Uso intensivo dei sistemi idroelettrici di pompaggio nel contesto della transizione energetica nazionale

Decisions at European and international level on CO2 emissions reduction targets have pushed the electricity production sector to turn more decisively on renewable sources. This transition, which began in Italy in the last decade, has revealed a series of critical issues in the management of the electricity system, due to the non-programmability of these new sources of production. The availability of storage systems will therefore become a necessity of primary importance in the next years, not only in order to better operate these new renewable power plants, but also for security reasons in the management of the national electricity grid. The thesis is focused on the study of hydroelectric pumping storage systems and on the role that they can play in the context of the national energy transition. These plants with their basins are, in fact, large accumulation systems already available to use, with a well-established and recognized technology. The use of these hydroelectric storage facilities (about 7 GW of installed capacity in Italy) has progressively decreased in recent years from the value of 1641 equivalent hours in 2002, to few hundreds of hours of current use. The reasons are different and among these, we can probably list the liberalization of the electricity production sector (Bersani Decree), the post-liberalization ownership structure, the dynamics of energy market prices and the geographical distribution in the national territory of such plants. The following study is based on a series of simulations that show how it is possible to use the pumping systems available on the Italian territory, much more efficiently with the benefits that this entails. In order to do this, an optimization model was implemented using a spreadsheet software that allows us to analyze different possible implementations for these hydro storage systems over a period of one-year simulation. Given the complexity of the problem, it was necessary to make a series of simplifications: in particular, it was assumed that such plants would be available to a third-party subject free from market constraints and the transmission constraints of the electricity network were neglected. Our ambition is not in fact to provide results with a high accuracy, but rather to study possible solutions to existing problems for the electrical system, taking advantage of the resources already available. The first simulation (Chapter 2) is focused on the possible use of pumping systems to balance thermoelectric production in order to avoid very high production ramps, which cause a declining in production efficiency and consequently an increase of CO2 emissions in the environment. In addition to the technical aspects, for an overall analysis, we must also take into account the economic context (electricity market): for this reason, the second set of simulations (Chapter 3) analyzes the possibility of optimizing the use of pumping with the aim of maximizing profits, showing that, with the current prices, their use is generally economically viable. The second part of the thesis (Chapter 4), instead, is concentrated on the future prospective of pumping, using the 2030 projections contained in the National Energy Strategy (SEN) as starting point. In fact, with a very high percentage of renewable penetration, without the use of storage systems, a significant amount of energy production would be lost (curtailment) due to the energy balance constraint. The most liable technology for overgeneration problems is certainly photovoltaics, which has a daily production profile concentrated in just few hours of the day. In this regard, in Chapter 5, various scenarios of possible evolution of the Italian plants park have been simulated over 2030, identifying the best solution from a theoretical point of view. Surely a use of pumping systems to support the electricity system, as here hypothesized, will require an evolution of the electricity market regulation. Anyway, the results of the thesis allow to affirm, with the necessary hypotheses done, the benefit role that hydroelectric storage system could have today and especially in the future, with the progression of the national energy transition. The alternative option to use electrochemical technologies (batteries) would certainly guarantee greater storage proximity throughout the country, but nowadays, the large-scale use of these systems is still undergoing maturation and would require new investments. This aspect reinforces the role of pumping hydroelectric plants, especially in a context where the time factor is acquiring an increasingly important role.

