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Destro, Nicola (2016) Ottimizzazione dei sistemi di accumulo dell'energia, con particolare attenzione agli impianti di pompaggio connessi alla rete. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

In the last years, the electrical production from not predictable renewable energy sources has been increased together with the electrical systems improvement to allow the integration into the network. The high exploitation of renewable energy sources in small and large systems involves the use of different storage technologies.
In the first part of the thesis the services provided by the storage technologies are analysed. In particular, services like time shift and renewable energy integration fit well with high capacity plants, while services like the power quality fit well with small capacity plants. Are also analysed the most common energy storage systems highlighting types of application, costs and future developments.
The deep analysis of renewable sources integration are carried out with optimization techniques and two stochastic algorithms have been developed and applied to the systems.
The different energy systems analysed are both stand alone and grid connected. Initially the energy hub approach is applied because it well fit to the complex systems representation. This approach is applied to a large grid connected system that requires electricity and thermal energy throughout the year. The object of the analysis is to determine the optimal operation of the machines in order to minimize the annual costs. Systems investigations go on with the analysis of a small stand alone system that must meet two requirements of the user. The energy system is equipped with facilities for the exploitation of local energy sources combined with storage systems. The objective of the analysis is to determine the optimal management of the energy system to reduce the overall management cost. Systems investigations go on with the analysis of a large stand alone system that must meet multiple user requirements. The energy system is equipped with facilities for the exploitation of local energy sources combined with storage systems. The objective of the analysis is to determine the optimal size and management of the installed machines in order to minimize the overall costs of the system.
Systems investigations analysis go on with analysis of storage systems connected to the grid, in particular compressed air systems and pumped storage hydro power plants. The compressed air system is analysed with a yearly simulation model trough two different usage scenarios: as an independent storage facility connected to the grid and as a facility working in coordination with a wind farm. The goals for the two usage scenarios is to maximize the yearly revenue of the storage system operating in the electricity market. Pumped storage hydro power plants were analysed with the collaboration of a Norwegian research institute. The investigations were focussed on three upgraded pumped storage hydro power plants operating in coordination with offshore wind turbines in the North Sea. Investigations have defined new operation strategies to smooth off the off shore wind power fluctuations in accordance with the environmental constraints on the reserves.
The carried out investigations have verified the energy storage systems potential in order to provide their contribution in the integration of renewable sources in the short and long term, in applications on the user side and on the generation side. The main research directions pointed out are related to the improvement of the management strategy and the improvement of the components through integrated research programs.

Abstract (italiano)

