Storage systems for wind power enhancement : modelling of the application on two existing plants

The aim of this work is to analyse the application of a storage system on two existing wind turbines placed in the south of Italy (Lucera and Foggia, both in the region of Puglia). The study is focused both on technical and economical aspects. This work agrees with many actual researches and projects having the goal of using storage systems to enhance wind power integration in the energy market improving at the same time grid performances. The application analysed in this work is the so-called energy reserve. This is mainly focused on the use of storage system as energy backup for renewable sources, in order to smooth their typical fluctuations which make these technologies hard to be managed on the electrical grid. First of all, data regarding wind speed of the sites and power produced by the wind turbines have been collected. Then, through a statistical analysis performed on the wind velocity and a mathematical interpolation of the experimental power curve, two yearly signals of power generated have been developed. These signals have been taken as input data for the rest of the work. At a later time, a model representative of the real behaviour of the storage system was created. This was done to predict and study the real processes and losses taking place in the battery during its daily operation. In details, three different types of battery have been used in the simulation. Afterwords, the algorithm characterising the whole system under operation has been developed to study the technical feasibility and economical profitability of different solutions examined. Finally, a sensitivity analysis has been performed on the parameters defining the economics of the different configurations in order to estimate their influence on the modelled system and indicate the fields that need the most important efforts for future developments. This work has been conduced using the software Matlab and implementing autonomously all the source codes. In conclusion, considerations have been done regarding the regulatory changes and technological improvements that could lead to a further development of the storage systems as energy backups for renewable sources. This is a key-point for pushing these technologies to make a further step and gain importance in the global energy scenario.

L'obiettivo del seguente lavoro consiste nel valutare, sia da un punto di vista tecnico che economico, l'accoppiamento di un sistema di accumulo di energia di tipo elettrochimico a due turbine eoliche attualmente installate in due differenti siti nella regione Puglia (nei comuni di Lucera e Foggia). La presente tesi s'inquadra in un contesto più generale; infatti, molti sono i progetti e le ricerche attualmente in fase di sviluppo finalizzati a trovare soluzioni per aumentare il grado di penetrazione delle fonti rinnovabili nel mercato dell'energia, migliorando allo stesso tempo le prestazioni della rete elettrica. L'applicazione pratica analizzata in questo lavoro viene detta riserva di energia. Essa consiste nell'utilizzare il sistema di stoccaggio come semplice accumulatore di energia, al fine di armonizzare le fluttuazioni di potenza inviate alla rete tipiche delle fonti rinnovabili che le rendono così difficili da gestire nella rete elettrica su larga scala. In primo luogo sono stati i raccolti i dati riguardanti la velocità del vento e la potenza prodotta dalle turbine nei due siti. Successivamente, attraverso un'analisi statistica condotta sui valori velocità del vento combinata con un'interpolazione matematica delle curve sperimentali di potenza, sono stati sviluppati due segnali annuali continui rappresentativi della potenza prodotta dai generatori eolici. Questi segnali sono stati assunti come dati in ingresso per lo sviluppo della tesi. In un secondo tempo è stato definito un modello rappresentativo del comportamento del sistema di accumulo. Esso è stato sviluppato al fine di predire e studiare i processi e le perdite reali nelle batterie durante il normale funzionamento. In particolare sono stati analizzati tre tipi differenti di batterie durante la simulazione. Il passo successivo è stato definire l'algoritmo in grado di descrivere il comportamento dell'intero sistema in ogni intervallo di tempo. Il codice è stato sviluppato al fine di valutare sia la fattibilità tecnica che la redditività economica delle diverse soluzioni esaminate. Infine, è stata condotta un'analisi di sensitività sui principali parametri che condizionano l'economia del sistema per stimare la loro influenza sul modello generale e indicare quali settori necessitano di sforzi maggiori nell'ottica di uno sviluppo futuro di questa tecnologia. Il presente lavoro è stato svolto attraverso il software Matlab implementando autonomamente tutti i codici. In ultima analisi, vengono fatte delle considerazioni riguardo i cambi normativi ed i miglioramenti tecnologici che potrebbero portare ad un deciso sviluppo futuro dei sistemi di accumulo come supporto per le fonti rinnovabili. Questo è infatti un punto chiave per consentire a queste tecnologie di compiere un ulteriore passo avanti nello scenario energetico globale, acquisendo una sempre maggiore rilevanza.