting from such a background, this Ph.D dissertation focuses on the study, design and development of methods and tools for the optimization and enhancement of renewable energy technologies and their effective integration with energy storage solutions and traditional energy sources powered by fossil fuels (hybrid energy systems). The analysis of the major literature and the different scenarios and perspectives of RESs in the national and international contexts have shown that their economic sustainability, and then their diffusion, is closely connected to a number of technical, economic/financial and geographical parameters. Such parameters are the input of the analytic models developed for the techno-economic design of photovoltaic (PV) plants and small wind turbines (SWTs) and applied to the economic feasibility study, through multi-scenario analysis, of such systems in some of the main European Union (EU) Countries. Among the obtained results, the self-consumption of the produced energy plays a crucial role in the economic viability of SWTs and PV plants and, particularly, after the partial or total cut of incentives and uncertainties related to supporting policies within the EU context. The study of the energy demand profile of a specific user and the adoption of battery energy storage (BES) systems have been identified as effective strategies to increase the energy self-consumption contribution. Such aspects have led to the development of an analytic model for the techno-economic design of a grid connected hybrid energy system (HES), integrating a PV plant and a BES system (grid connected PV-BES HES). The economic profitability of the grid connected PV-BES HES, evaluated for a real case study, is comparable with PV plants without storage in case of a significant gap between the cost of energy purchased from the grid and the price of energy sold to the grid, but high BES system costs due to the initial investment and the maintenance activities and the eventual presence of incentives for the energy sold to the grid can make the investment not particularly attractive. Thus, the focus has shifted to the techno-economic analysis of off-grid HES to meet the energy demand of users in remote areas. In this context, BES systems have a significant role in the operation and management of the system, in addition to the storage of exceeding energy produced by the intermittent and variable RESs. The analysis has also been strengthened by an industrial application with the aim to configure, test and install two off-grid HESs to meet the energy demand of a remote village and a telecommunication system. In parallel, two experimental activities in the context of solar concentrating technology, a promising and not fully developed technology, have been carried out. The former activity deals with the design, development and field test of a Fresnel lens pilot-scale solar concentrating prototype for the PV energy distributed generation, through multi-junction solar cells, and the parallel low temperature heat recovery (micro-cogeneration CPV/T system). The latter activity deals with the development of a low cost thermal energy (TES) storage prototype for concentrating solar power (CSP) plants. TES systems show a great potential in the CSP plants profitability since they can overcome the intermittent nature of sunlight and increase the capacity factor of the solar thermal power plant. Concluding, the present Ph.D dissertation describes effective methods and tools for the optimization and enhancement of RESs. The obtained results, showing their critical issues and potential, aim to contribute to their diffusion and favor a sustainable development

Il progetto delle Nazioni Unite "Sustainable energy for all" ha fissato tre obiettivi ambiziosi per favorire uno sviluppo sostenibile e limitare l'impatto del cambiamento climatico: - Accesso universale a moderni servizi elettrici. Tali servizi sono attualmente indisponibili per circa 1.3 miliardi di persone ed è previsto un aumento del 40% della domanda globale di energia elettrica entro il 2040, a causa dell'incremento della popolazione mondiale e delle economie in crescita nei paesi in via di sviluppo - Raddoppio del tasso globale di miglioramento dell'efficienza energetica - Raddoppio del contributo di fonti di tipo rinnovabile nel mix energetico globale Inoltre, lo scenario climatico proposto nel "fifth assessment report (AR5)" redatto da "International Panel on Climate Change (IPCC)" stabilisce la necessità di ridurre l'emissione di gas ad effetto serra del 40-70%, rispetto ai valori registrati nel 2010, entro il 2050 ed eliminarli in modo quasi definitivo entro la fine del secolo con lo scopo di evitare effetti climatici indesiderati. Il raggiungimento di tali obiettivi richiede e incoraggia la diffusione di fonti energetiche rinnovabili (FER) all'interno del mix energetico globale, rimpiazzando gradualmente le fonti di energia convenzionali