Negli ultimi anni si è assistito ad una crescente produzione di energia da fonti rinnovabili intermittenti e alla necessità di un adeguamento dei sistemi elettrici per consentire una maggiore integrazione della produzione intermittente nella rete. L’elevato sfruttamento delle fonti energetiche rinnovabili nei sistemi di piccola e grande dimensione passa anche attraverso l’impiego di diverse tecnologie di accumulo.
Nella prima parte della tesi sono analizzati i diversi servizi che possono offrire i sistemi di accumulo. In particolar modo, si ricordano servizi quali il time shift e l’integrazione di fonti rinnovabili che ben si adattano ad impianti di elevata capacità, oltre ai servizi come la qualità del servizio che si adattano ad impianti di piccola capacità. Sono inoltre analizzati i più comuni sistemi di accumulo dell’energia evidenziandone campi di applicazione, costi e sviluppi futuri.
L’analisi approfondita della integrazione delle fonti rinnovabili nei sistemi deve essere condotta attraverso metodi di ottimizzazione e per questa ragione sono analizzati due algoritmi di tipo stocastico successivamente applicati allo studio dei sistemi.
I diversi sistemi energetici analizzati sono di tipo sia non connesso che connesso alla rete elettrica. Inizialmente per studiare i sistemi è applicato il metodo degli energy hub che ben si presta a rappresentare sistemi complessi. Tale metodo è applicato ad un sistema di grandi dimensioni connesso alla rete che richiede energia elettrica e termica durante tutto l’anno. L’obiettivo dell’analisi è quello di determinare il funzionamento ottimale delle macchine al fine di ridurre i costi annuali. Le indagini continuano con l’analisi di un sistema di piccole dimensioni isolato dalla rete che deve soddisfare due richieste dell’utenza, è dotato di impianti per lo sfruttamento delle fonti energetiche locali abbinati ad accumuli. L’obiettivo dell’analisi è quello di determinare la gestione ottimale del sistema energetico per ridurre i costi di gestione del sistema. Le indagini proseguono con l’analisi di un sistema di grandi dimensioni isolato dalla rete che deve soddisfare molteplici richieste dell’utenza, è dotato di impianti per lo sfruttamento delle fonti energetiche locali abbinati a molteplici accumuli. L’obiettivo dell’analisi è quello di determinare la dimensione delle macchine installate e la gestione ottimale del stesse al fine di contenere i costi complessivi del sistema.
L’analisi si sposta poi verso i sistemi di accumulo connessi alla rete elettrica, in particolar modo verso gli impianti ad aria compressa e agli impianti di pompaggio idroelettrico. Il sistema ad aria compressa è analizzato attraverso un modello di simulazione annuale in due scenari di utilizzo: come impianto di accumulo indipendente connesso alla rete elettrica e come impianto operante in coordinamento con un parco eolico. L’obiettivo per i due scenari di funzionamento è quello di massimizzare i guadagni dell’impianto di accumulo operante nel mercato elettrico. I sistemi di accumulo idroelettrici sono stati analizzati grazie ad una collaborazione presso un istituto di ricerca norvegese. Le indagini hanno riguardato tre impianti di pompaggio ripotenziati e operanti in coordinamento con sistemi eolici off-shore nel Mare del Nord. Le indagini hanno individuato nuove strategie di gestione degli impianti idroelettrici utili al livellamento della produzione eolica in abbinamento al rispetto dei vincoli ambientali sull’utilizzo delle riserve idroelettriche.
Le analisi condotte hanno permesso di verificare come i sistemi di accumulo possano trovare applicazioni nella integrazione delle fonti rinnovabili nel breve e nel lungo termine, in applicazioni presso l’utente finale e presso la generazione. Le direzioni di ricerca principali puntano verso una maggiore indagine nelle tecniche dei gestione e maggiore ricerca sui singoli componenti attraverso programmi di ricerca sempre più integrati e completi.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Stoppato, Anna
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 28 > Scuole 28 > INGEGNERIA INDUSTRIALE > INGEGNERIA DELL' ENERGIA
Data di deposito della tesi:24 Gennaio 2016
Anno di Pubblicazione:Gennaio 2016
Parole chiave (italiano / inglese):ottimizzazione sistemi di accumulo di energia isolato dalla rete connesso alla rete impianti di pompaggio optimization storage energy systems stand alone grid connected pumped hydro storage
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/09 Sistemi per l'energia e l'ambiente
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Industriale
Codice ID:9052
Depositato il:18 Ott 2016 12:34
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Bibliografia

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[1] European Commission, “Energy Roadmap 2050 Impact assessment and scenario analysis,” 2011. Cerca con Google

[2] “SET-Plan.” [Online] . Available: https://ec.europa.eu/energy/en/topics/technology-and-innovation/strategic-energy-technology-plan. Vai! Cerca con Google

[3] “EERA.” [Online] . Available: http://www.eera-set.eu/. Vai! Cerca con Google

[4] S. Koohi-Kamali, V. V. Tyagi, N. A. Rahim, N. L. Panwar, and H. Mokhlis, “Emergence of energy storage technologies as the solution for reliable operation of smart power systems: A review,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 25, pp. 135–165, Sep. 2013. Cerca con Google

[5] RSEview, L ’accumulo di energia elettrica. 2011. Cerca con Google

[6] A. Akhil, G. Huff, and A. Currier, “DOE/EPRI 2013 electricity storage handbook in collaboration with NRECA,” Rep. SAND2013, no. July, p. 340, 2013. Cerca con Google

