This study focuses on one of the main concepts regarding strategies to be adopted to reach the European policy targets, regarding Greenhouse gas emissions. Since a significant percentage of total greenhouse gas produced in Europe is linked to the production of electricity, efforts are being made to include generation which is less impactful on the environment, within the European power generation mix. The subsidization of renewable energy sources showed its limits, due to the fact that such power plants can create several problems to the power grids they are connected to, and for this reason the implementation of new or more advanced grid configurations may be a more effective approach to enable the diffusion of further renewable energy sources across the EU. One of the more interesting concepts regarding grid configurations which allow the integration of renewable energy sources is the increase of transmission capacity across countries, by means of multi-terminal High Voltage Direct Current (HVDC) grids, together with a fully integrated European electricity market. This study will focus on the drivers behind the adoption of such a strategy and the challenges that will need to be faced. In the 1st chapter, energy scenarios for the European Union, up to year 2050 are summarized. This data helps to understand the long term scenario that the European region will have to face, in order to reach the ambitious environmental targets set by recent policies. The 2nd chapter gathers technical information regarding Supergrids, multi-terminal HVDC grids, installed as an overlying grid on the tradition alternate current transmission system. Their principles and characteristics are described, with attention dedicated to the possible network configurations. In the 3rd chapter the main projects and initiatives related to the development of Supergrids are described, in order to better understand the rationales in support of such projects and assess what has been done and what will need to be done in order to facilitate the possible implementation of such projects. In the 4th chapter HVDC technology is described in depth, being the core technological concept behind multi-terminal High Voltage Direct Current grids, with a particular focus on converter technology and advanced control strategies regarding frequency regulation and the powering of blacked out grids (Black Start capabilities). In the 5th chapter some of the most advanced HVDC protection systems and methodologies are described, with a focus on protection strategies developed specifically for multi terminal DC systems. The 6th chapter represents an assessment of several major projects related to HVDC interconnections, both existing and planned, across Europe. In the 7th chapter, the current Italian market structure is described, in order to give an example of how European electricity markets work. It is also shown how electricity markets in Europe are evolving, with the adoption of market coupling, and the reasons behind the work aimed at the creation of a European single market, including current progress in its development. In the 8th chapter, through the use of Energy Exemplar’s PLEXOS software, network conditions in year 2030 are evaluated, with a focus on cross-border interconnections, by simulating an integrated market with an hourly resolution. Possible expansion solutions of cross-border interconnections are evaluated with quantitative analyses, giving an idea of the impact of higher cross-border capacities on the European energy system. In the 9th chapter the main conclusions of this study are gathered.

