Un approccio alla progettazione di sistemi integrati di energia rinnovabile per l’elettrificazione nelle comunità remote

I sistemi integrati di energia rinnovabile stanno diventando un’opzione promettente per l’elettrificazione nelle comunità remote. L’integrazione di più fonti di energia rinnovabile consente alle comunità di contrastare le carenze di una fonte di energia rinnovabile con i punti di forza di un’altra. Nello specifico, questo articolo presenta un approccio alla progettazione di sistemi integrati di energia rinnovabile per la produzione di elettricità nelle zone remote non servite dai tradizionali impianti di energia elettrica.

Introduzione

Ci sono diversi fattori che hanno attirato una significativa attenzione verso le applicazioni delle energie rinnovabili. I fattori includono il progresso delle tecnologie di energia rinnovabile, le crescenti preoccupazioni ambientali e l’interesse per la sostenibilità e la sicurezza energetica. Sebbene l’utilizzo dell’energia rinnovabile sia importante per lo sviluppo sostenibile, alcune questioni come la natura intermittente della generazione solare ed eolica, ed i costi di produzione, devono essere considerati nella progettazione e nell’applicazione dei sistemi di energia rinnovabile. Il problema dell’intermittenza può essere superato utilizzando sistemi integrati di energia rinnovabile in cui sono integrati due o più tipi di fonti energetiche. In altre parole, la combinazione di più fonti di energia rinnovabile, tra cui solare, eolica e biomassa, può compensare le reciproche carenze.

I costi di produzione dell’energia elettrica potrebbero essere ridotti ottimizzando i sistemi energetici integrati in base ai luoghi geografici. Pertanto, l’ottimizzazione dei sistemi integrati di energia rinnovabile è un campo di ricerca con importanti aree degne di essere indagate. Metodologie adeguate possono fornire strumenti di supporto alla simulazione del progetto per il dimensionamento del sistema nelle fasi di progettazione e la valutazione dei compromessi tra le varie configurazioni del sistema.

Il processo di selezione di un adeguato sistema energetico integrato potrebbe essere un compito complesso. La ricerca e la sperimentazione sul campo hanno rilevato che le fonti di energia rinnovabile più adatte in alcune regioni erano l’energia solare e, successivamente, quella eolica. In effetti, le tecnologie di produzione di energia solare ed eolica sono utilizzate in molti paesi grazie al consolidamento delle relative tecnologie, all’elevata accettazione sociale e all’uso diffuso. Tuttavia, l’utilizzo di un’unica fonte di energia rinnovabile come l’energia eolica o solare per fornire elettricità, ha una bassa affidabilità a causa della disponibilità di queste fonti che è intermittente o casuale e dipende molto dalle condizioni meteorologiche. Pertanto, combinare le fonti rinnovabili per formare un sistema energetico integrato è una soluzione efficace per superare le carenze di un’unica fonte di energia.

Nel 2020, è stato studiato il dimensionamento ottimale di un sistema ibrido di stoccaggio energetico con alimentazione solare, eolica e idroelettrica in una regione del Nord Africa sulla base di diverse tecniche metaeuristiche. E’ stata analizzata l'implementazione di diverse tecniche di ottimizzazione per ottenere il dimensionamento migliore dei sistemi di energia rinnovabile ibrida connessi alla rete. Inoltre, è stata sperimentata l’ottimizzazione della cooperazione energetica nelle micro-reti elettriche con integrazione di energia rinnovabile, e gli impatti della cooperazione energetica delle micro-reti e dello stoccaggio dell’energia sul costo dell’elettricità.