[7] S. Eckroad and I. Gyuk, “EPRI-DOE handbook of energy storage for transmission & distribution applications,” Electr. Power Res. Institute, Inc, no. December, 2003. Cerca con Google

[8] F. Díaz-González, A. Sumper, O. Gomis-Bellmunt, and R. Villafáfila-Robles, “A review of energy storage technologies for wind power applications,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 16, no. 4, pp. 2154–2171, May 2012. Cerca con Google

[9] Terna, Codice di Rete. . Cerca con Google

[10] A. Evans, V. Strezov, and T. J. Evans, “Assessment of utility energy storage options for increased renewable energy penetration,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 16, no. 6, pp. 4141–4147, Aug. 2012. Cerca con Google

[11] EASE/EERA, “European energy Storage Technology Development Roadmap Towards 2030-Technical Annex,” 2012. Cerca con Google

[12] EASE/EERA, “European Energy Storage Technology Development Roadmap Towards 2030,” 2013. Cerca con Google

[13] IEA, “Technology Roadmap, Energy storage,” 2014. Cerca con Google

[14] M. I. L. Marques, “Design and Control of an Electrical Machine for Flywheel Energy Storage System,” no. May, 2008. Cerca con Google

[15] R. Pena-Alzola, R. Sebastián, J. Quesada, and a Colmenar, “Review of Flywheel based Energy Storage Systems,” Int. Conf. Power Eng. Energy Electr. Drives, no. May, pp. 1–6, 2011. Cerca con Google

[16] D. Rastler, “Enery Storage Program P94,” EPRI, 2011. Cerca con Google

[17] L. Martini, “Rapporto di sintesi delle attività Progetto 4 – Ricerche su Reti attive , Generazione Distribuita e Sistemi di Accumulo,” 2013. Cerca con Google

[18] IRENA, “Hydropower,” 2015. Cerca con Google

[19] E. Solvang, J. Charmasson, J. Sauterleute, A. Harby, Å. Killingtveit, H. Egeland, O. Andersen, A. Ruud, and Ø. Aas, “Norwegian hydropower for large-scale electricity balancing needs,” 2014. Cerca con Google

[20] Voith, “Pumped Storage Machines.” . Cerca con Google

[21] Hamnaberg H., “Pumpekraft i Noreg. Kostnadar og utsikter til potensial,” NVE, 2011. Cerca con Google

[22] R. Deb, “Operating hydroelectric plants and pumped storage units in a competitive environment,” Electr. J., vol. vol. 13, 2000. Cerca con Google

[23] A. Lu, N., Chow, J.H. and Desrochers, “Pumped-storage hydro turbine bidding strategies in a competitive electricity market,” IEEE Trans. Power Syst., vol. vol. 19, 2004. Cerca con Google

[24] M. Connolly, D., Lund, H., Finn, P., Mathiesen, B.V. and Leahy, “Practical operation strategies for pumped hydroelectric energy storage (PHES) utilizing electricity price arbitrage,” Energy Policy, vol. vol. 39 (7, 2011. Cerca con Google

[25] M. Chazarra, J. I. Perez-Diaz, and J. Garcia-Gonzalez, “Optimal operation of variable speed pumped storage hydropower plants participating in secondary regulation reserve markets,” in European Energy Market (EEM), 2014 11th International Conference on the, 2014, vol. i, pp. 1–5. Cerca con Google

[26] F. A. Conejo, A.J., Arroyo, J.M., Contreras, J. and Villamor, “Self-scheduling of a hydro producer in a pool-based electricity market,” IEEE Trans. Power Syst., vol. vol. 17, 2002. Cerca con Google

[27] A. García-González, J., Moraga, R., Matres, R. and Mateo, “Stochastic joint optimization of wind generation and pumped-storage units in an electricity market,” IEEE Trans. Power Syst., vol. vol. 23(2), 2008. Cerca con Google

[28] M. Reuter, W.H., Fuss, S., Szolgayobá, J and Obersteiner, “Investment in wind power and pumped storage in a real options model,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. vol. 16, 2012. Cerca con Google

