Modello numerico per la valutazione tecno-economica di un sistema power-to-gas applicato ad un parco eolico

The recent spread of electricity generation plants by non-programmable renewable energy sources (RES), such as wind and solar, is a symptom of a new awareness of environmental issues by the energy sector. However, the uncertainty in primary energy sources availability causes serious problems of integration within the electricity system. Indeed, it complicates the market clearing and the grid operational management, limiting further future development of renewable energies. Power-to-Gas (P2G) is a storage system, able to convert electrical energy into chemical energy of a fuel. The water electrolysis process is the simplest solution that produces gaseous hydrogen (H2). This fuel can be further compressed or liquefied according to the final application, reaching high energy density. This work consists in the development of a numerical model for assessing the techno-economic benefits of the application of P2G technology to a wind farm of great size. Thanks to the presence of the water electrolyzer, the plant is able to use part of the available energy to produce hydrogen and inject it into the natural gas grid, increasing the dispatchability of the electrical output and the exploitation of the wind source. A mixed-integer linear programming (MILP) optimization model simulates the dynamic operation of this integrated system (wind farm + electrolysis units), in order to maximize the economic return on a multi-year period (plant lifetime). As reference case study, the analysis takes into account actual profiles of forecasted and generated wind power for a real wind park, energy balances, electricity market economics, regulation policies on power unbalance remuneration or penalty, limits of energy grids and technical constraints and performances of the electrolysis components. Multiple sensitivity analyzes have been performed on both economic and technical parameters, enabling the evaluation of various aspects of this application. The results demonstrate that the P2G technology, in specific conditions, could increase the profitability of the wind farm and the harnessing of wind; moreover, it improves the autonomous power balancing capability, despite the random fluctuations of wind source. Therefore, this integrated system gives the plant additional operating flexibility and promotes the use of “green” fuels in the energy system.

La recente diffusione degli impianti di generazione elettrica da fonti rinnovabili non programmabili, come quelli eolici e fotovoltaici, è sintomo di una nuova attenzione alle tematiche ambientali da parte del settore energetico. Tuttavia, l’aleatorietà di queste fonti primarie comporta delle serie difficoltà di integrazione col sistema e col mercato elettrico, complicando la gestione operativa della rete e limitando l’ulteriore sviluppo futuro delle energie rinnovabili. Il Power-to-Gas (P2G) è un sistema di accumulo che prevede la conversione di energia elettrica in energia chimica di un combustibile. L’opzione più semplice è un processo di elettrolisi dell’acqua per produzione di idrogeno (H2) gassoso, che può essere ulteriormente compresso o liquefatto a seconda delle applicazioni finali, raggiungendo elevata densità energetica. In questo lavoro di tesi si è sviluppato un modello numerico per valutare i benefici tecno-economici dell’applicazione della tecnologia P2G ad un parco eolico di grande taglia. Grazie alla presenza del sistema di elettrolisi, l’impianto è in grado di utilizzare parte dell’energia elettrica disponibile per produrre idrogeno e iniettarlo nella rete del gas naturale, aumentando la dispacciabilità dell’energia elettrica e incrementando lo sfruttamento della risorsa eolica. Il modello di ottimizzazione lineare misto-intera (MILP) implementato simula il funzionamento orario dell’impianto integrato (parco eolico + elettrolisi) tramite serie storiche annuali, al fine di massimizzare il ritorno economico sulla vita utile. Per la valutazione del caso studio, vengono presi in considerazione i profili orari di previsione e di produzione eolica di un parco reale di riferimento, i bilanci energetici, i dati economici del mercato elettrico, le normative sulla remunerazione degli sbilanciamenti, i limiti delle reti energetiche e le caratteristiche tecniche dei componenti elettrolitici. Numerose analisi di sensitività sui parametri economici e tecnici hanno permesso di valutare vari aspetti di questa applicazione. I risultati mostrano che la tecnologia P2G, in alcune condizioni, è in grado di aumentare la profittabilità del parco eolico e lo sfruttamento del vento, consentire il bilanciamento autonomo dell’energia elettrica nonostante la fonte aleatoria, conferire all’impianto versatilità di esercizio e promuovere la diffusione di vettori energetici puliti.