Techno-economic optimization and comparison of P2G and UW-CAES systems coupled to a floating wind farm

The trend characterizing the energy system in the last 20 years has seen a continuous increase in electricity production from renewable sources, in particular from non-programmable renewable sources such as solar energy and wind energy. However, the uncertainty of these sources introduces problems in the management and integration in the grid and in the electricity market. For these reasons, solutions to accumulate and manage energy flows and extend the flexibility of the electricity grid are now widely debated and researched. Among the various possible alternatives, two storage systems appear to be promising as they are potentially able to manage large quantities of energy and make the energy produced by a non-programmable renewable source more dispatchable: Power-To-Gas (P2G) systems with hydrogen, and Under-Water Compressed Air Energy Storage (UW-CAES) systems. P2G is an accumulation system that involves the conversion of electrical energy into chemical energy of a fuel, for example hydrogen, through electrolysis units; the gas produced is then alternatively stored in a tank or introduced into the natural gas network. The UW-CAES systems, on the other hand, through the use of thermal fluids, storages thermal energy produced by the compression of air, which is subsequently expanded to produce electricity. In this thesis work each of these two applications is studied, coupled with a floating wind farm, which represents the trend of recent years in the development of offshore wind energy. In particular, after a preliminary sizing of the wind farm, the plant configurations and hourly operation are optimized with a view to maximizing economic revenues, through the application of MILP (Mixed Integer Linear Programming) models. The logic of regulation of both plants is that of pure arbitrage, and the main plant, energy, economic and environmental results are analyzed, in order to give an in-depth view of these two storage technologies and the potential advantages that their introduction would entail.

L’andamento caratterizzante il sistema energetico negli ultimi 20 anni vede un continuo aumento di produzione elettrica da fonti rinnovabili, in particolare da fonti rinnovabili non programmabili come l'energia solare e l'energia eolica. L'aleatorietà di queste fonti introduce tuttavia delle problematiche nella gestione e nell'integrazione nella rete e nel mercato elettrico. Per queste ragioni, soluzioni per accumulare e gestire i flussi di energia ed estendere la flessibilità della rete elettrica sono oggi ampiamente dibattuti e oggetto di ricerca. Tra le varie possibili alternative, due sistemi di accumulo sembrano essere promettenti in quanto potenzialmente in grado di gestire grandi quantità di energia e rendere più dispacciabile l'energia prodotta da una fonte rinnovabile non programmabile: i sistemi Power-To-Gas (P2G) ad idrogeno, e i sistemi Under-Water Compressed Air Energy Storage (UW-CAES). Il P2G è un sistema di accumulo che prevede la conversione di energia elettrica in energia chimica di un combustibile, ad esempio idrogeno, attraverso delle unità di elettrolisi; il gas prodotto viene poi alternativamente stoccato in un serbatoio o immesso nella rete del gas naturale. I sistemi UW-CAES invece, attraverso l'utilizzo di fluidi termici, accumulano energia termica prodotta dalla compressione dell'aria, che viene successivamente espansa per produrre energia elettrica. In questo lavoro di tesi si studia ognuna di queste due applicazioni, accoppiate ad un parco eolico galleggiante, che rappresenta la tendenza degli ultimi anni nello sviluppo dell'energia eolica offshore. In particolare, dopo aver fatto un dimensionamento di massima del parco eolico, si ottimizzano le configurazioni impiantistiche e il funzionamento orario in un'ottica di massimizzazione dei ricavi economici, attraverso l'applicazione di modelli MILP (Mixed Integer Linear Programming). La logica di regolazione di entrambi gli impianti è quella di puro arbitraggio, e si analizzano i principali risultati impiantistici, energetici, economici ed ambientali, al fine di dare una visione approfondita di queste due tecnologie di accumulo e dei potenziali vantaggi che la loro introduzione comporterebbe.