In a world with increasing renewable energy sources penetration, energy storage technologies are becoming key technologies to achieve decarbonization targets. In the past, pumped hydropower has always been the most efficient and widespread solution for energy storage, accounting for 91% of the total global storage capacity installed in 2019. Nonetheless, energy storage technologies have strongly developed over the years, and nowadays there are many alternatives to pumped hydro to be considered. This thesis work was developed in collaboration with Elettrostudio s.r.l., an Italian company that works in the renewable energy field. The company was working on the authorization process of three offshore wind farms in Italy, and its interest was to understand the technical and economic feasibility of coupling an energy storage or a Power-to-X solution to one of the future wind farms. Therefore, in the first part, a study on the state of art and on the critical points of offshore wind farms was performed. This allowed to make realistic predictions of the characteristics of the wind farm according to the available technology and the expected developments. In order to perform the analysis, the wind farm that should be sited in Calabria was selected, and the local data about the wind availability were studied. To simulate a profile of yearly power generation, a wind profile from an onshore site was scaled to match the expected energy generation of the offshore case. Then, based on the preliminary projects of the wind farm and on the technology assumptions, the losses of power during operation were estimated so as to calculate a realistic power profile to the land. Another objective of this thesis was to study the characteristics of energy storage technologies alternative to pumped hydro, so as to evaluate the best options for investments on utility scale storage. In the second part, a review of energy storage and Power-to-X technologies was performed, and the results were used to select the technologies to be considered for the simulations. Then, a model of operation of a battery energy storage has been developed. Data about the market prices for the dispatching services were taken from historical data of GME (Gestore dei Mercati Energetici), while data about power fluxes for a portion of the grid were given by Terna. These data, together with the previously generated power profile from the wind farm, were used to simulate the operations of a BESS (Battery energy storage system) in two different scenarios through the software MATLAB. The simulations provided useful data for the sizing of the system and the estimation of the economic feasibility of these projects. In fact, the output results of the simulations were then used for the development of a business plan, so as to investigate with more detail the economic feasibility of such project. In the end, it was found that investments on energy storage technologies might be very risky due to large uncertainties on the effective operation and to large investment costs. For this reason, it was also presented a new mechanism (currently under development in Italy) to supply the storage capacity needed by the country by providing a fixed annual remuneration after the participation to competitive bids.