basate su combustibili fossili, inquinanti e in via di esaurimento, che hanno ancora l'incidenza principale nel settore energetico. A seguito nel loro sviluppo tecnologico e la crescente competitività nel mercato, le FER rivestono già un ruolo fondamentale nel mix energetico di numerose Nazioni ricoprendo il 22.1% del fabbisogno globale di energia nel 2013 e mostrando un andamento in rialzo nel 2014 (REN, 2014). Tuttavia, sono ancora cruciali politiche di supporto, ingenti investimenti privati e contributi della comunità scientifica per dimostrare l'efficacia e la sostenibilità tecnica ed economica delle FER e favorire, quindi, una loro diffusione in larga scala. In questo contesto, la seguente tesi di dottorato è rivolta allo studio, progettazione e sviluppo di metodi e strumenti per l'ottimizzazione e la valorizzazione di tecnologie energetiche rinnovabili e la loro integrazione efficace con fonti di produzione di energia convenzionali alimentate da combustibili fossili e sistemi di accumulo di energia (Sistemi energetici di tipo ibrido). I contributi scientifici disponibili in letteratura e l'analisi dei diversi scenari e delle prospettive delle FER nei vari contesti nazionali ed internazionali hanno dimostrato che la loro sostenibilità economica, e quindi la loro diffusione, è strettamente legata ad una serie di parametri tecnici, economico / finanziari e geografici. Tali parametri sono stati impiegati come input in due modelli analitici sviluppati per la progettazione tecnico-economica di impianti fotovoltaici (FV) e micro turbine eoliche e applicati per lo studio della loro fattibilità economica, attraverso analisi multi-scenario, in alcuni dei maggiori Paesi Europei. I risultati ottenuti hanno mostrato come l'autoconsumo dell'energia prodotta rivesta un ruolo fondamentale nella redditività economica dei citati impianti ed, in particolare, a seguito del taglio parziale o totale dei sistemi di incentivazione e l'incertezza attorno alle politiche di supporto all'interno del panorama Europeo. Lo studio specifico del profilo di domanda elettrica delle utenze e l'impiego di sistemi di accumulo di energia sono stati identificati come strategie efficaci al fine di incrementare la quota di autoconsumo. Tali considerazioni hanno portato allo sviluppo di un modello analitico utile alla progettazione tecnico-economica un sistema energetico ibrido connesso alla rete Nazionale integrante un impianto FV e un sistema di accumulo a batterie. La redditività del sistema, valutata su un caso reale, risulta comparabile a un impianto fotovoltaico privo di batterie in caso di un gap significativo tra il costo dell'energia elettrica acquistata dalla rete e il prezzo di vendita dell'energia elettrica ceduta in rete. Tuttavia, gli elevati costi dovuti all'acquisto iniziale e alle attività di manutenzione, e l'eventuale incentivazione sulla vendita dell'energia in rete, non rendono l'investimento particolarmente attrattivo per impianti connessi alla rete. L'attenzione si è quindi rivolta all'analisi tecnico-economica di sistemi energetici ibridi non connessi alla rete, comunemente definiti in isola o off-grid, per soddisfare il fabbisogno energetico di utenti in area remote e quindi prive di allaccio a una rete elettrica. In tali sistemi, i sistemi di accumulo a batterie, oltre alla capacità di accumulo dell'energia prodotta in eccesso variabili e intermittenti FER, hanno funzioni fondamentali nella gestione del sistema stesso. L'attività è stata anche rafforzata da un'applicazione industriale per la configurazione, test e installazione di due sistemi energetici ibridi in isola impiegati per soddisfare il fabbisogno energetico di un villaggio e di un sistema di telecomunicazione situati in aree remote. In parallelo, sono state svolte due attività sperimentali applicate alla promettente, ma non ancora completamente sviluppata a livello industriale, tecnologia solare a concentrazione. La prima attività riguarda la progettazione, sviluppo e test sperimentali di un prototipo in scala ridotta di concentratore solare a lenti di Fresnel per la produzione distribuita di energia elettrica, mediante l'uso di celle fotovoltaiche multi giunzione, ed energia termica a bassa temperatura, tramite un sistema di recupero termico. La seconda attività concerne lo sviluppo e test sperimentali di un prototipo di sistema di accumulo termico per impianti termodinamici alimentati da sistemi a concentrazione solare. Il sistema di accumulo consente di compensare la natura intermittente e variabile della fonte solare incrementando le ore di funzionamento dell'impianto termodinamico con i conseguenti benefici economici. Concludendo, la presente tesi di dottorato include la descrizione di metodi e strumenti per l'ottimizzazione e valorizzazione delle FER. I risultati evidenziano le criticità e potenzialità dei sistemi studiati con lo scopo di contribuire a una loro diffusione e favorire uno sviluppo sostenibile