Operation and design optimization for off-grid hybrid microgrids with high RES penetration

Nowadays, electricity production in off-grid contexts is mainly based on fossil fuels, especially diesel. Considering that diesel oil cost is considerably higher than on mainland, this entails very high electricity costs together with other drawbacks, as the energy dependence from the outside and possible environmental concerns. Renewable energy sources (RES) have proven to be effective in order to reduce the overall electricity costs in remote contexts and to ensure a sustainable energy access, characterized by low emissions of pollutants and carbon dioxide. For these reasons, we are witnessing at numerous projects worldwide aiming at 100% production from renewables. Unfortunately, this goal is not feasible in a cost-effective way relying only traditional RES as sun and wind, which are characterized by a strong intermittency and it would require huge energy storages. The thesis starts from this background and investigates two possible approaches to increase RES penetration without incurring in a sharp increase of electricity cost. First, the possibility to include in the scheduling some programmable loads has been considered. The concept of “multi-good system” has been introduced, enabling the possibility to optimize the operation of microgrids in which all valuable goods (as electricity, heating and potable water) are taken into account. Second, the potential related to dispatchable RES generators (as biomass- based generators and Concentrating solar power with thermal energy storage) which do not suffer intermittency have been evaluated. Both options have been studied using an original simulation mathematical model developed by the author and based on consecutive resolutions of the unit commitment problem with a limited time horizon following a rolling horizon approach. The two options have been assessed analyzing two different case studies, a rural village and an island community. Results show that programmable loads are effective in mitigating the intermittency of PV, shifting in time a part of the energy consumption. This entails that the allowable RES share increases to values around 40-50%. The second option appears to be even more effective: thanks to the capability to produce energy when it is needed, dispatchable RES generators allows to break 70-80% RES penetration maintaining a cost-saving respect to fossil-fuel solutions. The results show also that optimal solutions do not rely on a single technology and synergy among intermittent and dispatchable RESs allows to reach nearly 90% RES penetration.

Oggigiorno la produzione di elettricità in contesti isolati è principalmente basata su combustibili fossili, ed in particolare gasolio. Tenendo in considerazione che il costo del gasolio è sensibilmente più alto in questi contesti, ciò comporta dei costi dell’energia elettrica molto elevati insieme ad altri importanti svantaggi, come la dipendenza energetica dall’esterno e problemi di carattere ambientale. Le fonti rinnovabili di energia si sono dimostrate efficaci nel ridurre i costi totali di generazione in contesti remoti e assicurare un accesso all’energia sostenibile, caratterizzato da basse emissioni di inquinanti e anidride carbonica. Per queste ragioni, si sta assistendo al proliferare di numerosi progetto in tutto il modo che mirano a raggiungere il 100% di produzione da rinnovabili. Sfortunatamente, questo obiettivo non è raggiungibile con costi ragionevoli ricorrendo solamente a rinnovabili tradizionali come il sole e il vento, che sono caratterizzate da forte intermittenza nella produzione e richiederebbero quindi accumuli energetici di grandi dimensioni. Questa tesi si muove su questo argomento e investiga due possibili approcci per incrementare la penetrazione di rinnovabili senza incorrere in forte incremento del costo dell’energia elettrica. Per prima cosa, è stata considerata la possibilità di includere nella programmazione operativa della microrete dei carichi programmabili. È stato introdotto il concetto di sistema “multi-bene”, offrendo la possibilità di ottimizzare la gestione di microreti tenendo in conto altri beni di valore oltre all’energia elettrica, come il calore e l’acqua potabile. Come seconda opzione, è stato valutato il potenziale di fonti rinnovabili dispacciabili (come generatori basati sulla biomassa o il CSP con accumulo termico), che non sono affette dal problema dell’intermittenza. Entrambe le opzioni sopra citate sono state studiate utilizzando un modello matematico di simulazione sviluppato dall’autore e basato sulla risoluzione sequenziale di molteplici Unit Commitment con un orizzonte temporale limitato seguendo una logica “rolling horizon”. Le due opzioni sono state valutate studiando due casi studio, un villaggio rurale e una comunità isolana. I risultati hanno mostrato che l’utilizzo di carichi programmabili è efficace nel mitigare l’intermittenza del PV, permettendo di spostare nel tempo parte del consumo energetico. Usando questo espediente la penetrazione ottimale di rinnovabili sale a valori intorno al 40-50%. La seconda opzione sembra essere ancora più promettente: grazie alla capacità di produrre energia quando veramente richiesta, le rinnovabili dispacciabili permetterebbero di superare il 70-80% di penetrazione continuando a garantire un risparmio rispetto alle soluzioni basate su fonti fossili. I risultati mostrano inoltre che le soluzioni ottimale non si basano su una singola tecnologia e che le sinergie fra rinnovabili dispacciabili e non garantiscono i migliori risultati.