STUDIO TEORICO E NUMERICO DELL'INTEGRAZIONE DI SISTEMI SOLARI FOTOVOLTAICI CON DISPOSITIVI DI ACCUMULO DI ENERGIA NELLE COMUNITÀ ENERGETICHE RINNOVABILI

IN RECENT YEARS, ENERGY SYSTEMS HAVE UNDERGONE A SIGNIFICANT SHIFT FROM CENTRALIZED TO DECENTRALIZED STRUCTURES, INCREASINGLY RELYING ON LOCAL RENEWABLE ENERGY SOURCES (RESS) TO MEET THEIR NEEDS. REGARDING DECENTRALIZED SYSTEMS, RENEWABLE ENERGY COMMUNITIES (RECS) HAVE EMERGED AS KEY DRIVERS OF THIS TRANSITION, OFFERING REDUCED COSTS AND COMPLEXITY, ENHANCED EFFICIENCY, IMPROVED RESILIENCE, AND ENERGY INDEPENDENCE, THEREBY ADVANCING THE GLOBAL AGENDA TOWARD REDUCTION IN CO₂ EMISSIONS AND ALSO THE INCREASED CITIZEN ENGAGEMENT AND SOCIAL INNOVATION ACCELERATING THE GROWTH OF RECS. THIS THESIS FOCUSES ON RENEWABLE ENERGY COMMUNITIES, PROVIDING IN-DEPTH DETAILS AND A STATE-OF-THE-ART OF RECS, EXPLORING THEIR CONCEPTS, SCOPE, BENEFITS, AND KEY ACTIVITIES AND ALSO HIGHLIGHTING THE ENERGY-SHARING CONCEPT IN RECS AND THEIR ROLE IN ACHIEVING THE SUSTAINABLE DEVELOPMENT GOALS (SDGS). ADDITIONALLY, TECHNOLOGICAL ELEMENTS BEHIND THE RECS, ALONG WITH THE POLICY AND INCENTIVE DETAILS FOR EUROPE AND PARTICULARLY ITALY, ARE DISCUSSED WHILE PRESENTING COMPARATIVE PROGRESS ACROSS DIFFERENT EUROPEAN COUNTRIES IN LINE WITH THE RENEWABLE ENERGY DIRECTIVE II. DIFFERENT SOURCES COULD BE INTEGRATED INTO THE RECS, LIKE RESS, ENERGY STORAGE SYSTEMS (ESSS), AND ELECTRIC VEHICLES (EVS) AND ALSO OTHERS. SO THIS WORK ALSO GIVES DETAILED DISCUSSIONS ON THE SOLAR PV, ESSS AND EVS INTEGRATED IN RECS IN OUR CASE FOLLOWING THEIR ROLE, CHARACTERISTICS, TYPES, AND CHALLENGES IN AS PER THE LITERATURE. FOLLOWING THE IN DETAIL DISCUSSION ON RECS, THE WORK IS CARRIED OUT ON THE MATHEMATICAL AND NUMERICAL MODELLING OF RECS WITH THE INTEGRATION OF PHOTOVOLTAICS (PV), EVS, AND ESSS. IT IS STARTED FROM THE OPTIMIZATION MODEL DEVELOPMENT BASED ON THE NUMBER OF PARTICIPANTS, WITH THE INTEGRATION OF PV TO EVALUATE ENERGY FLOWS AND PROFITABILITY ON THE OPTIMUM NUMBER OF PARTICIPANTS LIKE PROSUMERS AND CONSUMERS UNDER THE ITALIAN REGULATORY FRAMEWORK. ADDITIONALLY, A CASE STUDY IS ALSO TAKEN FOR THE SOUTHERN ITALY TO CHECK THE PROFITABILITY ON DIFFERENT CONFIGURATIONS, CONTEMPLATING THE OPTIMAL PV SIZING FOR THE BEST CASE WITH HIGH PROFITABILITY WITH DIFFERENT INCENTIVES AND OPPORTUNITIES. MOREOVER, THIS WORK IS ALSO EXTENDED WITH THE INTEGRATION OF PV AND EVS, CONSIDERING THE ENERGY MANAGEMENT STRATEGIES TO MAXIMIZE THE UTILIZATION OF ENERGY FROM THE PV AND RESULTING IN AN INCREASED NUMBER OF EVS FOR THE CHARGING FROM PV