The effects of climate and technology variation on the hybrid energy system design for small Mediterranean islands

Small Mediterranean islands are off-grid systems facing many challenges to provide water and energy services due to their geographical location and the high seasonal variability of both water and energy demand. Electricity is usually generated by expensive and carbon-intensive diesel generators. Potable water, usually transported from the mainland by boat, is nowadays produced by energy intensive desalination plants. The high costs for water and electricity production, together with high greenhouse gas emissions and a low security of water and energy services make these systems environmentally and economically unsustainable. In this context, the design of hybrid energy systems, combining traditional power generation with renewable energy sources and storage technologies, represents a viable and promising solution for improving the overall sustainability of small islands on a medium/long term horizon. Traditionally, this is done by adopting optimal sizing methods for identifying the size of each technology that minimizes the net present cost over a given project horizon. However, even if these methods in some cases allow to obtain effective solutions, they usually consider stationary assumptions for describing the main natural (e.g., wind speed, solar radiation and air temperature) and technological (e.g., efficiency, cost and lifetime) drivers, avoiding to capture potential changes and their effects on the optimal system design caused by climate change and the rapid technological innovation. In this thesis, we analyse the effects of climate and technological uncertainty on the performance of the hybrid energy systems and, eventually, on their optimal design. In particular, we first perform a sensitivity analysis for identifying the key technological and climate external drivers that mainly affect the system performance in terms of both net present cost and renewable penetration. Then, in order to analyse the effects of climate and technological uncertainty on the optimal system designs, we perform a robustness assessment identifying the most robust solutions according to different robustness metrics that filter the uncertainty in the external drivers depending on the level of risk-aversion of the decision maker. The approach of this study is tested on the real case study of the Italian Ustica island, which represents a paradigmatic example of off-grid Mediterranean island. Results show that, compared to PV panels, the wind turbines performances are more susceptible to climate and technological drivers’ variation. The results underline that wind turbines are a less robust alternative compared to PV panels, due to the higher sensitivity of the wind performances to external scenarios. In particular, the results show that wind turbines can be not economically competitive for climate scenarios characterized by low wind. Focusing on the technological drivers, the analysis show that an increase in the turbine efficiency and in the lifetime of PV panels and batteries results in an improvement in the system performance. Finally, results show the difference in the hybrid energy system design configuration obtained for conflicting economic and environmental objectives. Results show that a pure ecological objective lead to over-sized system configurations that can be sub-optimal from an economic standpoint, especially in case of non-favourable scenarios. In fact, solutions that minimize the economic objective never occur for system configurations that maximize the amount of installed RES.

Sistemi isolati dalla rete, ed in particolar modo le piccole isole del Mediterraneo affrontano diverse sfide per garantire servizi idrici ed energetici. Queste sfide sono causate dalla distanza dalla terraferma e dall’isolamento dalle reti idriche ed energiche, e vengono ulteriormente intensificate dall’elevata variabilità stagionale della domanda di acqua ed elettricità, causata dagli intensi flussi turistici che avvengono durante i mesi estivi. Su queste isole, la produzione energetica dipende generalmente da generatori diesel, caratterizzati da elevate emissioni di gas serra ed elevati costi di esercizio dovuti alla necessità di rifornire il carburante dalla terraferma. Per soddisfare la domanda di acqua potabile senza dipendere da rifornimenti dalla terraferma spesso vengono adottate tecnologie di dissalazione, le quali permettono di produrre acqua potabile in-loco ma che consumano elevate quantità di energia, incidendo fortemente sul sistema elettrico, aumentando ulteriormente l’inquinamento atmosferico e le emissioni di gas serra, rendendo l’operazione delle isole poco sostenibile nel lungo periodo. Una soluzione particolarmente promettente per risolvere i problemi di sostenibilità economica e ambientale delle piccole isole consiste nel progettare sistemi energetici ibridi che combinano produzione elettrica da fonti tradizionali con fonti di energia rinnovabile e sistemi di accumulo. I metodi tradizionalmente adottati per progettare sistemi energetici ibridi non considerano contemporaneamente indicatori economici ed ecologici, potenzialmente contrastanti fra di loro, e adottano metodi di ottimizzazione con un singolo obiettivo, solitamente economico. Un ulteriore limite riscontrato nelle metodologie solitamente adottate consiste nell’ utilizzare osservazioni storiche riguardanti le condizioni climatiche, tecnologiche e socio-economiche per eseguire la pianificazione ottimale del sistema energetico ibrido. Questo studio si concentra sull’ effetto che le diverse caratteristiche tecnologiche delle fonti di energia rinnovabile e delle batterie, che vengono implementate nel sistema energetico ibrido, genera sulle performance del sistema, soprattutto quando combinato con l'effetto dell'incertezza negli scenari climatici futuri. La progettazione del sistema viene eseguita in diversi scenari climatici e tecnologici con un approccio multi-obiettivo che considera obiettivi sia economici che ambientali. Al fine di identificare i principali driver tecnologici e climatici esterni, viene eseguita un'analisi di sensibilità al fine di valutare gli effetti dei singoli driver sulle prestazioni economiche e ambientali del sistema. Per identificare la configurazione del sistema ibrido che si dimostra più robusta sotto la variabilità degli scenari climatici e tecnologici, viene eseguita una analisi di robustezza, adottando diverse metriche di robustezza che possono essere associate a diversi livelli di avversione al rischio da parte del decisore. L'analisi di sensibilità mostra che, rispetto ai pannelli fotovoltaici, le prestazioni delle turbine eoliche sono più suscettibili alle variazioni dei driver climatici, riducendo significativamente la competitività economica delle turbine eoliche negli scenari caratterizzati da una scarsa disponibilità di vento. Dall’analisi si evince che le performance del sistema ibrido migliorano considerevolmente con l’aumento dell'efficienza delle turbine eoliche e con l’incremento della vita utile dei pannelli fotovoltaici e delle batterie. I risultati dell’analisi di sensibilità e dell’analisi di robustezza sottolineano come le turbine eoliche siano un'alternativa meno robusta rispetto ai pannelli fotovoltaici, a causa della maggiore variabilità della produzione di energia dal vento agli scenari tecnologici e climatici. L’analisi di robustezza mostra come, in base alla scelta di obiettivi economici e ambientali tra di loro contrastanti, la configurazione ottimale del sistema energetico ibrido cambi considerevolmente. Le configurazioni che ottengono performance ambientali ottime massimizzano la quantità di rinnovabili installata nel sistema, risultando in configurazioni sovradimensionate che si dimostrano sub-ottimali in termini economici, che premiano soluzioni caratterizzate da una minore capacità di rinnovabili installate.