The effects of climate and socio-economic changes on the design of off-grid hybrid energy systems

Small Mediterranean islands represent a paradigmatic example of remote, offgrid systems, where water supply and electricity generation are intrinsically coupled and interdependent. Distance from the mainland, lack of accessible water sources, and high seasonal variability of both water and electricity demand strongly influence the operations of water and energy system. Energy security is ensured by carbon intensive diesel generators that are strongly unsustainable due to high greenhouse gases emissions and high cost of fuel. Generally, the programmable nature of diesel generators allows to provide stability to the off-grid energy system. Diesel generators are sometimes oversized in order to meet the summer peak of the demand, and they are inefficient and expensive too. The lack of accessible and safe water sources has brought many islands to adopt desalination technologies to produce potable water on site, traditionally transported with tank vessels from the mainland. These technologies are usually able to meet the entire water demand, though consuming large amounts of electricity. In order to improve the overall sustainability of small Mediterranean islands, the introduction of renewable energy sources (e.g. solar panels, wind turbines) coupled to power storage technologies (e.g. batteries) represents a solution to produce clean energy at lower costs. Yet, the optimal design of the hybrid energy system (i.e. system combining conventional power sources with renewable energy sources and storage technologies) is challenged by the uncertainty affecting both climate and socio-economic forcing to these systems. This thesis focuses on the Ustica island, in the Mediterranean Sea, which is characterized by a significant wind and solar power potential. The main goal is to assess how historical and future variability of climate and socioeconomic drivers influences the performance of different optimal hybrid energy system configurations designed under average historical conditions. In particular, the vulnerability of these system configurations is evaluated with respect to the historical variability of the external drivers. Then, their robustness is assessed with respect to different future climate and socio-economic scenarios. In both cases, the performance of the hybrid energy system is computed in terms of total net present cost and different sustainability indicators. Results show that, due to climate change, performance of hybrid energy system configurations degrades when re-evaluated under future climate and socio-economic scenarios. The main driver is the rising temperature, which causes higher water and electricity demand and lower solar panels performance.

Le piccole isole del Mediterraneo rappresentano un esempio paradigmatico dei sistemi isolati e non connessi dalla rete nazionale, nelle quali la fornitura idrica e la generazione di elettricità sono intrinsecamente connesse e tra loro dipendenti. La distanza dalla terraferma, la mancanza di fonti idriche accessibili e l’elevata variabilità stagionale delle domande idriche ed energetiche influenzano fortemente l’operatività dei sistemi idrico ed energetico. L’affidabilità energetica è garantita da generatori diesel ad alta intensità di carbonio che non sono per niente sostenibili a causa delle elevate emissioni di gas serra e dell’alto costo del carburante. Generalmente la programmabilità dei generatori diesel permette di fornire stabilità ai sistemi energetici sconnessi dalla rete nazionale. I generatori diesel sono spesso sovradimensionati per coprire i picchi estivi di domanda e sono anche inefficienti e costosi. La mancanza di fonti idriche accessibili e sicure ha portato molte isole ad implementare tecnologie di dissalazione per produrre acqua potabile in loco, che veniva tradizionalmente trasportata dalla terraferma con navi cisterna. Queste tecnologie sono generalmente in grado di soddisfare interamente la domanda idrica, consumando tuttavia grandi quantità di elettricità. Per migliorare la sostenibilità delle piccole isole del Mediterraneo, l’introduzione di energia da fonti rinnovabili (come pannelli solari e turbine eoliche) accoppiata a tecnologie di stoccaggio dell’energia (come le batterie) rappresenta una soluzione per produrre energia pulita a bassi costi. Tuttavia la progettazione ottima di un sistema ibrido energetico (ovvero un sistema che combina sorgenti energetiche convenzionali con energie rinnovabili e tecnologie di stoccaggio energetico) è influenzata dall’ incertezza che colpisce le forzanti climatiche e socio-economiche di questi sistemi. La tesi si focalizza sull’isola di Ustica, nel Mar Mediterraneo, caratterizzata da un significativo potenziale energetico solare ed eolico. Lo scopo principale è valutare come la variabilità storica e futura delle forzanti climatiche e socio-economiche influenza le prestazioni delle differenti configurazioni ottime dei sistemi ibridi energetici, progettate in condizioni storiche medie. Nel dettaglio si determina la vulnerabilità delle configurazioni di questi sistemi rispetto alla variabilità storica delle forzanti esogene. Successivamente si valuta la loro robustezza rispetto a differenti scenari futuri climatici e socio-economici. In entrambi i casi si quantificano le prestazioni del sistema ibrido energetico in termini di costi netti attuali totali e di differenti indicatori di sostenibilità. I risultati mostrano che a causa dei cambiamenti climatici le prestazioni delle configurazioni del sistema ibrido energetico peggiorano quando vengono rivalutate rispetto a scenari futuri climatici e socio-economici. La principale forzante è l’aumento di temperatura, che provoca un incremento di domanda idrica ed energetica e un peggioramento delle prestazioni dei pannelli solari.