SYSTEM. THE MODEL INCORPORATES CONSUMERS AND PROSUMERS WITH FLEXIBLE ROLES, PV GENERATION HOURLY BASED DATA FROM PVGIS, RESIDENTIAL LOAD PROFILES FROM THE BILLS CONVERTED ON HOURLY BASIS, AND EV LOAD PROFILES FROM CHARGING MONITORING PORTAL. TECHNO-ECONOMIC AND SENSITIVITY ANALYSIS IS CARRIED OUT TO EVALUATE THE BENEFITS UNDER DIFFERENT SCENARIOS. ENVIRONMENTAL ANALYSIS IS ALSO TAKEN BY EVALUATING THE CO2 EMISSION REDUCTIONS WITH THE USE OF PV FOR THE EVS CHARGING AND HOUSEHOLD LOADS. LASTLY, CONSIDERING THE ROLE OF ESSS IN RECS, A MODEL WITH PV AND ESS IS ALSO DEVELOPED TO FOLLOW THE ENERGY MANAGEMENT SYSTEMS. SO, OVERALL, THIS THESIS IS A RESOURCE THAT CONTRIBUTES WITH THE POSITIVE RESULTS FROM TECHNICAL, ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL PERSPECTIVES FOCUSED ON THE OPTIMIZATION AND ENERGY MANAGEMENT SYSTEMS. IT ALSO HIGHLIGHTS THE SIGNIFICANCE OF CITIZEN PARTICIPATION AND PROVIDES INFORMATION ON A RANGE OF COMMUNITY ENERGY TOPICS FOR A SUSTAINABLE ENERGY TRANSITION. POLICYMAKERS, RESEARCHERS, INDUSTRY EXPERTS, AND COMMUNITY MEMBERS WHO ARE INTERESTED IN ADVANCING SUSTAINABLE, LOCALLY DRIVEN ENERGY SYSTEMS CAN BENEFIT FROM THIS WORK FROM THE INITIAL STAGE LIKE DESIGNING TO OPERATIONAL PHASE.

NEGLI ULTIMI ANNI, I SISTEMI ENERGETICI HANNO SUBITO UN SIGNIFICATIVO PASSAGGIO DA STRUTTURE CENTRALIZZATE A STRUTTURE DECENTRALIZZATE, AFFIDANDOSI SEMPRE PIÙ ALLE FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI (FER) PER SODDISFARE IL PROPRIO FABBISOGNO. PER QUANTO RIGUARDA I SISTEMI DECENTRALIZZATI, LE COMUNITÀ DI ENERGIA RINNOVABILE (CER) SONO EMERSE COME MOTORI CHIAVE DI QUESTA TRANSIZIONE, OFFRENDO COSTI E COMPLESSITÀ RIDOTTI, MAGGIORE EFFICIENZA, MAGGIORE RESILIENZA E INDIPENDENZA ENERGETICA, CONTRIBUENDO COSÌ ALL'AGENDA GLOBALE VERSO LA RIDUZIONE DELLE EMISSIONI DI CO₂ E AL MAGGIORE COINVOLGIMENTO DEI CITTADINI E ALL'INNOVAZIONE SOCIALE. QUESTA TESI SI CONCENTRA SULLE COMUNITÀ DI ENERGIA RINNOVABILE, FORNENDO DETTAGLI APPROFONDITI E UNO STATO DELL'ARTE DELLE CER, ESPLORANDONE I CONCETTI, LA PORTATA, I BENEFICI E LE ATTIVITÀ CHIAVE, EVIDENZIANDO ANCHE IL CONCETTO DI CONDIVISIONE DELL'ENERGIA NELLE CER E IL LORO RUOLO NEL RAGGIUNGIMENTO DEGLI OBIETTIVI DI SVILUPPO SOSTENIBILE. INOLTRE, SONO DISCUSSI GLI ELEMENTI TECNOLOGICI ALLA BASE DELLE REC, INSIEME AI DETTAGLI DELLE POLITICHE E DEGLI INCENTIVI PER L'EUROPA E IN PARTICOLARE PER L'ITALIA, PRESENTANDO AL CONTEMPO I PROGRESSI NEI DIVERSI PAESI EUROPEI IN LINEA CON LA DIRETTIVA SULLE ENERGIE RINNOVABILI II. ALL’INTERNO DELLE CER SONO PRESENTI DIVERSI