Access to electricity for small islands : implementation assessment of solar technologies

Nowadays, in most non-interconnected islands, the electricity generation cost is extremely high due to the utilization of diesel internal combustion engine (ICE): the objective of the present work is to investigate the possible introduction of solar based renewable energy sources (RES) for small islands grid. However, the intermittence and the non-simultaneity between demand and supply of most RES, can create problems to electricity grids, which can be minimized by energy storage and the use of a management system, which ensures that the demand is satisfied thanks to a proper optimization of the programmable units scheduling. A valuable cost effective schedule is obtained using a Mixed Integer Linear Programming (MILP) embedded in a rolling horizon approach which is able to handle multi-input and multi-output programmable units, managing the balance of each good in the MG in order to cover electricity demand, considering start-up penalties, battery wear cost, minimum loads and other operational constraints. Three different system configurations are investigated: the first one considers the combination of photovoltaic panels, battery system and two diesel ICEs; in the second one, the PV plant is replaced by a concentrating solar power (CSP) with a thermal storage system, while the third configuration puts together the two renewable technologies, their storage system and both diesel generators. Sensitivity analysis, in terms of investment costs, diesel price and island location, are made and the grid operative for the optimal cases is analyzed. In conclusion, we show the analysis of each system configuration and the benefits in terms of costs if compared to an only diesel scenario, drawing conclusions about which grid layout allows to reach the best results in terms of levelized cost of electricity (LCOE) and renewable electricity penetration.

Ad oggi, nella maggior parte delle isole non connesse alla rete nazionale, i costi di generazione elettrica risultano estremamente alti a causa dell'elevato utilizzo dei motori a combustione interna (ICE), che utilizzano gasolio come combustibile. L'obiettivo di questo lavoro è quindi quello di investigare, per le piccole isole, la possibilità di introdurre tecnologie in grado di sfruttare fonti solari rinnovabili, sostituendosi in parte ai generatori diesel. Tuttavia, la natura intermittente di tali risorse e, nel contempo, la non perfetta simultaneità tra domanda e generazione, rende necessaria l'introduzione di sistemi in grado di accumulare energia all'interno della rete elettrica e, parallelamente, l'applicazione di sistemi di gestione che garantiscono il soddisfacimento dell'intera domanda ottimizzando la programmazione delle unità coinvolte nella rete. Questo risultato è ottenuto risolvendo un problema di programmazione lineare mista intera (MILP), incorporato in un approccio rolling horizon, in grado di gestire unità programmabili con multi-input e multi-output, sia assicurando il bilanciamento di ogni bene presente nella rete che tenendo in considerazione i limiti operativi di ciascuna unità, i costi di start up e le penalità economiche nel caso di non completa copertura della domanda. Quindi, sono state prese in considerazione tre differenti configurazioni di rete: la prima integra ai generatori diesel un sistema rinnovabile composto da pannelli fotovoltaici accoppiati a batterie; la seconda configurazione, sostituisce il campo fotovoltaico con un impianto solare termodinamico (CSP) e il relativo sistema di storage. Infine, il terzo caso, coinvolge entrambe le tecnologie rinnovabili e i loro sistemi di storage oltre ai classici generatori diesel. Saranno poi eseguite delle analisi di sensitività, in termini di costi di investimento delle singole tecnologie, di prezzo del combustibile e di posizione geografica dell'isola, focalizzandosi poi sul funzionamento della rete nei casi di ottimo. In conclusione si mostrerà come, per ogni configurazione presa in considerazione, si possano raggiungere benefici economici se comparate con lo scenario solo diesel, traendo le conclusioni su quale assetto risulti il migliore sulla base del levelized cost of electricity (LCOE) e della penetrazione elettrica da fonte rinnovabile raggiunta.