RES-based polygeneration power system for a stand-alone small business activity

In the past decades, renewable energy sources have grown to be recognized as fundamental options in the generation planning for power generation system, in particular for off-grid configurations. The work thesis has its objective in the development of an optimum sizing procedure of energy sources and in the definition of the cogeneration units' management strategy within an electric microgrid, based on a sizing tool developed by an Energy Department of Politecnico di Milano research team. The application is meant for the electric and thermal supply of a small business activity, already active locally within the Food&Beverage sector. This has been the thesis case study. In particular, the architecture application studied looked into the possibility of coupling a CHP, whose automotive derivation engine is fueled by bioethanol, with an electric microgrid based on a PV plant and a battery energy storage system (BESS), in order to minimize NPC over the entire system lifetime while satisfying energy balance and load supply loss constraints. Both an experimental and a computational phase were needed for this thesis work. During the experimental phase, occurred during a six-months internship with ABC Department of Politecnico di Milano, measuring and analysis activities were carried out to evaluate electric and thermal loads of the business activity. Then, computational work focused on the microgrid sizing procedure development based on two steps: the rst one consisted in a stochastic approach for the generation of a sufficient number of load profiles requested by the microgrid during a single day, with a minute sampling. The procedure followed with the aggregation of the load profiles to formulate the 20-year lifetime scenarios used within the second step, dedicated to the optimum sizing of the microgrid. In this context, the cogeneration sources and the related dispatching strategies were modeled. Finally, the robustness of the obtained results has been complemented with an economic analysis of the proposed solutions, in order to validate the commercial feasibility of the chosen one. The results of the techno-economic simulations highlighted the obtained solutions strong dependence on the implemented dispatching strategy. Feasibility of the chosen solution was confirmed by an economic analysis of the investment over the system lifetime.

Le fonti rinnovabili, negli ultimi decenni, hanno raggiunto livelli di sviluppo tali da renderle fondamentali per la pianificazione di sistemi di generazione distribuita, in particolar modo per con figurazioni off-grid. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è nello sviluppo, sulla base di un tool di dimensionamento sviluppato da parte di un gruppo di ricerca del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano, di una procedura utile al dimensionamento ottimo delle risorse energetiche entro una microgrid e nella definizione di adeguate logiche di gestione di unità di cogenerazione presenti entro tale sistema. L'applicazione è indirizzata alla fornitura di energia elettrica e termica per una piccola attività commerciale del settore Food&Beverage attiva sul territorio, caso studio di questo progetto di tesi. In particolare l'architettura studiata ha investigato la possibilità di affiancare un cogeneratore, il cui motore di derivazione automobilistica è alimentato a bioetanolo, ad una microrete elettrica basata su un impianto fotovoltaico ed un sistema di accumulo elettrico a batterie, in modo da minimizzare il valore attuale netto dei costi lungo la vita utile del sistema e contemporaneamente soddisfare i vincoli di bilancio energetico e di perdita di mancata alimentazione dei carichi. Le due fasi di realizzazione della tesi sono state una sperimentale ed una computazionale. Durante la fase sperimentale, avvenuta nel contesto di un'esperienza di tirocinio di sei mesi al dipartimento ABC del Politecnico di Milano, sono state effettuate le misurazioni e le analisi dei carichi elettrici e termici dell'attività commerciale. Successivamente, la fase computazionale del lavoro si è concentrata sullo sviluppo di una procedura di dimensionamento della microrete basata su un approccio a due step: il primo step ha previsto l'utilizzo di un approccio stocastico per la generazione di un adeguato numero di curve di carico richiesto dalla microgrid, utile a rappresentare diverse possibili distribuzioni del fabbisogno elettrico della microgrid durante una singola giornata, con campionamento al singolo minuto primo. La procedura ha previsto poi l'aggregazione delle curve di carico a costruire scenari ventennali di fabbisogno. Tali scenari sono poi stati elaborati tramite una seconda procedura, utile al dimensionamento ottimale della microgrid, procedura entro la quale, nell'ambito del lavoro di tesi, sono state modellate le risorse di cogenerazione e la loro logica di schedulazione. In chiusura, i risultati ottenuti sono stati completati da un'analisi economica delle soluzioni proposte, a validare la praticabilità commerciale della soluzione identificata. I risultati delle simulazioni tecnico-economiche hanno evidenziato la forte dipendenza tra le soluzioni ottenute e la strategia di dispacciamento implementata.