Mathematical modelling of active power reserves provision for the medium-term simulation of the italian integrated energy system and 2030 scenario analysis with a focus on the crucial role of electrolysers for sector coupling

The European commitment to abate carbon emissions by 2050 paves the way towards a redefinition of the current energy system. To this purpose, energy system integration is key to deliver more efficient solutions to the decarbonization problem: the synergy among different energy vectors allows to better optimize the operation and planning of the energy system as a whole, increasing the overall efficiency and reducing costs. Hydrogen indeed is indicated as the perfect energy vector to perform the energy transition in hard-to-abate sectors. The relevance of energy system integration is being recognized globally, but it requires a complete revision of the existing rules and methodologies. To this purpose, the development of adequate instruments able to represent the ever-increasing degree of interdependency between the electricity and gas systems is truly essential. Therefore, the aim of this Thesis is to enrich the performances of the medium-term simulator of the Italian integrated energy system, developed by a collaboration between RSE – Ricerca sul Sistema Energetico S.p.A. and the University of Bergamo. Adding new functionalities allows to deliver a more robust tool, able to better capture the dynamical interactions between the two systems and, thus, to provide more efficient and truthful scenario analyses. Specifically, the novelties introduced in this Thesis arose during a collaboration with RSE; they concern the implementation of active power reserves provision by all the technologies included in the model and the introduction of peculiar constraints, intended to achieve more efficient solutions to the fulfillment of the power system reserve requirements, particularly regarding the Italian ancillary service products of secondary and tertiary reserve. The last part of this Thesis is devoted to the validation of the updated version of the simulator, showing a possible application: a scenario analysis is performed to estimate the impacts, on the Italian gas-electricity integrated energy system, of five different configurations of units enabled to provide the ancillary service products modelled in the simulator; the focus is put on electrolysers, seen as the best solution for sector coupling. The inputs of the performed analysis are taken from the scenarios developed by RSE called “FF55”, which include all targets and prescriptions reported in the “Fit for 55” energy package, for the year 2030.

L’impegno europeo di abbattere le emissioni di CO2 entro il 2050 apre la strada ad una ridefinizione dell’attuale sistema energetico. A questo proposito, l’integrazione del sistema energetico è un aspetto chiave da analizzare per trovare soluzioni più efficienti al problema della decarbonizzazione: la sinergia tra diversi vettori energetici permette di ottimizzare al meglio la gestione e la pianificazione del sistema energetico nel suo complesso, aumentandone l’efficienza e riducendo i costi di sistema. L’idrogeno, infatti, viene indicato come il vettore energetico più appropriato per compiere la transizione nei settori “hard-to-abate”. L’importanza dell’integrazione del sistema energetico è riconosciuta a livello globale, ma necessita di una revisione completa delle regole e metodologie esistenti. A questo proposito, lo sviluppo di strumenti capaci di rappresentare il crescente grado di interdipendenza tra il settore elettrico e quello gas è essenziale. Quindi, lo scopo di questa Tesi è arricchire e migliorare le prestazioni del simulatore integrato di medio termine, risultante dalla collaborazione tra RSE – Ricerca sul Sistema Energetico S.p.A. e l’Università di Bergamo. Aggiungere nuove funzionalità permette di realizzare uno strumento più robusto, capace di catturare al meglio le interazioni dinamiche tra i due sistemi e, dunque, di fornire analisi di scenario più realistiche ed efficaci. Nello specifico, le novità introdotte in questa Tesi sono nate da una collaborazione con RSE; esse riguardano l’implementazione della fornitura di margini di riserva di potenza attiva da ciascuna tecnologia rappresentata nel modello e l’introduzione di particolari vincoli, con l’intento di ottenere soluzioni più efficaci al soddisfacimento del fabbisogno di riserva del sistema elettrico, in particolare riguardo i servizi ancillari di riserva secondaria e terziaria. L’ultima parte della Tesi è dedicata alla verifica del corretto funzionamento della nuova versione del simulatore, mostrandone una possibile applicazione: un’analisi di scenario viene effettuata per stimare gli impatti, sul sistema italiano integrato, di cinque diverse configurazioni di unità abilitate alla fornitura dei servizi ancillari modellati nel simulatore. Il focus è posto sugli elettrolizzatori, essendo visti come la migliore soluzione per l’integrazione dei sistemi elettrico e gas. Gli input dell’analisi effettuata con il simulatore integrato sono presi dagli scenari sviluppati da RSE chiamati “FF55”, che includono tutti i target e i vincoli prescritti per il 2030 nel pacchetto energetico UE “Fit for 55”.