ELEMENTI OLTRE ALLE FER, COME I SISTEMI DI ACCUMULO DI ENERGIA (ESS), I VEICOLI ELETTRICI (EV) E ALTRO ANCORA. PERTANTO, QUESTO LAVORO FORNISCE ANCHE DISCUSSIONI DETTAGLIATE SUL SOLARE FOTOVOLTAICO, SUGLI ESS E SUI VEICOLI ELETTRICI INTEGRATI NELLE CER, ANALIZZANDONE IL RUOLO, LE CARATTERISTICHE, LE TIPOLOGIE E LE SFIDE. DOPO LA DISCUSSIONE DETTAGLIATA SULLE CER, IL LAVORO SI CONCENTRA SULLA MODELLAZIONE MATEMATICA E NUMERICA DELLE CER CON L'INTEGRAZIONE DI FOTOVOLTAICO (FV), VEICOLI ELETTRICI (ESS) E SISTEMI DI ACCUMULO DI ENERGIA (ESS). SI È INIZIATO CON LO SVILUPPO DI UN MODELLO DI OTTIMIZZAZIONE BASATO SUL NUMERO DI PARTECIPANTI, IN GRADO DI VALUTARE I FLUSSI DI ENERGIA E LA REDDITIVITÀ CON IL NUMERO OTTIMALE DI PARTECIPANTI, COME PROSUMER E CONSUMER, NELL'AMBITO DEL QUADRO NORMATIVO ITALIANO. INOLTRE, È STATO PRESO IN ESAME UN CASO DI STUDIO PER L'ITALIA MERIDIONALE PER VERIFICARE LA REDDITIVITÀ DI DIVERSE CONFIGURAZIONI, CONSIDERANDO IL DIMENSIONAMENTO OTTIMALE DEL FOTOVOLTAICO, ANCHE IN PRESENZA DI INCENTIVI. INOLTRE, IN QUESTO LAVORO È STATO ANALIZZATO L’IMPATTO DEI VEICOLI ELETTRICI ALL’INTERNO DELLE CER, CONSIDERANDO LE STRATEGIE DI GESTIONE ENERGETICA PER MASSIMIZZARE L'UTILIZZO DELL'ENERGIA FOTOVOLTAICA E L’ENERGIA CONDIVISA AL VARIARE DEL NUMERO DI VEICOLI ELETTRICI. IL MODELLO INTEGRA IL RUOLO FLESSIBILE DI CONSUMER E PROSUMER, ANALIZZANDO DATI ORARI SULLA GENERAZIONE FOTOVOLTAICA E SUI PROFILI DI CARICO RESIDENZIALE E DEI VEICOLI ELETTRICI, COSÌ COME RICAVATI DAL PORTALE DI MONITORAGGIO DELLE COLONNINE DI RICARICA. SONO STATE CONDOTTE ANALISI TECNICO-ECONOMICHE E DI SENSITIVITÀ PER VALUTARE I BENEFICI IN DIVERSI SCENARI. E’ STATA INOLTRE CONDOTTA UN'ANALISI AMBIENTALE VALUTANDO LE RIDUZIONI DELLE EMISSIONI DI CO2 DERIVANTI DALL'UTILIZZO DEL FOTOVOLTAICO PER LA RICARICA DEI VEICOLI ELETTRICI E PER I CARICHI DOMESTICI. INFINE, CONSIDERANDO IL RUOLO DEI SISTEMI DI ACCUMULO ENERGETICO (ESS) NELLE CER, È STATO SVILUPPATO ANCHE UN MODELLO INNOVATIVO CHE OTTIMIZZA L’ENERGIA CONDIVISA CONSIDERANDO IL POSSIBILE DUPLICE RUOLO DEGLI ACCUMULI COME CARICO E GENERATORE. NEL COMPLESSO, QUESTO LAVORO DI TESI PUÒ RAPPRESENTARE UN CONTRIBUTO ALLO SVILUPPO DELLE CER APPROFONDENDO ASPETTI TECNICI, ECONOMICI E AMBIENTALI, FOCALIZZANDOSI SULL'OTTIMIZZAZIONE DEL SISTEMA ATTRRAVERSO L’IMPLEMENTAZIONE DI UN SISTEMA DI GESTIONE DELL’ENERGIA. IL LAVORO METTE IN RISALTO L'IMPORTANZA DELLA PARTECIPAZIONE DEI CITTADINI E FORNISCE INFORMAZIONI TECNICHE UTILI ALL’IMPLEMENTAZIONE DELLE CER AI FINI DI UNA TRANSIZIONE ENERGETICA SOSTENIBILE.