The potential of photovoltaic energy production : a detailed assessment for Politecnico di Milano

In this thesis we deal with the photovoltaic energy potential for Politecnico di Milano. After a brief summary of the climate change problem, we describe the photovoltaic technology and some examples of how it has been applied in various universities in the world. We then present the Politecnico di Milano mitigation plan, which defines the emission reduction objectives for the next years, as well as the starting point for the present work. The second part of the thesis represents the core of the work. We begin by defining the methodology used to design the Politecnico photovoltaic system: the methodology comprises the modelling and design of the system, among which there are the choice of the technology, the arrangement, the shading and the electric configuration, and the subsequent analysis of the output of simulation performed through the software packages PVsyst, via the examination of parameters like the produced energy, the avoided CO2 emissions and the economic indices. In the last part of the thesis we present the results, organised by campuses, of the buildings that have been taken into account in detail and of the extrapolation carried out for the remaining buildings and the outdoor parking. Regarding the buildings analysed in detail, the levelized cost of energy (LCOE) varies between 0.0872 C/kWh and 0.1155 C/kWh, while the internal rate of return (IRR) varies between 9.82% and 13.99%. By calculating the weighted mean based on the produced energy, the average LCOE is 0.0972 C/kWh, while the average IRR is equal to 12.35%. By gathering the data from the campuses, we obtain the results for the whole Politecnico. These results are compared with the energy consumption and the CO2 emission of the university in order to determine to what extent the photovoltaic energy can contribute to reach the objectives of the University. The estimate total photovoltaic potential is equal to 6.9 MWp, and its implementation requires an estimate investment of around 8.4 millions of euro. The energy production related to the usage of the full photovoltaic potential is estimated to be around 7.0 GWh, corresponding to 15.7% of the university’s electricity consumption in 2015. The consequent reduction in CO2 emissions is estimated around 3.7 ktCO2 per year, about 10% of the total emissions of Politecnico di Milano in 2015.

In questa tesi studiamo il potenziale di energia fotovoltaica per il Politecnico di Milano. Dopo un breve riassunto sui cambiamenti climatici, descriviamo la tecnologia fotovoltaica e alcuni esempi di come essa è applicata in varie università nel mondo. Presentiamo quindi il piano di mitigazione del Politecnico di Milano, che definisce gli obiettivi di riduzione delle emissioni per i prossimi anni, nonché il punto di partenza per questo lavoro. La seconda parte della tesi rappresenta il cuore del lavoro. Iniziamo definendo la metodologia utilizzata per progettare il sistema fotovoltaico del Politecnico: la metodologia comprende la modellizzazione e la progettazione del sistema, tra cui la scelta della tecnologia, la disposizione, l’ombreggiatura e la configurazione elettrica, e la conseguente analisi dell’output ottenuto tramite le simulazioni effettuate con il pacchetto sowtware PVsyst, attraverso l’esame di parametri come l’energia prodotta, le emissioni di CO2 evitate e gli indici economici. Nell’ultima parte della tesi vengono presentati i risultati, organizzati per campus, degli edifici che sono stati analizzati nel dettaglio e dell’estrapolazione effettuata per i restanti edifici e per i parcheggi esterni. Per quanto riguarda gli edifici analizzati nel dettaglio, il costo livellato dell’energia (LCOE) varia tra 0,0872 C/kWh e 0,1155 C/kWh, mentre il tasso interno di rendimento (IRR) varia tra 9,82% e 13,99%. Calcolando la media pesata sulla base dell’energia prodotta, l’LCOE medio risulta pari a 0,0972 C/kWh, mentre l’IRR medio è di 12,35%. Raccogliendo i dati dei diversi campus, si ottengono i risultati per l’intero Politecnico. Tali risultati vengono confrontati con il consumo energetico e le emissioni di CO2 dell’università al fine di determinare in che misura l’energia fotovoltaica può contribuire a raggiungere gli obiettivi dell’Ateneo. Il potenziale fotovoltaico totale stimato è pari a 6,9 MWp, e la sua implementazione richiede un investimento stimato in circa 8,4 milioni di euro. La produzione energetica legata all’utilizzo di tutto il potenziale fotovoltaico è stimata in circa 7,0 GWh, corrispondente al 15,7% del consumo elettrico dell’ateneo nel 2015. La conseguente riduzione delle emissioni di CO2 è stimata in circa 3,7 ktCO2 per anno, circa il 10% delle emissioni totali del Politecnico di Milano nel 2015.