Le decisioni a livello europeo ed internazionale sugli obiettivi di riduzione delle emissioni di CO2 hanno spinto il settore della produzione elettrica a virare sempre con maggiore decisione sulle fonti rinnovabili. Questa transizione, iniziata in Italia nello scorso decennio, ha fatto emergere una serie di criticità nella gestione del sistema elettrico, dovute alla non programmabilità di tali nuove fonti di produzione. La disponibilità di sistemi di accumulo è diventata perciò una necessità di primaria importanza per i prossimi anni, non solo per poter sfruttare al meglio questi nuovi impianti, ma anche per ragioni di sicurezza nella gestione della rete elettrica nazionale. La presente tesi si è concentrata sullo studio dei sistemi idroelettrici di pompaggio ed in particolare sul ruolo che possano svolgere nel contesto della transizione energetica nazionale. Questi impianti con i relativi serbatoi/bacini sono di fatto dei grossi sistemi di accumulo già disponibili, con una tecnologia affermata e riconosciuta. L’utilizzo dei pompaggi (circa 7 GW di potenza installata in Italia) negli ultimi anni è progressivamente diminuito, da valori di 1641 ore equivalenti dell’anno 2002 fino alle poche centinaia di ore di utilizzo attuali. Le motivazioni sono diverse e tra queste possiamo elencare con ogni probabilità la liberalizzazione del settore della produzione elettrica (Decreto Bersani), l’assetto proprietario post-liberalizzazione, le dinamiche dei prezzi di mercato dell’energia e la distribuzione geografica sul territorio nazionale di tali impianti. Lo studio condotto si è basato su una serie di simulazioni che dimostrano come sia possibile utilizzare i pompaggi disponibili sul territorio italiano, in modo più efficiente con i benefici che questo comporta. Per fare ciò è stato utilizzato un modello di ottimizzazione realizzato con un software di foglio elettronico (Excel), con cui sono stati analizzati, su un arco temporale di un anno, diverse possibilità di impiego di questi sistemi. È stato necessario, data la complessità del problema, fare una serie di semplificazioni: si è ipotizzato che gli impianti siano a disposizione di un ente terzo libero da vincoli di mercato e sono stati trascurati i limiti di trasmissione della rete elettrica. L’ambizione dello studio non è infatti quella di fornire risultati con un’elevata accuratezza, ma piuttosto quella di studiare possibili soluzioni a problemi oggi esistenti a livello di sistema elettrico, sfruttando delle risorse già disponibili. La prima simulazione (Capitolo 2) si è concentrata sul possibile utilizzo dei sistemi di pompaggio per bilanciare la produzione termoelettrica, al fine di evitare delle rampe di produzione molto sostenute, che causano un inevitabile decadimento del rendimento degli impianti e conseguentemente un incremento delle emissioni di CO2 nell’ambiente. Oltre agli aspetti tecnici, per un’analisi complessiva, bisogna tener conto anche del contesto economico (mercato elettrico) in cui questi impianti produttivi sono inseriti: per questo motivo il secondo set di simulazioni (Capitolo 3) ha analizzato la possibilità di ottimizzare l’impiego dei sistemi di pompaggio con l’obiettivo di massimizzarne i profitti, dimostrando che, con i prezzi attuali, sia ancora economicamente conveniente un incremento del loro impiego. La seconda parte della tesi (Capitolo 4) si è concentrata sulle prospettive future dei pompaggi, utilizzando come base di partenza le proiezioni al 2030 contenute nella Strategia Energetica Nazionale (SEN). Infatti, con percentuali di penetrazione di rinnovabili molto elevate e senza l’utilizzo di sistemi di accumulo, una quota consistente di energia prodotta andrebbe persa (curtailment) a causa dell’obbligo di rispetto del bilancio energetico. La tecnologia maggiormente responsabile dei problemi di sovra-generazione è sicuramente il fotovoltaico che, per sua natura, ha un profilo di produzione giornaliero concentrato solo in poche ore della giornata. A riguardo, nel Capitolo 5, sono stati infine simulati diversi scenari evolutivi del parco impianti italiano oltre il 2030, individuando quale sia, da un punto di vista teorico, la soluzione migliore. Sicuramente un utilizzo dei sistemi di pompaggio a sostegno del sistema elettrico come quello qui ipotizzato richiederà un’evoluzione regolatoria e normativa del mercato elettrico in cui attualmente sono coinvolti: ciò non toglie che i risultati della tesi permettono di affermare, con le dovute ipotesi alla base, il ruolo strategico che gli accumuli idroelettrici possano avere già oggi, ma soprattutto che avranno in futuro con il crescente avanzamento della transizione energetica nazionale. L’impiego degli accumuli elettrochimici, come alternativa all’uso dei sistemi di pompaggio, garantirebbe sicuramente maggiore prossimità e capillarità di diffusione sul territorio nazionale ma, ad oggi, l’impiego su larga scala di questi sistemi è ancora in fase di sviluppo e richiede ingenti investimenti. Ciò rafforza il ruolo degli impianti idroelettrici di pompaggio già esistenti e disponibili, soprattutto in un contesto in cui il fattore temporale sta acquisendo un ruolo sempre più rilevante.