Optimization of CSP-PV-wind hybrid plants for the italian electricity markets: current and future scenarios

PV and Wind represent cost-effective technologies, but their performance is closely tied to weather conditions; therefore, they lack dispatchability. On the other hand, CSP represents a dispatchable system but is much more expensive than the previous ones. The hybridization of these renewable energy systems can provide a smart solution to combine the advantages of each technology. This work hence addresses the optimization of the design and operation of a hybrid CSP-PV-Wind power plant located in Sicily and operating as a Virtual Power Plant. The first part of this work consists in evaluating the feasibility of the hybrid plant's operation in both the MSD and MGP markets while also assessing its potential as a UVAM. The second part focuses on developing national scenarios for 2030-2040 enabling simulations for future hybrid plant designs operating in the MGP market. This is obtained by implementing a simplified method to predict the future electricity prices, based on the residual load and the natural gas prices, along with projected trends in technology costs. Results show that CSP-PV-Wind hybrid plants can reach high dispatchability levels and despite the high LCOE can be covered by current incentives. Incorporating CSP makes the plant highly suitable to cover the MSD market demand. The plant’s full hybrid configuration shows the best performance in economic and dispatchability terms while also being able to cover all the MSD demand. The future scenarios show an improved cost-effectiveness of the hybrid system mostly driven by a decrease in CSP costs and a rise in electricity prices in the next decades. In addition, the adoption of a CO₂ tax would enable the achievement of consistently positive NPV’s for all levels of dispatchability considered.

Fotovoltaico ed eolico rappresentano delle tecnologie economicamente convenienti ma le loro prestazioni dipendono strettamente dalle condizioni meteorologiche; pertanto, non sono programmabili. Al contrario il CSP è un sistema programmabile ma molto più costoso rispetto alle precedenti tecnologie. L’ibridizzazione di questi sistemi di energia rinnovabile può rappresentare una soluzione intelligente per unire i vantaggi di ciascuna tecnologia. Questo lavoro si concentra quindi sull'ottimizzazione della progettazione e dell’operatività di un impianto ibrido PV-CSP-Wind situato in Sicilia operante come Virtual Power Plant. La prima parte di questo studio consiste nella valutazione della fattibilità operativa dell'impianto ibrido nei mercati MSD e MGP, valutandone inoltre il potenziale come UVAM. La seconda parte si focalizza invece sullo sviluppo di scenari nazionali per il periodo 2030-2040, permettendo simulazioni per futuri progetti di impianti ibridi operanti nel mercato MGP. Questo viene ottenuto sviluppando un metodo semplificato per prevedere i futuri prezzi dell'energia elettrica, basato sul carico residuo e sui prezzi del gas naturale, insieme ad una tendenza nei costi futuri delle tecnologie. I risultati mostrano che gli impianti ibridi CSP-PV-Wind possono raggiungere elevati livelli di programmabilità e, nonostante l’alto LCOE, possono essere coperti dagli incentivi attuali. L'inclusione del CSP rende l'impianto particolarmente adatto a coprire la domanda del mercato MSD. La configurazione completamente ibrida dell’impianto mostra le migliori prestazioni in termini economici e di programmabilità, riuscendo a coprire interamente la domanda MSD. Gli scenari futuri evidenziano una maggiore competitività economica del sistema ibrido, principalmente grazie alla diminuzione dei costi del CSP e all’aumento dei prezzi dell'energia nei prossimi decenni. Inoltre, l'adozione di una tassa sulla CO₂ consentirebbe di ottenere NPV positivi per tutti i livelli di programmabilità considerati.