Power grid and energy transition: a techno-economic comparison of conventional and innovative substations

The energy system is responsible for more than three-quarter of global green-house gas (GHG) emissions, damaging irreversibly the climate. Its decarbonization is vital to limit the temperature increase to 1,5 °C and to stay on track with the global goal of reaching carbon neutrality by 2050. The electrification of the energy supply chain is therefore a necessary step to take to advance a sustainable energy future free from fossil fuels. Nowadays electricity plays a fundamental role in our lives and our dependence on it is undeniable; moreover, looking at the future, the growing trend of consumption electrification will lead to a significative increase in the energy demand. In such a context, the power grid, representable as the backbone of the energy system, will assume more and more importance as a strategic asset on a global level. The reliability is a parameter that must be ensured and consequently the infrastructure needs an empowering together with calibrated investments to meet the explosion of the demand. In particular, the focus is concentrated on the electric substations, an element that performs multiple functions from the connection of generators/loads to the interconnection of lines at various voltage levels up to control and protection to avoid faults and impacts on the entire network. The thesis aims at comparing different type of electrical substations highlighting strengths and weaknesses, through the analysis of a case study and a technoeconomic assessment.

Il sistema energetico è responsabile per più di tre-quarti delle emissioni globali di gas serra, danneggiando irreversibilmente il clima. La sua decarbonizzazione risulta vitale per limitare l’aumento di temperatura a 1,5 °C e rimanere in linea con l’obiettivo globale di raggiungere la neutralità carbonica entro il 2050. L’elettrificazione della filiera energetica è quindi un passo necessario che bisogna compiere per garantire un futuro sostenibile libero dai combustibili fossili. Oggigiorno l’elettricità gioca un ruolo fondamentale nelle nostre vite e la nostra dipendenza da essa è innegabile; in aggiunta, guardando al futuro, il crescente trend dell’elettrificazione dei consumi porterà ad un aumento nella richiesta energetica. In un contesto del genere, la rete elettrica, rappresentabile come la spina dorsale del sistema energetico, assumerà sempre più importanza come asset strategico a livello globale. L’affidabilità è un parametro che deve essere garantito e di conseguenza l’infrastruttura necessita di un rafforzamento e di investimenti mirati per soddisfare l’esplosione della domanda. In particolare, l’attenzione si concentra sulle sottostazioni elettriche, elemento che svolge molteplici funzioni dalla connessione dei carichi/generatori all’ interconnessione di linee a vari livelli di tensione fino al controllo e protezione per evitare guasti e ripercussioni sull’intera la rete. La presente tesi si propone di confrontare diverse tipologie di sottostazioni evidenziandone punti di forza e debolezze, attraverso l’analisi di un caso studio e una valutazione tecnoeconomica.