Design, simulation and implementation of a multi-good mini smart grid at the Politecnico di Milano

In last years the increasing energy consumptions highlights several problems related to energy supply, and nowadays more and more are rising the idea that several problems of the distribution system are related to its centralized asset. This was one of the leading for the development of mini grids, little local distribution systems containing both generators and loads. The Politecnico of Milano started the development of the “Laboratory of MicroGrids”, a multi-goods Mini smart grid at the Energy Department. On this is based the project PROPHET, in cooperation with the society Engie-EPS, that aims not to satisfy an energy demand, but to develop an optimized control system to ensure its secure and efficient operation in the presence of a high penetration of renewable generations. Another aim is to study the impact of the electric mobility – that can be ideally schematized as a battery storage - into a mini grid and to increase the efficiency of a storage system based on hydrogen. Despite, this thesis aims to describe technically the design and the implementation of the project. The design provides the installation of a quite 52 kWel solar field, a 25 kWel natural gas micro-CHP, two 6 kW-each heat pumps, two electric vehicles charging station of 50 kW each, ten electric bikes of 250 W each, lights, dislocated in the whole projects, of 5 kW, a water purifier of 6 kWel, a Back-to-Back Inverter electric load simulator till 100 kWel, 140 kWh of BESS, 30 kWh of a hydrogen storage system, and two tanks of 100 litres of hot water for thermal storage. The fluxes are controlled by four power centres. To support the chosen design, the behaviour of the grid is simulated with the software Homer. In this simulation it is considered only an electrical load, with an average daily request of 400 kWh/day and a peak of quite 60 kW, due to software constrains. The optimization reduced the operative costs, being the investment ones fixed by the design. Stands out that the production accounts for 45% from the solar fields and for 55% from the CHP, with a strategy that storages only the overproduction from renewables and prioritize the storage in BESS having a higher cycle efficiency (quite 0,9 for batteries and 0,3 for hydrogen); more over their capacity seems to be enough to cover the whole overproduction of the solar: only the 5% of the load is covered by the hydrogen. To run the hydrogen storage system, one of the aims, may be required a forced start up with a schedule. However, those results should be considered in the limits of the simulation. In august 2018 had started the works for the installation of the components and their electrical connections. Most of it have been already completed for the end of September 2018, so that the mini-grid started up and the project PROPHET began. Despite, nowadays not the whole system was implemented. Are still missing the connection of the heat pumps and water purifier, that will be completed for the end of December 2018, and the gas lines for the hydrogen storage system, due to the adverse opinion of the firefighters that ask for a different configuration about the installation of a new hydrogen vessel, and the Politecnico is moving in that direction.

La crescente richiesta energetica ha evidenziato negli ultimi anni diversi problemi legati al suo approvigionamento, e risulta sempre più evidente come spesso questi siano dovuti al suo assetto centralizzato. Questo fu uno dei motivi che portò allo sviluppo delle mini-reti, piccoli sistemi di distribuzione locale che includono sia i generatori che i consumatori. Il Politecnico di Milano iniziò lo sviluppo del “Laboratory of MicroGrids”, una mini-rete multifunzionale intelligente presso il Dipartimento di Energia dell’università. Su tale mini-rete si basa il progetto di ricerca PROPHET, in collaborazione con la società Engie-EPS, il cui scopo non è di soddisfare una richiesta energetica, ma di sviluppare un sistema di controllo ottimale che assicuri l’affidabile ed efficiente funzionamento di una mini-rete anche con un’elevata presenza di fonti rinnovabili. Oltretutto, il progetto punta ad analizzare l’impatto della mobilità elettrica – schematizzabile come un accumulo elettrico – e ad aumentare l’efficienza di un sistema di accumulo basato sull’idrogeno. Questa tesi, invece, ha solo l’obiettivo di descrivere il design e la realizzazione della mini-rete. La rete prevede l’installazione di un campo solare di circa 52 kWel e un cogeneratore a gas naturale di 25 kWel, due pompe di calore da 6 kWel l’una, due stazioni di ricarica per veicoli elettrici da 50 kWel, dieci biciclette elettriche da 250 Wel l’una, luci per un totale di 5 kWel, un potabilizzatore da 6 kWel, un inverter, in grado di simulare tanto la rete nazionale quanto un carico fino a 100 kWel, circa 140 kWh di BESS, 30 kWh di un sistema ad accumulo basato su idrogeno e due serbatoi da 100 L ciascuno per un accumulo termico. I flussi di potenza e dati sono gestiti da quattro quadri elettrici. Come supporto alla configurazione scelta, la rete è stata simulata con il software Homer. Per vincoli di programma, è stato considerato solo un carico elettrico con un picco di circa 60 kW e una richiesta giornaliera media di circa 400 kWh, e la simulazione si è basata sulla minimizzazione dei costi operativi, essendo quelli di investimento fissati. Nei risultati si osserva che la produzione è del 45% dal solare e 55% dal cogeneratore, con una logica in cui gli accumuli vengono utilizzati solo in caso di sovraproduzione da rinnovabili, e le batterie, preferite all’idrogeno per la loro più alta efficienza (circa 90% per le BESS e 30% per il Power to Power), risultano sufficienti ad assolvere questo compito (solo il 5% del carico è coperto dall’idrogeno). L’utilizzo del sistema di accumulo ad idrogeno, uno degli obiettivi del progetto, necessita pertanto di un avvio forzato. Questi risultati vanno però considerati nei limiti della simulazione. Ad agosto iniziarono i lavori di installazione dei componenti e di posa dei cavi per la loro connessione, che in gran parte si conclusero per la fine di settembre 2018, tanto che la mini-rete venne messa in funzione, e iniziò il progetto PROPHET. Nonostante ciò il sistema non è completo. Mancante è la connessione delle pompe di calore e del potabilizzatore, già in programma per la fine di Dicembre 2018, e l’impianto gas per il sistema di accumulo ad idrogeno, a causa del parere negativo dei vigili del fuoco che richiedono per un serbatoio di idrogeno una collocazione diversa da quella prevista, per la cui risoluzione il Politecnico si sta impegnando.