In un mondo con crescente penetrazione di fonti energetiche rinnovabili, le tecnologie di stoccaggio dell'energia stanno diventando tecnologie chiave per raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione. L’idroelettrico a pompaggio è sempre stata la soluzione più efficiente e diffusa per lo stoccaggio di energia, arrivando a rappresentare il 91% della capacità di stoccaggio totale installata nel mondo nel 2019. Nonostante ciò, le tecnologie di stoccaggio dell'energia si sono fortemente sviluppate nel corso degli anni e ad oggi esistono diverse alternative all’idroelettrico a pompaggio che possono essere considerate. Questo lavoro di tesi è stato sviluppato in collaborazione con Elettrostudio s.r.l., una società italiana che opera nel campo delle energie rinnovabili. L’azienda stava lavorando all'iter autorizzativo di tre parchi eolici offshore in Italia, ed era suo interesse valutare la fattibilità tecnica ed economica dell'abbinamento di una soluzione di accumulo di energia o di una soluzione Power-to-X con uno dei parchi eolici in sviluppo. Pertanto, nella prima parte della tesi, è stato svolto uno studio sullo stato dell'arte e sui punti critici degli impianti eolici offshore. Ciò ha consentito di effettuare previsioni realistiche riguardo le caratteristiche del parco eolico offshore sulla base delle tecnologie disponibili e degli sviluppi tecnologici previsti. Per effettuare l'analisi è stato selezionato il parco eolico in sviluppo per il sito in Calabria e sono stati studiati i dati relativi alla disponibilità del vento locale. Per simulare un profilo annuale di generazione di energia, è stato scalato un profilo reale del vento relativo ad un sito onshore in modo tale da ottenere la stessa generazione di energia attesa per il caso offshore. Successivamente, sulla base dei progetti preliminari dell'impianto eolico e delle ipotesi tecnologiche, sono state stimate le perdite di potenza durante il funzionamento in modo da poter calcolare un profilo realistico di potenza in arrivo a terra. Un altro obiettivo di questa tesi è stato quello di studiare le caratteristiche delle tecnologie di accumulo di energia alternative all'idroelettrico di pompaggio, in modo da valutare quali fossero le migliori opzioni per effettuare investimenti su stoccaggi energetici di grandi dimensioni. Perciò, nella seconda parte è stata presentata una panoramica dei sistemi di accumulo di energia e dei sistemi Power-to-X, i cui risultati sono stati utilizzati per selezionare le tecnologie da considerare per le simulazioni. In seguito, è stato poi sviluppato un modello di funzionamento di un sistema di accumulo elettrochimico. I dati sui prezzi di mercato per i servizi di dispacciamento sono stati ricavati dai dati storici del Gestore dei Mercati Energetici, mentre i dati sui flussi di potenza per una porzione di rete sono stati forniti da Terna. Questo gruppo di dati, insieme al profilo di potenza precedentemente calcolato per il parco eolico, sono stati utilizzati per simulare le operazioni annuali di una soluzione di accumulo a batteria in due diversi scenari attraverso il software MATLAB. Le simulazioni hanno fornito dati utili per il dimensionamento e la stima della fattibilità economica di questi progetti. Infatti, questi risultati sono stati poi utilizzati per lo sviluppo di un business plan, in modo da approfondire più nel dettaglio la fattibilità economica del progetto. Infine, è emerso che gli investimenti nelle tecnologie di stoccaggio potrebbero essere molto rischiosi a causa delle grandi incertezze sull'effettivo funzionamento dei sistemi e a causa degli elevati costi di investimento. Per questo motivo è stato poi presentato anche un nuovo meccanismo (attualmente in fase di sviluppo in Italia) per fornire la capacità di stoccaggio necessaria al Paese tramite aste che prevedono una remunerazione fissa annua.

