The role of combined cycle gas turbines in the energy transition process

In light of the globally-recognised need to mitigate climate change, International Protocols have established increasingly stringent measures to assure the reduction of carbon dioxide emissions worldwide. In this context, the electricity sector plays a crucial role during the energy transition, by making the most of renewable energy sources (RES) and hence reducing fossil-fuelled power plants operation. This environmental-friendly solution, however, could hinder the electric power system functioning, which is asked to flexibly react to the uncertainty and non-programmability of variable renewable energy sources (VRES). This dissertation examines the Italian case, highlighting, besides focused interventions on the electric grid, the essentiality of conventional power plants which, waiting for a significant amount of installed storage capacity at national level, take on a “back-up” function and assure system security. In particular, combined cycle gas turbine (CCGT) technology is the most flexible and efficient and the least polluting among fossil-fuelled, large-scale, power plants and its role is further upgraded in view of the Strategia Energetica Nazionale (SEN) decarbonisation goal. Nevertheless, in the current energy market, CCGTs experience economic difficulties due to low load factors and so limited revenues in the day-ahead market (MGP). Even considering the ancillary-service market (MSD) they do not typically succeed in cost-recovering. This issue might jeopardise system security and hence it is necessary to envisage a solution beyond the energy-only paradigm. The one opted by Italy is the Capacity Market, which should be put into practice by 2019. Starting from the elaborations of Sorgenia S.p.A. energy company, a simulation of the mechanism, based on 2014-2018 market data, has been performed. Very different results are achieved depending on the zone: while in the northern region the proposed regulation should work well, in the south and in Sicily it could even harm the operators compared to the present situation. Therefore, some expedients and modifications are recommended.

Alla luce dell’esigenza, universalmente riconosciuta, di limitare il cambiamento climatico, i protocolli internazionali impongono misure sempre più stringenti per contenere le emissioni di anidride carbonica a livello globale. In questo contesto, il settore della produzione elettrica svolge una funzione cruciale durante la transizione energetica, attraverso l’intensificazione dell’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili (FER) e la contestuale riduzione degli impianti a combustibili fossili. Questa soluzione, ottimale dal punto di vista ambientale, potrebbe tuttavia complicare il funzionamento del sistema elettrico, che è chiamato a reagire in modo flessibile in risposta all'aleatorietà delle fonti rinnovabili non programmabili (FRNP). La presente tesi esamina il caso italiano evidenziando, in aggiunta a interventi mirati sulla rete elettrica, l'essenzialità delle centrali elettriche tradizionali che, in attesa di una rilevante capacità di accumulo installata a livello nazionale, assumono una funzione di “back-up” e assicurano la sicurezza del sistema. In particolare, la tecnologia a ciclo combinato a turbina a gas (CCGT) è la più flessibile ed efficiente e meno inquinante tra gli impianti di grossa taglia alimentati a combustibili fossili ed acquista un ruolo ancora più rilevante in vista del processo di decarbonizzazione previsto dalla Strategia Energetica Nazionale (SEN). Tuttavia, nell'attuale mercato dell'energia, i CCGT patiscono difficoltà economiche dovute a bassi load factor e conseguenti guadagni limitati nel “Mercato del Giorno Prima” (MGP), che generalmente non vengono sufficientemente integrati dai proventi sul “Mercato dei Servizi di Dispacciamento” (MSD). Questa criticità potrebbe mettere a repentaglio la sicurezza del sistema e quindi è opportuno individuare una soluzione che vada oltre il mercato energy-only. Quella scelta dall'Italia è il Mercato della Capacità, che dovrebbe essere avviato entro il 2019. A questo proposito, a partire dalle elaborazioni della società energetica Sorgenia S.p.A., si è eseguita una simulazione del meccanismo, basata sui dati di mercato 2014-2018. I risultati ottenuti si rivelano notevolmente differenti per ogni zona: mentre nella regione settentrionale la regolazione proposta dovrebbe portare l’effetto desiderato, al sud e in Sicilia potrebbe addirittura danneggiare gli operatori rispetto alla situazione attuale. Si consigliano quindi alcuni accorgimenti e modifiche.