[29] G. Krajacic, D. Loncar, N. Duic, M. Zeljko, R. Lacal Arántegui, R. Loisel, and I. Raguzin, “Analysis of financial mechanisms in support to new pumped hydropower storage projects in Croatia,” Appl. Energy, vol. 101, pp. 161–171, Jan. 2013. Cerca con Google

[30] A. Spisto, “Market valuation of a hypothetical pump-hydro storage plant in the Italian power system,” 2014. Cerca con Google

[31] Singiresu S. Rao, Engineering Optimization Theory and Practice. 2009. Cerca con Google

[32] E. G. Talbi, Metaheuristics: From Design to Implementation. 2009. Cerca con Google

[33] UniPD, Stochastic methods for single-and multi-objective optimization. 2014. Cerca con Google

[34] S.-K. S. Fan, Y.-C. Liang, and E. Zahara, “A genetic algorithm and a particle swarm optimizer hybridized with Nelder–Mead simplex search,” Comput. Ind. Eng., vol. 50, no. 4, pp. 401–425, Aug. 2006. Cerca con Google

[35] R. Storn and K. Price, “Differential evolution–a simple and efficient heuristic for global optimization over continuous spaces,” J. Glob. Optim., pp. 341–359, 1997. Cerca con Google

[36] M. Geidl, “Integrated Modeling and Optimization of Multi-Carrier Energy Systems,” no. 17141, 2007. Cerca con Google

[37] G. Chicco and P. Mancarella, “Matrix modelling of small-scale trigeneration systems and application to operational optimization,” Energy, vol. 34, no. 3, pp. 261–273, 2009. Cerca con Google

[38] A. Stoppato and N. Destro, “A energy model for energy system optimization based on energy hubs theory,” in ECOS 2011 - 24th international conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, 2011, pp. 1384–1395. Cerca con Google

[39] F. Cagnin, “Studio di fattibilità progetto di ottimizzazione degli impianti cogenerativi dell’ospedale di Padova,” University of Padova, 2010. Cerca con Google

[40] M. Bianchi, P. R. Spina, G. Tomassetti, D. Forni, and E. Ferrero, “Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario,” p. 67, 2009. Cerca con Google

[41] UniPD, Energie Alternative. 2011. Cerca con Google

[42] A. Stoppato, G. Cavazzini, A. Benato, N. Destro, and G. Ardizzon, “Optimum design and management of a hybrid photovoltaic-pump hydro energy storage,” in Proceedings of the ASME 2014 -12th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis - ESDA 2014, 2014. Cerca con Google

[43] A. Stoppato, G. Cavazzini, G. Ardizzon, and A. Rossetti, “A PSO (particle swarm optimization)-based model for the optimal management of a small PV(Photovoltaic)-pump hydro energy storage in a rural dry area,” Energy, vol. 76, pp. 168–174, Nov. 2014. Cerca con Google

[44] M. Cloutier and P. Rowley, “The feasibility of renewable energy sources for pumping clean water in sub-Saharan Africa: A case study for Central Nigeria,” Renew. Energy, vol. 36, no. 8, pp. 2220–2226, Aug. 2011. Cerca con Google

[45] A. Hamidat, B. Benyoucef, and T. Hartani, “Small-scale irrigation with photovoltaic water pumping system in Sahara regions,” Renew. Energy, vol. 28, no. 7, pp. 1081–1096, Jun. 2003. Cerca con Google

[46] J. K. Kaldellis, E. Meidanis, and D. Zafirakis, “Experimental energy analysis of a stand-alone photovoltaic-based water pumping installation,” Appl. Energy, vol. 88, no. 12, pp. 4556–4562, Dec. 2011. Cerca con Google

[47] G. Ventrone, G., Ardizzon, G., and Pavesi, “Direct and reverse flow conditions in radial flow hydraulic turbomachines,” Proc. Instn. Mech. Engrs, vol. 214, 2000. Cerca con Google