Energy storage and Power-to-X: a simulation for an offshore wind farm

AMADI, SAMUELE
2022/2023

Abstract

In a world with increasing renewable energy sources penetration, energy storage technologies are becoming key technologies to achieve decarbonization targets. In the past, pumped hydropower has always been the most efficient and widespread solution for energy storage, accounting for 91% of the total global storage capacity installed in 2019. Nonetheless, energy storage technologies have strongly developed over the years, and nowadays there are many alternatives to pumped hydro to be considered. This thesis work was developed in collaboration with Elettrostudio s.r.l., an Italian company that works in the renewable energy field. The company was working on the authorization process of three offshore wind farms in Italy, and its interest was to understand the technical and economic feasibility of coupling an energy storage or a Power-to-X solution to one of the future wind farms. Therefore, in the first part, a study on the state of art and on the critical points of offshore wind farms was performed. This allowed to make realistic predictions of the characteristics of the wind farm according to the available technology and the expected developments. In order to perform the analysis, the wind farm that should be sited in Calabria was selected, and the local data about the wind availability were studied. To simulate a profile of yearly power generation, a wind profile from an onshore site was scaled to match the expected energy generation of the offshore case. Then, based on the preliminary projects of the wind farm and on the technology assumptions, the losses of power during operation were estimated so as to calculate a realistic power profile to the land. Another objective of this thesis was to study the characteristics of energy storage technologies alternative to pumped hydro, so as to evaluate the best options for investments on utility scale storage. In the second part, a review of energy storage and Power-to-X technologies was performed, and the results were used to select the technologies to be considered for the simulations. Then, a model of operation of a battery energy storage has been developed. Data about the market prices for the dispatching services were taken from historical data of GME (Gestore dei Mercati Energetici), while data about power fluxes for a portion of the grid were given by Terna. These data, together with the previously generated power profile from the wind farm, were used to simulate the operations of a BESS (Battery energy storage system) in two different scenarios through the software MATLAB. The simulations provided useful data for the sizing of the system and the estimation of the economic feasibility of these projects. In fact, the output results of the simulations were then used for the development of a business plan, so as to investigate with more detail the economic feasibility of such project. In the end, it was found that investments on energy storage technologies might be very risky due to large uncertainties on the effective operation and to large investment costs. For this reason, it was also presented a new mechanism (currently under development in Italy) to supply the storage capacity needed by the country by providing a fixed annual remuneration after the participation to competitive bids.
2022
Energy storage and Power-to-X: a simulation for an offshore wind farm
In un mondo con crescente penetrazione di fonti energetiche rinnovabili, le tecnologie di stoccaggio dell'energia stanno diventando tecnologie chiave per raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione. L’idroelettrico a pompaggio è sempre stata la soluzione più efficiente e diffusa per lo stoccaggio di energia, arrivando a rappresentare il 91% della capacità di stoccaggio totale installata nel mondo nel 2019. Nonostante ciò, le tecnologie di stoccaggio dell'energia si sono fortemente sviluppate nel corso degli anni e ad oggi esistono diverse alternative all’idroelettrico a pompaggio che possono essere considerate. Questo lavoro di tesi è stato sviluppato in collaborazione con Elettrostudio s.r.l., una società italiana che opera nel campo delle energie rinnovabili. L’azienda stava lavorando all'iter autorizzativo di tre parchi eolici offshore in Italia, ed era suo interesse valutare la fattibilità tecnica ed economica dell'abbinamento di una soluzione di accumulo di energia o di una soluzione Power-to-X con uno dei parchi eolici in sviluppo. Pertanto, nella prima parte della tesi, è stato svolto uno studio sullo stato dell'arte e sui punti critici degli impianti eolici offshore. Ciò ha consentito di effettuare previsioni realistiche riguardo le caratteristiche del parco eolico offshore sulla base delle tecnologie disponibili e degli sviluppi tecnologici previsti. Per effettuare l'analisi è stato selezionato il parco eolico in sviluppo per il sito in Calabria e sono stati studiati i dati relativi alla disponibilità del vento locale. Per simulare un profilo annuale di generazione di energia, è stato scalato un profilo reale del vento relativo ad un sito onshore in modo tale da ottenere la stessa generazione di energia attesa per il caso offshore. Successivamente, sulla base dei progetti preliminari dell'impianto eolico e delle ipotesi tecnologiche, sono state stimate le perdite di potenza durante il funzionamento in modo da poter calcolare un profilo realistico di potenza in arrivo a terra. Un altro obiettivo di questa tesi è stato quello di studiare le caratteristiche delle tecnologie di accumulo di energia alternative all'idroelettrico di pompaggio, in modo da valutare quali fossero le migliori opzioni per effettuare investimenti su stoccaggi energetici di grandi dimensioni. Perciò, nella seconda parte è stata presentata una panoramica dei sistemi di accumulo di energia e dei sistemi Power-to-X, i cui risultati sono stati utilizzati per selezionare le tecnologie da considerare per le simulazioni. In seguito, è stato poi sviluppato un modello di funzionamento di un sistema di accumulo elettrochimico. I dati sui prezzi di mercato per i servizi di dispacciamento sono stati ricavati dai dati storici del Gestore dei Mercati Energetici, mentre i dati sui flussi di potenza per una porzione di rete sono stati forniti da Terna. Questo gruppo di dati, insieme al profilo di potenza precedentemente calcolato per il parco eolico, sono stati utilizzati per simulare le operazioni annuali di una soluzione di accumulo a batteria in due diversi scenari attraverso il software MATLAB. Le simulazioni hanno fornito dati utili per il dimensionamento e la stima della fattibilità economica di questi progetti. Infatti, questi risultati sono stati poi utilizzati per lo sviluppo di un business plan, in modo da approfondire più nel dettaglio la fattibilità economica del progetto. Infine, è emerso che gli investimenti nelle tecnologie di stoccaggio potrebbero essere molto rischiosi a causa delle grandi incertezze sull'effettivo funzionamento dei sistemi e a causa degli elevati costi di investimento. Per questo motivo è stato poi presentato anche un nuovo meccanismo (attualmente in fase di sviluppo in Italia) per fornire la capacità di stoccaggio necessaria al Paese tramite aste che prevedono una remunerazione fissa annua.
Energy storage
Offshore Wind
Hydrogen
Battery
Power-to-X
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.12608/45277