Questo studio si concentra su uno dei principali concetti legati alle strategie da mettere in campo allo scopo di raggiungere gli obiettivi definiti dalle politiche UE riguardanti le emissioni di gas serra. Poiché una percentuale rilevante delle emissioni totali di gas serra, in Europa, è associata alla produzione di energia elettrica, notevoli sforzi si stanno facendo allo scopo di includere impianti di produzione meno impattanti sull’ambiente all’interno del mix energetico europeo. Il ricorso all’incentivazione per la diffusione delle fonti energetiche rinnovabili ha già mostrato i propri limiti, legati al fatto che questi impianti danno luogo a diverse problematiche nelle reti elettriche cui sono connessi. Per questa ragione l’implementazione di nuove o più avanzate configurazioni di rete potrà rendere possibile la diffusione di maggiori fonti energetiche rinnovabili all’interno dell’Unione Europea. Uno dei concetti più interessanti legati a configurazioni di rete che permettano l’integrazione di fonti energetiche rinnovabili è l’incremento della capacità di interconnessione tra i diversi paesi europei, per mezzo di reti ad alta tensione e corrente continua (HVDC) multi-terminale, nel contesto di un mercato elettrico completamente integrato a livello europeo. Questo lavoro si concentra sui driver che giustificherebbero l’adozione di tale strategia e le sfide che questi sistemi invece comportano. Nel primo capitolo gli scenari energetici per l’Unione Europea, fino all’anno 2050, sono stati riassunti. Questi dati permettono di comprendere un possibile scenario a lungo termine che i paesi dell’Unione dovranno affrontare, allo scopo di raggiungere gli ambiziosi obiettivi definiti dalle recenti politiche energetiche e ambientali. Il secondo capitolo riassume le informazioni tecniche relative alle cosiddette Supergrid, reti HVDC multi-terminale, installate in sovrapposizione rispetto al sistema di trasmissione in alta tensione a corrente alternata. Ne sono spiegati i principi e le caratteristiche, con un’attenzione particolare dedicata alle possibili configurazioni di rete adottabili. Nel terzo capitolo sono descritte le principali iniziative legate allo sviluppo delle suddette Supergrids in ambito europeo, allo scopo di comprendere i razionali a supporto di tali progetti, oltre che a valutare ciò che è stato fatto e ciò che ci sarà bisogno di fare allo scopo di facilitarne un‘eventuale implementazione nel sistema elettrico europeo. Nel quarto capitolo la tecnologia HVDC è descritta in dettaglio, essendo la tecnologia principale delle nuove reti multi-terminale in corrente continua, con una particolare attenzione dedicata ai sistemi di conversione e alle più avanzate strategie di controllo adottabili nella regolazione della frequenza, oltre che per la rialimentazione di reti in seguito a black out (Black Start). Nel quinto capitolo sono descritti alcuni tra i più avanzati approcci e sistemi per la protezione di reti HVDC. Particolare attenzione è stata riservata ai sistemi di protezione specificatamente dedicati a reti HVDC multi-terminale. Il sesto capitolo consiste in una raccolta di molteplici progetti ed iniziative legate allo sviluppo di interconnessioni HVDC, esistenti o proposte, all’interno del contesto europeo. Nel settimo capitolo è descritta l’attuale struttura del mercato elettrico italiano, allo scopo di esemplificare i meccanismi alla base del funzionamento dei mercati elettrici europeo. È mostrato inoltre in quale modo i mercati dell’energia europei stanno evolvendo, in particolare con l’adozione del cosiddetto market coupling. Sono poi descritte le ragioni in supporto al lavoro svolto in merito alla creazione di un mercato unico europeo, incluso l’attuale stato di avanzamento. Nell’ottavo capitolo, attraverso l’utilizzo del software Energy Exemplar PLEXOS, sono stati valutati i bisogni e gli impatti legati allo sviluppo delle interconnessioni tra paesi UE, simulando l’andamento annuale del mercato elettrico con una risoluzione oraria. Risultato dell’analisi è uno studio degli impatti sul sistema energetico dell’Unione, legati all’aumento di capacità sulle infrastrutture d’interconnessione tra paesi UE. Nel nono ed ultimo capitolo sono raccolte le conclusioni.

Evaluating opportunities for multi-terminal HVDC interconnections within the European transmission network