Ancora nel 2020, sono stati studiati sistemi multi-energia con accumulo di energia per le comunità rurali ed è stata valutata l’entità ottimale di conversione dell’energia e stoccaggio dell’elettricità tramite batterie agli ioni di litio. Più recentemente, lo scorso anno, è stato effettuata un'analisi di fattibilità e dimensionamento ottimale di sistemi di energia rinnovabile ibrida in cui i sistemi connessi alla rete e autonomi sono costituiti da una turbina eolica, una centrale elettrica a biogas, pannelli solari fotovoltaici e batterie. In questo studio, si sosteneva che con tali sistemi energetici ibridi si potrebbe ottenere un costo dell’elettricità di circa 5 centesimi di dollari per un kWh. Inoltre, sono state valutate le esigenze e i requisiti per la fornitura di servizi energetici critici alle comunità nelle regioni del Nord America. Sono state inoltre proposte idee avanzate di un sistema geotermico come parte di soluzioni integrate a lungo termine ed è stato condotto uno studio di fattibilità tecnica ed economica sull’integrazione di diverse fonti energetiche locali (rinnovabili e non rinnovabili) per stabilire un percorso per un approvvigionamento energetico sostenibile ed a basse emissioni di carbonio.

Nel 2019 è stata esaminata l’integrazione dell’energia rinnovabile nelle micro-reti elettriche basate sul diesel nelle remote comunità artiche, dove la dipendenza dal diesel e i costi associati rappresentano una questione economica rilevante, ed è stato scoperto che il piano energetico ottimale era costituito da combinazioni ibride diesel + rinnovabili. Parallelamente, sono stati analizzati i fattori economici e le strategie tecniche per l’integrazione delle energie rinnovabili nelle micro-reti delle isole remote artiche, e hanno sottolineato che i principali ostacoli tecnici per l’integrazione delle energie rinnovabili includevano la gestione delle risorse energetiche distribuite ed una progettazione affidabile per un funzionamento resiliente.

Nel 2022 sono stati discussi i percorsi verso la transizione all’energia rinnovabile nelle comunità remote artiche, dove le condizioni climatiche sono più o meno simili a quelle delle comunità del Nord America. I ricercatori hanno condotto un’analisi comparativa di 24 comunità remote artiche per identificare i fattori che potrebbero portare all’implementazione di tecnologie di energia rinnovabile e hanno dimostrato che i tre fattori primari più importanti erano la capacità della comunità di gestire progetti e infrastrutture, i sussidi per l’elettricità e le risorse condivise.

La progettazione di sistemi integrati di energia rinnovabile

Lo scopo di questo articolo è di descrivere un approccio alla progettazione di sistemi integrati di energia rinnovabile costituiti da una combinazione di fonti rinnovabili, ovvero pannelli solari fotovoltaici, turbine eoliche, generatore di energia a biomassa e batterie di accumulo, per applicazioni di produzione di elettricità in comunità remote di qualsiasi parte del mondo. La biomassa viene utilizzata come combustibile per produrre elettricità nei periodi in cui l’energia solare ed eolica non sono in grado di soddisfare la domanda di energia. Viene considerato di sviluppare una metodologia per ottimizzare la progettazione integrata di sistemi di energia rinnovabile, con l'obiettivo di giungere al risultato in cui i sistemi energetici integrati siano un’opzione efficace per l’elettrificazione nelle comunità remote.

La progettazione di sistemi integrati di energia rinnovabile prevede la disposizione modulare delle unità solari fotovoltaiche ed eoliche, al fine di ottenere la capacità richiesta aumentando o diminuendo il numero di pannelli solari fotovoltaici e turbine eoliche. La dimensione del sistema è ottimizzata determinando il numero di pannelli e turbine. Il modulo biomassa di alimentazione è costituito da un gassificatore di biomassa e da un generatore con motore a combustione interna. I sistemi integrati di energia rinnovabile sono progettati dando priorità ai sottosistemi di energia solare ed eolica rispetto al sottosistema di biomassa di alimentazione. La capacità di potenza del sistema integrato viene determinata utilizzando il modello basato sul valore medio della domanda di energia oraria della comunità selezionata per il test del progetto.

[...]

ATTENZIONE: quello che hai appena letto è solo un estratto, l'Articolo Tecnico completo è composto da ben 2098 parole ed è riservato agli ABBONATI. Con l'Abbonamento avrai anche accesso a tutti gli altri Articoli Tecnici che potrai leggere in formato PDF per un anno. ABBONATI ORA, è semplice e sicuro.