Drainage pumping stations : demand side response and coupling with photovoltaic energy production

The vast and complex canal system that characterizes a reclamation work is managed by pumping stations which task is to ensure the drainage of water into external carriers: these normally consist of rivers and ultimately the sea. This is indeed what is done in the Ferrara area, which flat and mainly agricultural territory is located largely below sea level: it is therefore up to pumping stations, even of considerable size, the task of preventing flooding and at the same time ensuring that the correct irrigation potential is available still. Since artificially displaced water volumes are really considerable, hence the energy needs involved, in this thesis it is first investigated the possibility of implementing a control logic of the pumps aimed at exploiting price fluctuations of the electricity withdrawn from the grid. This translates indeed into an analysis of the flexibility of pumping stations consumption in a demand response perspective: the goal is to understand to what extent the reclamation system can still maintain its effectiveness while absorbing most of its energy needs in periods when the energy price is lower than the average, i.e. in those moments when a mismatch between energy produced at national level and consumed one occurs. In particular, this is likely to happen when renewable sources inject large volumes of energy into the grid simultaneously: a pumping station capable of taking advantage of the consequent drop in the electricity price would therefore, on one hand derive an economic advantage and, on the other hand, help the energy distribution system to maintain the balance between production and consumption, which is necessary for its correct functioning but also in terms of energy efficiency. Secondly, it will be analyzed the possibility of covering the consumption given by pumping operations with a photovoltaic system, investigating whether and which investment could be profitable and functional as well. The flexibility of the pumping stations is in this case exploited to maximize the self-consumption of the energy produced: the greater the self-consumption, not only the lower the impact on the electricity distribution network would be, but the environmental advantage that would be obtained in terms of emissions would also be significant. In addiction, considering the peculiar presence of water surfaces such as those of the canals and basins that are part of pumping stations themselves, they will be discussed in detail how different technological solutions like floating or suspended photovoltaic systems on the channels, can offer an alternative and competitive design to be taken into consideration in respect to a more common ground mounted system.

Il vasto e complesso sistema di canali che caratterizza un’opera di bonifica viene gestito tramite impianti idrovori il cui compito è garantire lo scolo delle acque nei vettori esterni ad essa: questi consistono normalmente in fiumi e in ultima analisi nel mare. È questo il caso del ferrarese, il cui territorio pianeggiante e prevalentemente agricolo si trova ubicato in buona parte al di sotto del livello del mare: spetta dunque a stazioni di pompaggio, anche di notevoli dimensioni, il compito di prevenirne l’allagamento e allo stesso tempo assicurarne la corretta potenzialità irrigua. Essendo i volumi d’acqua artificialmente movimentati decisamente importanti, e quindi i bisogni energetici che ne conseguono, in questa tesi si vuole in primo luogo indagare la possibilità di implementare una logica di controllo delle pompe tesa allo sfruttamento delle fluttuazioni del prezzo dell’energia elettrica prelevata dalla rete. Ciò si traduce quindi in un’indagine sul grado di flessibilità dei consumi delle stazioni di pompaggio in un ottica di demand response: l’obiettivo è quello di capire fino a che punto il sistema per la bonifica possa mantenere la propria efficacia pur assorbendo la maggior parte dei propri bisogni energetici nei periodi in cui il prezzo dell’energia è più basso della media, vale a dire in quei momenti in cui si verifica una mancata corrispondenza tra energia prodotta a livello nazionale e energia consumata. In particolare, questo è probabile che accada quando fonti rinnovabile versano in rete grandi volumi di energia simultaneamente: un impianto idrovoro capace di approfittare dell’abbassamento del prezzo dell’elettricità che ne consegue da una parte ne trarrebbe quindi un vantaggio economico e dall’altra aiuterebbe il sistema di distribuzione dell’energia a mantenere l’equilibrio tra produzione e consumo, necessario per il suo corretto funzionamento anche in termini di efficienza energetica. In secondo luogo, verrà analizzata la possibilità di coprire i consumi dati dal pompaggio con un impianto fotovoltaico, indagando se e quale investimento risulti profittevole e funzionale. In quest’ottica la flessibilità delle stazioni di pompaggio vuole essere sfruttata per massimizzare l’autoconsumo dell’energia prodotta: mag- giore è l’autoconsumo, non solo minore sarebbe l’impatto sulla rete di distribuzione dell’elettricità, ma sarebbe significativo anche il vantaggio ambientale che si otterrebbe in termini di emissioni. Considerando poi la peculiare presenza di superfici d’acqua quali quelle dei canali e dei bacini facenti parte degli impianti idrovori stessi, si approfondirà nel dettaglio come soluzioni tecnologiche quali impianti fotovoltaici galleggianti oppure sospesi sopra ai canali limitrofi, possano offrire un design alternativo e competitivo da tenere in considerazione a confronto di un più comune impianto a terra.