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Tesi etd-04182020-191520


Thesis type
Tesi di laurea magistrale
Author
AGOSTINELLI, GABRIELE
URN
etd-04182020-191520
Title
Metodo di pianificazione dell'elettrificazione di aree rurali in paesi in via di sviluppo mediante cluster di sistemi isolati interconnessi
Struttura
INGEGNERIA DELL'ENERGIA, DEI SISTEMI, DEL TERRITORIO E DELLE COSTRUZIONI
Corso di studi
INGEGNERIA ENERGETICA
Supervisors
relatore Prof. Giglioli, Romano
correlatore Dott. Fioriti, Davide
Parole chiave
  • mini-grids
  • elettrificazione rurale
  • pianificazione
  • demand growth
  • multi-year approach
  • off-grid energy system
  • MILP
  • optimal planning
  • interconnection
Data inizio appello
07/05/2020;
Consultabilità
Secretata d'ufficio
Data di rilascio
07/05/2090
Riassunto analitico
I sistemi off-grid rappresentano un'alternativa sempre più praticabile all'estensione della rete nazionale per l'elettrificazione rurale nei paesi in via di sviluppo. Nell'ultimo decennio, grazie alle significative riduzioni del costo degli impianti e dell'uso delle fonti rinnovabili disponibili in loco, il costo dell'energia prodotta da questi sistemi è molto competitivo rispetto a quello che si avrebbe sviluppando connessioni con le reti esistenti, quest'ultime sviluppate principalmente per alimentare i grandi centri urbani. Le mini-grids offrono importanti vantaggi anche dal punto di vista ambientale e sociale, facilitando il coinvolgimento delle comunità locali nei progetti di sviluppo e contraddistinguendosi come sistemi di generazione con elevata penetrazione rinnovabile. Per migliorare ulteriormente la competitività economica delle mini-grid e favorirne la diffusione, è necessario elaborare strategie di controllo e algoritmi di progettazione innovativi, in grado di garantire prestazioni operative ottimali al minor costo complessivo. La procedura proposta nella tesi si distingue dai modelli presenti in letteratura: l'algoritmo consente lo studio di pianificazione, basato su un approccio pluriennale, di un gruppo di mini-grids per l'alimentazione di diversi villaggi di una stessa regione, prevedendo la possibilità di interconnettere le varie comunità nel corso degli anni e consentendo inoltre l'installazione e l'ampliamento degli impianti in più tempi e non esclusivamente all'inizio del progetto. L'obbiettivo del lavoro è quello di ottenere uno strumento in grado di tener conto, in fase progettuale, dei più importanti aspetti a lungo termine caratterizzanti i sistemi off-grid per l'elettrificazione rurale, come l'andamento crescente della domanda da parte delle utenze e l'abbassamento delle prestazioni dei componenti nel corso della vita utile degli impianti, e individuare quali vantaggi economici si possono raggiungere dall'interconnessione e aggiornamento delle unità. Il metodo di pianificazione proposto è stato applicato a un caso studio di quattro mini-grids per altrettanti villaggi nella regione nord-occidentale della Tanzania. La scelta della configurazione ibrida (solare con generatore ausiliario) è giustificata dal fatto che questa rappresenta la soluzione più versatile e con maggiori prospettive di diffusione nei paesi del sud del mondo, sia per l'ampia disponibilità della risorsa solare, sia per la continua riduzione dei costi delle tecnologie interessate. I risultati ottenuti hanno mostrato come diversi scenari di crescita della domanda di carico producano notevoli effetti sulla procedura di dimensionamento degli impianti e sulla valutazione economica dei progetti, rendendo evidente come un accurato processo di previsione a lungo termine del fabbisogno energetico sia un aspetto importantissimo per la sostenibilità tecnica e finanziaria delle mini-grids. Inoltre, è possibile notare che negli scenari di una sostenuta crescita della domanda energetica, l’introduzione della possibilità di upgrade degli impianti e di interconnessione dei sistemi può offrire importanti opportunità di risparmio economico; negli scenari di limitati tassi di crescita della domanda, invece, i vantaggi energetici ottenibili dall’interconnessione degli impianti possono non essere compensati dai costi di realizzazione delle linee elettriche. Concludendo, nelle regioni rurali caratterizzate dalla presenza di un numero ragionevole di comunità ravvicinate tra loro, in cui sono rese possibili le condizioni per un proficuo sviluppo socioeconomico della popolazione, l’introduzione di una rete di interconnessione tra i sistemi energetici può rappresentare un’occasione di concreto risparmio economico per gli sviluppatori dei sistemi off-grid e facilitare quindi il raggiungimento dell’importante traguardo dell’accesso globale all’energia.


Off-grid systems represent an increasingly viable alternative to extending the national network for rural electrification in developing countries. In the last decade, thanks to the significant reductions in the cost of plants and the use of local renewable sources, the cost of energy produced by these systems is very competitive compared to what would be obtained by developing connections with existing grid, mainly developed to feed the large urban centres. Mini-grids offer important advantages also from an environmental and social point of view, featuring generation systems with high renewable penetration and facilitating the involvement of local communities in development projects.
To further enhance microgrids economic competitiveness, it is necessary to devise innovative control strategies and design algorithms, that can ensure an optimal operating performance at the lowest overall cost. The procedure proposed in the thesis differs from the models present in the literature: the algorithm allows the design study, based a multi-year approach, of a group of mini-grids for the electrification of different villages in the same region, providing for the possibility of interconnecting the various communities over the years and also allowing to install and upgrade the systems in several times, not only at the beginning of the project. The aim of the work is to obtain a tool capable of taking into account, in the design phase, the most important long-term aspects characterizing the off-grid systems, such as the growing trend of load demand and the derating of the components during the lifetime of the plants, and identify what economic benefits can be achieved from the units interconnection and upgrading. The proposed planning method was applied to a case study of four mini-grids in the north-western region of Tanzania. The choice of the hybrid configuration (solar with auxiliary generator) is justified by the fact that this represents the most versatile solution and with greater prospects of diffusion in developing countries, both for the wide availability of the solar source and the continuous costs reduction of the technologies involved. Furthermore, it is possible to see that in the sustained demand growth scenarios, the introduction of the possibility of upgrading and interconnection can offer important opportunities for economic savings; in the scenarios of limited demand growth rates, however, the energy benefits obtainable from the interconnection of the systems may not be offset by the costs of construction of the power lines. In conclusion, in rural regions characterized by the presence of a reasonable number of close communities, where are made possible the conditions for a profitable socio-economic development of the population, the introduction of an interconnection network between energy systems can represent an opportunity, for the developers of off-grid systems, of concrete savings and therefore facilitate the achievement of the important goal of global access to energy.


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