[48] C. A. Dahl, “Measuring global gasoline and diesel price and income elasticities,” Energy Policy, vol. 41, pp. 2–13, Feb. 2012. Cerca con Google

[49] I. D. Spyrou and J. S. Anagnostopoulos, “Design study of a stand-alone desalination system powered by renewable energy sources and a pumped storage unit,” Desalination, vol. 257, no. 1–3, pp. 137–149, Jul. 2010. Cerca con Google

[50] A. Stoppato, A. Benato, N. Destro, and A. Mirandola, “Optimal Design and Management of a Cogeneration System with Energy Storage,” in ECOS 2014 - 27th international conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, 2014. Cerca con Google

[51] A. Stoppato, A. Benato, N. Destro, and A. Mirandola, “Optimal Design and Daily Operation of a Hybrid CHP System with Energy Storage,” in ECOS 2015 - 28th international conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, 2015. Cerca con Google

[52] F. Ferretto, A. Stoppato, N. Destro, and A. Benato, “Modelling of the Annual Performance of a CAES Plant and Relative Economic Analysis,” in ECOS 2015 - 28th international conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, 2015. Cerca con Google

[53] A. Mirandola, A., Macor, “Full Load and Part Load Operation of Gas Turbine-Steam Turbine Combined Plant,” ISEC, Vol.VIII-15, 1986. Cerca con Google

[54] J. Kurzke, “How to get component maps for aircraft gas turbine performance calculations,” ASME 96-GT-164, 1996. Cerca con Google

[55] Kays, W.M. and A. L. London, Compact heat exchangers. 1984. Cerca con Google

[56] “http://www.cedren.no/Prosjekter/HydroBalance.” . Vai! Cerca con Google

[57] NVE, Energy in Norway, 2014th Cerca con Google

[58] NVE, “Økt installasjon i eksisterende vannkraftverk, Potensial og kostnader,” 2011. Cerca con Google

[59] “Climate-friendly, reliable, affordable: 100% renewable electricity supply by 2050,” vol. 15. German Advisory Council on the Environment (SRU), 2010. Cerca con Google

[60] E. Solvang, A. Harby, and Å. Killingtveit, “Increasing balance power capacity in Norwegian hydroelectric power stations,” 2012. Cerca con Google

[61] K. Øygård, “Pumped hydro plant for power generation,” NTNU, 2008. Cerca con Google

[62] M. Korpås, O. Wolfgang, and S. Aam, “Norwegian pumped hydro for providing peaking power in a low-carbon European power market – Cost comparison against OCGT and CCGT,” in EEM15, 2015. Cerca con Google

[63] J. O. G. Tande, M. Korpås, L. Warland, K. Uhlen, and F. Van Hulle, “Impact of TradeWind offshore wind power capacity scenarios on power flows in the European HV network,” 7th Int. Work. Large Scale Integr. Wind Power Transm. Networks Offshore Wind Farms, pp. 1–6, 2008. Cerca con Google

[64] “Wind Power Integration and Exchange in the Trans-European Power Markets (TRADEWIND).” [Online] . Available: https://ec.europa.eu/energy/intelligent/projects/en/projects/tradewind. Vai! Cerca con Google

[65] A. L. Sætre, “Variable Speed Pumped Storage Hydropower for Balancing Variable Power Production in Continental Europe,” NTNU, 2013. Cerca con Google

[66] G. Ardizzon, G. Cavazzini, and G. Pavesi, “A new generation of small hydro and pumped-hydro power plants: Advances and future challenges,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 31, pp. 746–761, Mar. 2014. Cerca con Google

[67] G. Koeppel, “Reliability considerations of future energy systems: multi-carrier systems and the effect of energy storage,” 2007. Cerca con Google

[68] F. Wiese, “renpass Renewable Energy Pathways Simulation System Open Source as an approach to meet challenges in energy modeling,” 2015. Cerca con Google

[69] G. Bökenkamp, “Universität Flensburg Doctoral Thesis Author?: Supervisors?: Bökenkamp Hohmeyer,” no. October, 2014. Cerca con Google

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