PRINCIPI, STRATEGIE DI GESTIONE E PROGETTAZIONE DI SISTEMI ENERGETICI ELETTRO-TERMICI CHE INTEGRANO TECNOLOGIE DI ACCUMULO TERMICO POWER-TO-HEAT.

THE TRANSITION TOWARDS LOW-CARBON AND DECENTRALISED ENERGY SYSTEMS IS RESHAPING THE SUPPLY OF ELECTRICITY AND HEAT, AS THE INCREASING PENETRATION OF VARIABLE RENEWABLE ENERGY SOURCES REQUIRES ENHANCED OPERATIONAL FLEXIBILITY AND SYSTEM RELIABILITY. IN THIS CONTEXT, MULTI-ENERGY MICROGRIDS COMBINING MULTIPLE ENERGY VECTORS WITHIN LOCAL INFRASTRUCTURES ARE EMERGING AS A KEY PATHWAY FOR INDUSTRIAL DECARBONISATION. THIS DOCTORAL THESIS PRESENTS A COMPREHENSIVE FRAMEWORK FOR THE MODELLING, OPTIMISATION, AND CONTROL OF RENEWABLE-BASED INDUSTRIAL ELECTRO-THERMAL ENERGY SYSTEMS, WITH A PARTICULAR FOCUS ON MICROGRIDS INTEGRATING PHOTOVOLTAIC GENERATION, ELECTROCHEMICAL ENERGY STORAGE, AND ELECTRICALLY DRIVEN THERMAL ENERGY STORAGE. THE ANALYSIS IS FRAMED WITHIN THE GLOBAL ENERGY TRANSITION AND HIGHLIGHTS HOW INDUSTRIAL THERMAL DEMAND REMAINS LARGELY FOSSIL-FUEL-BASED, THEREBY MOTIVATING THE ADOPTION OF POWER-TO-HEAT SOLUTIONS AND THERMAL ENERGY STORAGE TO FACILITATE RENEWABLE INTEGRATION AND REDUCE CARBON EMISSIONS. SUBSEQUENTLY, THE THESIS PRESENTS THE METHODOLOGICAL FRAMEWORK ADOPTED TO ANALYSE ELECTRO-THERMAL MULTI-ENERGY SYSTEMS. POWER-TO-HEAT THERMAL ENERGY STORAGE IS INTRODUCED AS A FLEXIBLE AND LONG-DURATION STORAGE SOLUTION CAPABLE OF CONVERTING SURPLUS RENEWABLE ELECTRICITY INTO USEFUL HEAT. MULTI-ENERGY MICROGRIDS ARE THEN DEFINED, TOGETHER WITH THEIR OPERATING MODES AND CONTROL ARCHITECTURES. THE ENERGY MANAGEMENT SYSTEM IS POSITIONED AS THE CENTRAL ELEMENT FOR COORDINATING GENERATION UNITS, STORAGE TECHNOLOGIES, AND LOADS UNDER TECHNICAL CONSTRAINTS AND UNCERTAINTY. THE STRONG INTERDEPENDENCE BETWEEN SYSTEM ARCHITECTURE DESIGN AND DAILY OPERATIONAL MANAGEMENT IS HIGHLIGHTED, AND THE MATHEMATICAL MODELS IMPLEMENTED FOR PHOTOVOLTAIC GENERATION, BATTERY ENERGY STORAGE, AND THERMAL ENERGY STORAGE ARE DETAILED. THE WORK THEN PROPOSES AN OPTIMISED DISCRETE EXHAUSTIVE-SEARCH ENERGY MANAGEMENT STRATEGY FOR AN INDUSTRIAL MULTI-ENERGY MICROGRID INTEGRATING PHOTOVOLTAIC GENERATION, BATTERY STORAGE, AND POWER-TO-HEAT THERMAL ENERGY STORAGE. THE PROPOSED APPROACH IS COMPARED AGAINST CONVENTIONAL RULE-BASED STRATEGIES AND IS COMPLEMENTED BY A FUZZY CONSERVATIVE PREDICTIVE FACTOR TO EXPLOIT PRODUCTION AND PRICE FORECASTS WHEN MARKET CONDITIONS ALLOW GRID CHARGING. THE OPTIMISED STRATEGY ACHIEVES A REDUCTION OF ANNUAL OPERATING COSTS BY UP TO 50.5% AND CARBON-DIOXIDE EMISSIONS BY 22%, WITH BATTERY STORAGE PRIMARILY IMPROVING ECONOMIC PERFORMANCE