FRASCA', NICOLO'
2015/2016

Abstract

This study focuses on one of the main concepts regarding strategies to be adopted to reach the European policy targets, regarding Greenhouse gas emissions. Since a significant percentage of total greenhouse gas produced in Europe is linked to the production of electricity, efforts are being made to include generation which is less impactful on the environment, within the European power generation mix. The subsidization of renewable energy sources showed its limits, due to the fact that such power plants can create several problems to the power grids they are connected to, and for this reason the implementation of new or more advanced grid configurations may be a more effective approach to enable the diffusion of further renewable energy sources across the EU. One of the more interesting concepts regarding grid configurations which allow the integration of renewable energy sources is the increase of transmission capacity across countries, by means of multi-terminal High Voltage Direct Current (HVDC) grids, together with a fully integrated European electricity market. This study will focus on the drivers behind the adoption of such a strategy and the challenges that will need to be faced. In the 1st chapter, energy scenarios for the European Union, up to year 2050 are summarized. This data helps to understand the long term scenario that the European region will have to face, in order to reach the ambitious environmental targets set by recent policies. The 2nd chapter gathers technical information regarding Supergrids, multi-terminal HVDC grids, installed as an overlying grid on the tradition alternate current transmission system. Their principles and characteristics are described, with attention dedicated to the possible network configurations. In the 3rd chapter the main projects and initiatives related to the development of Supergrids are described, in order to better understand the rationales in support of such projects and assess what has been done and what will need to be done in order to facilitate the possible implementation of such projects. In the 4th chapter HVDC technology is described in depth, being the core technological concept behind multi-terminal High Voltage Direct Current grids, with a particular focus on converter technology and advanced control strategies regarding frequency regulation and the powering of blacked out grids (Black Start capabilities). In the 5th chapter some of the most advanced HVDC protection systems and methodologies are described, with a focus on protection strategies developed specifically for multi terminal DC systems. The 6th chapter represents an assessment of several major projects related to HVDC interconnections, both existing and planned, across Europe. In the 7th chapter, the current Italian market structure is described, in order to give an example of how European electricity markets work. It is also shown how electricity markets in Europe are evolving, with the adoption of market coupling, and the reasons behind the work aimed at the creation of a European single market, including current progress in its development. In the 8th chapter, through the use of Energy Exemplar’s PLEXOS software, network conditions in year 2030 are evaluated, with a focus on cross-border interconnections, by simulating an integrated market with an hourly resolution. Possible expansion solutions of cross-border interconnections are evaluated with quantitative analyses, giving an idea of the impact of higher cross-border capacities on the European energy system. In the 9th chapter the main conclusions of this study are gathered.
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
21-dic-2016
2015/2016
Questo studio si concentra su uno dei principali concetti legati alle strategie da mettere in campo allo scopo di raggiungere gli obiettivi definiti dalle politiche UE riguardanti le emissioni di gas serra. Poiché una percentuale rilevante delle emissioni totali di gas serra, in Europa, è associata alla produzione di energia elettrica, notevoli sforzi si stanno facendo allo scopo di includere impianti di produzione meno impattanti sull’ambiente all’interno del mix energetico europeo. Il ricorso all’incentivazione per la diffusione delle fonti energetiche rinnovabili ha già mostrato i propri limiti, legati al fatto che questi impianti danno luogo a diverse problematiche nelle reti elettriche cui sono connessi. Per questa ragione l’implementazione di nuove o più avanzate configurazioni di rete potrà rendere possibile la diffusione di maggiori fonti energetiche rinnovabili all’interno dell’Unione Europea. Uno dei concetti più interessanti legati a configurazioni di rete che permettano l’integrazione di fonti energetiche rinnovabili è l’incremento della capacità di interconnessione tra i diversi paesi europei, per mezzo di reti ad alta tensione e corrente continua (HVDC) multi-terminale, nel contesto di un mercato elettrico completamente integrato a livello europeo. Questo lavoro si concentra sui driver che giustificherebbero l’adozione di tale strategia e le sfide che questi sistemi invece comportano. Nel primo capitolo gli scenari energetici per l’Unione Europea, fino all’anno 2050, sono stati riassunti. Questi dati permettono di comprendere un possibile scenario a lungo termine che i paesi dell’Unione dovranno affrontare, allo scopo di raggiungere gli ambiziosi obiettivi definiti dalle recenti politiche energetiche e ambientali. Il secondo capitolo riassume le informazioni tecniche relative alle cosiddette Supergrid, reti HVDC multi-terminale, installate in sovrapposizione rispetto al sistema di trasmissione in alta tensione a corrente alternata. Ne sono spiegati i principi e le caratteristiche, con un’attenzione particolare dedicata alle possibili configurazioni di rete adottabili. Nel terzo capitolo sono descritte le principali iniziative legate allo sviluppo delle suddette Supergrids in ambito europeo, allo scopo di comprendere i razionali a supporto di tali progetti, oltre che a valutare ciò che è stato fatto e ciò che ci sarà bisogno di fare allo scopo di facilitarne un‘eventuale implementazione nel sistema elettrico europeo. Nel quarto capitolo la tecnologia HVDC è descritta in dettaglio, essendo la tecnologia principale delle nuove reti multi-terminale in corrente continua, con una particolare attenzione dedicata ai sistemi di conversione e alle più avanzate strategie di controllo adottabili nella regolazione della frequenza, oltre che per la rialimentazione di reti in seguito a black out (Black Start). Nel quinto capitolo sono descritti alcuni tra i più avanzati approcci e sistemi per la protezione di reti HVDC. Particolare attenzione è stata riservata ai sistemi di protezione specificatamente dedicati a reti HVDC multi-terminale. Il sesto capitolo consiste in una raccolta di molteplici progetti ed iniziative legate allo sviluppo di interconnessioni HVDC, esistenti o proposte, all’interno del contesto europeo. Nel settimo capitolo è descritta l’attuale struttura del mercato elettrico italiano, allo scopo di esemplificare i meccanismi alla base del funzionamento dei mercati elettrici europeo. È mostrato inoltre in quale modo i mercati dell’energia europei stanno evolvendo, in particolare con l’adozione del cosiddetto market coupling. Sono poi descritte le ragioni in supporto al lavoro svolto in merito alla creazione di un mercato unico europeo, incluso l’attuale stato di avanzamento. Nell’ottavo capitolo, attraverso l’utilizzo del software Energy Exemplar PLEXOS, sono stati valutati i bisogni e gli impatti legati allo sviluppo delle interconnessioni tra paesi UE, simulando l’andamento annuale del mercato elettrico con una risoluzione oraria. Risultato dell’analisi è uno studio degli impatti sul sistema energetico dell’Unione, legati all’aumento di capacità sulle infrastrutture d’interconnessione tra paesi UE. Nel nono ed ultimo capitolo sono raccolte le conclusioni.
Tesi di laurea Magistrale
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