Optimal sizing of floating PV plants to reduce curtailment in offshore wind farms: the Ravenna case study

The technology of offshore floating photovoltaic (OFPV) systems is emerging as a promising alternative to land-based solar installations, addressing the challenge of increasing land occupation while enhancing energy efficiency through the natural cooling effect of water. However, the technical and economic feasibility of these systems remains a challenge, making their integration with existing offshore wind farms a strategically advantageous option. Thus, the research focuses on the fundamental question of how hybrid offshore wind-PV configurations, nowadays, can improve power generation efficiency and grid stability while ensuring economic sustainability. Specifically, the thesis evaluates the operational synergies and economic benefits of integrating a floating PV plant within a planned offshore wind farm located off the coast of Ravenna, Italy. The methodology adopted includes an initial physical modelling of the wind turbines and photovoltaic arrays in MATLAB/Simulink, followed by a stochastic modelling using artificial neural networks to day-ahead predict renewable energy production. From a plant management and optimization perspective, this modelling allows the estimation of curtailment losses as a result of limitations imposed by the transmission infrastructure. Subsequently, an economic analysis of the plant was performed by applying the financial metrics of Net Present Value (NPV), Internal Rate of Return (IRR) and Levelized Cost of Energy (LCOE) to different market price scenarios, including government incentives. Finally, a sensitivity analysis was aimed at identifying the optimal technical and economic parameters useful for increasing the project profitability. The results of this research offer concrete insights for the optimization of offshore renewable energy projects by providing useful information for policy makers and industry stakeholders on the feasibility of integrating floating PV into offshore wind farms.

La tecnologia dei sistemi fotovoltaici galleggianti in siti offshore (OFPV) rappresenta oggigiorno un’alternativa promettente alle installazioni solari terrestri, risolvendo la problematica della crescente occupazione di suolo e migliorando l'efficienza energetica grazie all'effetto di raffreddamento naturale dell'acqua. Tuttavia, la fattibilità tecnica ed economica di questi sistemi rimane ancora oggi una sfida aperta, rendendo la loro integrazione con parchi eolici offshore esistenti un'opzione strategicamente vantaggiosa. La ricerca si concentra dunque sulla questione fondamentale di come le configurazioni ibride eolico-PV offshore possano ad oggi migliorare l'efficienza della produzione energetica e la stabilità della rete, garantendo al contempo sostenibilità economica. In particolare, la tesi valuta le sinergie operative e i benefici economici derivanti dall’integrazione di un impianto fotovoltaico galleggiante all’interno di un parco eolico offshore in progetto situato a largo della costa di Ravenna, in Italia. L’analisi è stata condotta includendo una prima modellazione fisica delle turbine eoliche e degli array fotovoltaici in MATLAB/Simulink, seguita da una modellazione stocastica che utilizza reti neurali artificiali per la previsione dell’energia rinnovabile su base giornaliera. In un’ottica di gestione e ottimizzazione dell’impianto, questa modellazione consente di stimare le perdite per curtailment, frutto delle limitazioni imposte dall’infrastruttura di trasmissione. Successivamente, un’analisi economica dell’impianto è stata condotta applicando le metriche finanziarie del Valore Attuale Netto (VAN), il Tasso di Rendimento Interno (TIR) ed il Costo Livellato dell’Energia (LCOE) a diversi scenari di prezzo di mercato, tra cui gli incentivi governativi. Inoltre, un’analisi di sensibilità finale è stata volta a identificare i parametri tecnici ed economici ottimali utili ad aumentare la reddittività del progetto. I risultati di questa ricerca offrono spunti concreti per l'ottimizzazione dei progetti di energia rinnovabile offshore fornendo informazioni utili a policy makers e operatori del settore sulla fattibilità dell'integrazione del fotovoltaico galleggiante nei parchi eolici offshore.