AND THERMAL STORAGE CONTRIBUTING MORE SIGNIFICANTLY TO EMISSION REDUCTION. BY FURTHER ENHANCING THE DISPATCH STRATEGY AND INCREASING PHOTOVOLTAIC CAPACITY, THE ELECTRO-THERMAL MICROGRID IS SHOWN TO REDUCE OPERATING COSTS BY UP TO 82.2% AND EMISSIONS BY 36.3% COMPARED TO CONVENTIONAL ENERGY SUPPLY. FINALLY, IN ELECTRICITY MARKETS CHARACTERISED BY FREQUENT LOW OR NEGATIVE PRICES AND A CLEANER GENERATION MIX, TYPICAL OF NORTHERN EUROPEAN COUNTRIES, GRID CHARGING AND FORECAST-INFORMED CONTROL ENABLE ADDITIONAL BENEFITS, LEADING TO COST REDUCTIONS OF AROUND 60% AND EMISSION REDUCTIONS OF ABOUT 18.1% IN FINLAND, WITH COMPARABLE RESULTS OBSERVED FOR DENMARK, GERMANY, AND THE NETHERLANDS. A TECHNO-ECONOMIC MILP FRAMEWORK IS USED TO DETERMINE THE OPTIMAL SIZING AND OPERATING STRATEGY OF A GRID-CONNECTED INDUSTRIAL MULTI-ENERGY MICROGRID INTEGRATING PHOTOVOLTAIC GENERATION, BATTERY ENERGY STORAGE, AND ELECTRICALLY DRIVEN THERMAL ENERGY STORAGE. THE OPTIMISATION IS SUBJECT TO BOTH ELECTRIC AND THERMAL SERVICE RELIABILITY CONSTRAINTS. TWO REPRESENTATIVE INDUSTRIAL DEMAND PROFILES ARE ANALYSED, WITH RESULTS SHOWING THAT THE OPTIMISATION SYSTEMATICALLY SELECTS LARGE PHOTOVOLTAIC CAPACITIES, REACHING UP TO APPROXIMATELY 4000 PANELS, AND A PREDOMINANT ROLE OF THERMAL ENERGY STORAGE. IN PARTICULAR, THE TESS REACHES A CAPACITY OF 5 MWH UNDER EMISSION MINIMISATION AND REMAINS LARGER THAN THE BESS ALSO UNDER COST-DRIVEN STRATEGIES.

LA TRANSIZIONE VERSO SISTEMI ENERGETICI A BASSE EMISSIONI DI CARBONIO E DECENTRALIZZATI STA TRASFORMANDO LA FORNITURA DI ELETTRICITÀ E CALORE, POICHÉ LA CRESCENTE PENETRAZIONE DELLE FONTI RINNOVABILI NON PROGRAMMABILI RICHIEDE MAGGIORE FLESSIBILITÀ OPERATIVA E AFFIDABILITÀ. IN QUESTO CONTESTO, LE MICRORETI MULTI-ENERGETICHE CHE INTEGRANO DIVERSI VETTORI ENERGETICI IN INFRASTRUTTURE LOCALI RAPPRESENTANO UNA SOLUZIONE CHIAVE PER LA DECARBONIZZAZIONE INDUSTRIALE. QUESTA TESI PRESENTA UN QUADRO PER LA MODELLAZIONE, L’OTTIMIZZAZIONE E IL CONTROLLO DI SISTEMI ELETTRO-TERMICI INDUSTRIALI BASATI SU FONTI RINNOVABILI, CON PARTICOLARE ATTENZIONE A MICRORETI CHE INTEGRANO GENERAZIONE FOTOVOLTAICA, ACCUMULO ELETTROCHIMICO E ACCUMULO TERMICO AZIONATO ELETTRICAMENTE. L’ANALISI EVIDENZIA COME LA DOMANDA TERMICA INDUSTRIALE RESTI IN LARGA PARTE FOSSILE, MOTIVANDO L’ADOZIONE DI SOLUZIONI POWER-TO-HEAT E ACCUMULO TERMICO PER FAVORIRE L’INTEGRAZIONE DELLE RINNOVABILI E LA RIDUZIONE DELLE EMISSIONI. VIENE QUINDI INTRODOTTO L’ACCUMULO TERMICO POWER-TO-HEAT COME SOLUZIONE FLESSIBILE E DI LUNGA DURATA PER CONVERTIRE L’ELETTRICITÀ RINNOVABILE IN CALORE UTILE. SONO DEFINITE LE MICRORETI