Resilient design of photovoltaic and battery energy storage systems for telecommunication towers

Europe is experiencing an increase in the frequency and severity of natural phenomena linked to climate change, such as strong winds, floods, and extreme temperatures, which significantly affect low, medium, and high-voltage electrical infrastructure. These events impact homes, businesses, and, in particular, telecommunication towers, whose operation is critical during emergencies. This thesis proposes resilient and sustainable solutions to ensure service continuity in these towers, utilizing renewable energy and low-carbon energy storage systems. Therefore, the study proposes a methodology to provide a risk assessment, telecommunication base station prioritization, and a framework to offer a re- liable energy supply. This methodology is applied in a flood-prone area in Italy. Critical telecommunication towers are identified based on their location, the coverage they pro- vide, and their strategic importance for local communication. Subsequently, a dedicated energy system is designed, combining photovoltaic installations with batteries, taking into account electrical safety regulations, shading, and the available usable area. In cases where panel installation is not feasible, the option is based exclusively on batteries. Fi- nally, a technical and economic analysis of the proposed design is performed, evaluating the energy capacity required to cover prolonged power supply interruptions and the spe- cific conditions of the region. The results show that the designed solutions significantly increase the resilience of the towers to electrical failures, with a reduced environmental impact compared to traditional generators. This approach can be replicated in other vulnerable areas, providing a sustainable and scalable framework for managing critical infrastructure

L’Europa sta vivendo un aumento della frequenza e della gravità dei fenomeni naturali legati al cambiamento climatico, come forti venti, inondazioni e temperature estreme, che colpiscono in modo significativo le infrastrutture elettriche a bassa, media e alta tensione. Questi eventi hanno un impatto su abitazioni, imprese e, in particolare, sulle torri di telecomunicazione, il cui funzionamento è cruciale durante le emergenze. Questa tesi propone soluzioni resilienti e sostenibili per garantire la continuità del servizio in queste torri, utilizzando energie rinnovabili e sistemi di accumulo a basse emissioni di carbonio. Pertanto, lo studio propone una metodologia per fornire una valutazione del rischio, una priorizzazione delle stazioni base di telecomunicazione e un quadro per of- frire una fornitura energetica affidabile. Questa metodologia viene applicata in un’area soggetta a inondazioni in Italia. Le torri di telecomunicazione critiche vengono identi- ficate in base alla loro posizione, alla copertura che forniscono e alla loro importanza strategica per la comunicazione locale. Successivamente, viene progettato un sistema energetico dedicato, che combina impianti fotovoltaici con batterie, tenendo conto delle normative di sicurezza elettrica, dell’ombreggiamento e della superficie utile disponibile. Nei casi in cui l’installazione dei pannelli non sia possibile, l’opzione si basa esclusiva- mente sull’utilizzo di batterie. Infine, viene effettuata un’analisi tecnica ed economica del progetto proposto, valutando la capacità energetica necessaria per coprire interruzioni prolungate dell’alimentazione elettrica e le condizioni specifiche della regione. I risultati mostrano che le soluzioni progettate aumentano significativamente la resilienza delle torri ai guasti elettrici, con un impatto ambientale ridotto rispetto ai generatori tradizion- ali. Questo approccio può essere replicato in altre aree vulnerabili, fornendo un quadro sostenibile e scalabile per la gestione delle infrastrutture critiche