MULTI-ENERGETICHE, LE LORO MODALITÀ OPERATIVE E ARCHITETTURE DI CONTROLLO, INDIVIDUANDO NEL SISTEMA DI GESTIONE DELL’ENERGIA L’ELEMENTO CENTRALE DI COORDINAMENTO TRA GENERAZIONE, ACCUMULI E CARICHI, SOTTO VINCOLI TECNICI E INCERTEZZA. È INOLTRE EVIDENZIATA L’INTERDIPENDENZA TRA PROGETTAZIONE DEL SISTEMA E GESTIONE OPERATIVA, E SONO DESCRITTI I MODELLI PER FOTOVOLTAICO, ACCUMULO A BATTERIA E ACCUMULO TERMICO. LA TESI PROPONE UNA STRATEGIA DI GESTIONE ENERGETICA DISCRETA E OTTIMIZZATA MEDIANTE RICERCA ESAUSTIVA PER UNA MICRORETE INDUSTRIALE CHE INTEGRA FOTOVOLTAICO, BATTERIE E ACCUMULO TERMICO POWER-TO-HEAT, CONFRONTATA CON STRATEGIE BASATE SU REGOLE E AFFIANCATA DA UN FATTORE PREDITTIVO CONSERVATIVO FUZZY PER SFRUTTARE PREVISIONI DI PRODUZIONE E PREZZO QUANDO CONSENTITO DAL MERCATO. LA STRATEGIA CONSENTE RIDUZIONI DEI COSTI OPERATIVI ANNUI FINO AL 50,5% E DELLE EMISSIONI DI CO₂ DEL 22%, CON LE BATTERIE CHE MIGLIORANO PRINCIPALMENTE LE PRESTAZIONI ECONOMICHE E L’ACCUMULO TERMICO CHE CONTRIBUISCE MAGGIORMENTE ALLA RIDUZIONE DELLE EMISSIONI. ULTERIORI MIGLIORAMENTI NELLA STRATEGIA DI DISPACCIAMENTO E NELL’INTEGRAZIONE FOTOVOLTAICA PORTANO A RIDUZIONI DEI COSTI FINO ALL’82,2% E DELLE EMISSIONI DEL 36,3% RISPETTO A SOLUZIONI CONVENZIONALI. NEI MERCATI CON PREZZI FREQUENTEMENTE BASSI O NEGATIVI E UN MIX PIÙ PULITO, TIPICI DEL NORD EUROPA, LA RICARICA DALLA RETE E IL CONTROLLO BASATO SU PREVISIONI GENERANO BENEFICI AGGIUNTIVI, CON RIDUZIONI DEI COSTI DI CIRCA IL 60% E DELLE EMISSIONI DI CIRCA IL 18% IN FINLANDIA, CON RISULTATI COMPARABILI IN DANIMARCA, GERMANIA E PAESI BASSI. UN MODELLO DI OTTIMIZZAZIONE TECNO-ECONOMICA MILP È INFINE UTILIZZATO PER DETERMINARE DIMENSIONAMENTO E FUNZIONAMENTO OTTIMALI DI UNA MICRORETE INDUSTRIALE CONNESSA ALLA RETE, INTEGRANDO FOTOVOLTAICO, ACCUMULO ELETTROCHIMICO E ACCUMULO TERMICO, SOTTO VINCOLI DI AFFIDABILITÀ ELETTRICA E TERMICA. DUE PROFILI INDUSTRIALI RAPPRESENTATIVI MOSTRANO CHE L’OTTIMIZZAZIONE PRIVILEGIA ELEVATE CAPACITÀ FOTOVOLTAICHE E UN RUOLO DOMINANTE DELL’ACCUMULO TERMICO, CHE RAGGIUNGE 5 MWH NELLA MINIMIZZAZIONE DELLE EMISSIONI E RIMANE SUPERIORE AL BESS ANCHE IN STRATEGIE ORIENTATE AI COSTI. LA MAGGIOR PARTE DEL SURPLUS FOTOVOLTAICO VIENE CONVERTITA IN CALORE RINNOVABILE, PORTANDO A UN UTILIZZO DELLE FONTI RINNOVABILI MOLTO ELEVATO, PROSSIMO AL 99%, A VALORI DI AUTOCONSUMO FINO AL 92% E A UNA SIGNIFICATIVA RIDUZIONE DELLE EMISSIONI, IN PARTICOLARE SUL LATO TERMICO, CON EMISSIONI MINIME DI CICLO DI VITA PARI A SOLI 0,0022 TCO₂/MWH. LA ROBUSTEZZA DELLE SOLUZIONI OTTIMALI È INFINE CONFERMATA IN CONDIZIONI METEOROLOGICHE STOCASTICHE.