DATI DI VENTO RICOSTRUITI

In questo capitolo verranno ripetute le simulazioni del sistema al variare delle taglie di elettrolizzatore e batteria impiegando dati di vento sintetici. Sono state perciò costruite diverse sequenze di velocità del vento che hanno una distribuzione di Weibull con stessi fattori di forma e di scala di quella relativa alla sequenza di velocità di vento reali allo scopo di capire se influiscono sul dimensionamento dei due dispositivi.

La distribuzione della velocità del vento è generalmente espressa con la funzione di Weibull (7.1), cioè una funzione di distribuzione statistica che esprime la densità di probabilità della velocità del vento v:

f(v) =k c( v c) k−1_e−(v_c)k (7.1)

Essa dipende dal parametro di scala c, espresso in m

s, legato fortemente alla velocità

media del vento, nel caso studiato pari a 8,6 m

s, e il parametro di forma k, quantità

adimensionale che è un indice della simmetria della funzione. Valori di k molto vicini ad 1 rappresentano distribuzioni asimmetriche, invece valori maggiori di 2 creano distribuzioni più simmetriche.

Dai dati di velocità del vento usati in precedenza, attraverso l’uso della funzione wblfit di Matlab è stato possibile ricavare i valori dei due parametri di forma e di scala della funzione di Weibull (7.2):

k=2,6796 c=9.6720 (7.2)

Una volta ottenuti i parametri di forma e di scala, tenendo questi dati costanti, tramite l’uso del comando wblrnd di Matlab sono stati simulati in maniera casuale

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30 diversi vettori della velocità del vento per studiare l’effetto della loro diversa sequenza temporale sul dimensionamento batteria-elettrolizzatore dell’impianto. Come mostrato dalla Figura 7.1 (sinistra), si nota una sequenza temporale dei dati di vento più fitta, in quanto la sequenza ricreata è casuale e un dato di velocità non è correlato in alcun modo al precedente.

Inoltre, si riporta in Figura 7.1 (destra) la distribuzione delle velocità del vento nel caso di una sequenza sintetica. Si nota una differenza rispetto alla distribuzione di velocità dei dati reali, infatti nel caso dei dati di vento reali la distribuzione di velocità non corrisponde esattamente ad una Weibull e si possono notare due picchi intorno alla velocità media di 8,6 m

s. La funzione di Weibull delle sequenze di vento

ricostruite (mostrata in Figura 7.2), avendo mantenuto gli stessi parametri di forma e di scala, è la stessa.

Figura 7.1 Sequenza temporale dei dati di vento (sinistra) e distribuzione di velocità (destra)

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Le sequenze di velocità del vento sintetiche così costruite sono state impiegate per ripetere simulazioni effettuate in precedenza e confrontare i risultati ottenuti con le diverse sequenze e con i dati di vento originari. Per queste simulazioni è stato usato il codice di logica di gestione presentato nel paragrafo 3.5.

Lo scopo è quello di stabilire se diverse sequenze sintetiche di dati della velocità del vento non correlati tra loro influiscono sulle prestazioni dell’elettrolizzatore e della batteria e generino risultati diversi tra loro e/o rispetto alla sequenza originaria.

Viene riportato in Figura 7.3 il numero dei cicli equivalenti dell’accumulatore elettrochimico e l’SOC medio delle diverse sequenze di dati sintetici.

I rettangoli presenti all’interno del grafico rappresentano il tetto massimo e minimo di variabilità dei risultati con le diverse sequenze dei dati sintetici, invece la linea rossa all’interno rappresenta il valore medio ottenuto.

Si osserva che i risultati sul comportamento della batteria sono praticamente gli stessi per le diverse sequenze sintetiche di velocità del vento, ciò significa che la diversa sequenza casuale di velocità del vento non influenza lo stato di carica medio della batteria e nemmeno il numero dei cicli equivalenti di scarica. Inoltre, come mostrato in Figura 7.4 e Figura 7.5, anche la potenza media dell’elettrolizzatore e

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il rapporto tra l’energia inutilizzata ed utilizzata dall’elettrolizzatore non mostrano variazioni significative con le diverse sequenze di velocità del vento sintetiche.

Figura 7.4 Potenza media degli elettrolizzatori delle diverse Weibull Figura 7.5 Rapporto di energia per le sequenze di vento sintetiche

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7.2. ANALISI DEI RISULTATI

In questo paragrafo verranno confrontati i risultati ottenuti dai dati di vento sintetici (curve tratteggiate) e reali (curve continue) con l’obiettivo di mostrare le variazioni delle prestazioni del sistema.

Si presenta in Figura 7.6 il numero di scariche dell’accumulatore elettrochimico.

Il numero di scariche risulta indipendente dalla capacità della batteria nel caso dei dati di vento sintetici. Data la mancata correlazione dei dati di vento ricreati, la loro successione risulta molto variabile generando continui cambiamenti della logica di gestione. Quindi al variare della capacità della batteria, il numero delle scariche per una determinata taglia dell’elettrolizzatore rimane uguale.

Nel caso dei dati di vento reali, invece, all’aumentare della capacità della batteria il numero di scariche diminuisce perché a parità di energia ceduta dalla batteria lo stato di carica decresce più lentamente. L’SOC è un parametro importante nella logica di gestione poiché sulla base del suo valore, oltre che della potenza del vento, viene scelta la potenza da assegnare all’elettrolizzatore. Variando meno l’SOC,

Figura 7.6 Confronto del numero di scariche della batteria (Dati di vento sintetici (linee tratteggiate), Dati di vento reali (linee continue))

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variano meno anche le potenze assegnate all’elettrolizzatore e alla batteria, quindi quest’ultima passa da fase di carica a fase di scarica meno frequentemente.

Inoltre, si nota come al crescere della potenza dell’elettrolizzatore e a parità di capacità della batteria, aumenta il numero di scariche. Ciò è dovuto al fatto che con l’aumento della potenza dell’elettrolizzatore cresce l’energia richiesta alla batteria, quindi la logica di gestione per garantire una determinata potenza all’alcalino genera un numero di scariche maggiore dell’accumulatore.

Questo influisce notevolmente sul numero dei cicli equivalenti, mostrati in Figura 7.7. Quando la capacità della batteria è più piccola, a parità di energia richiesta la variazione di stato di carica è maggiore quindi a parità di potenza dell’elettrolizzatore, il numero dei cicli equivalenti risulta maggiore. Si nota inoltre, come a parità di capacità della batteria, il numero dei cicli di scarica cresce all’aumentare della potenza dell’elettrolizzatore, perché il flusso di energia richiesto alla batteria è maggiore e di conseguenza aumentano il numero dei cicli.

A differenza delle simulazioni con dati sintetici, nelle simulazioni con i dati reali il numero di cicli equivalenti è nettamente inferiore per basse capacità della batteria.

Figura 7.7 Confronto del numero dei cicli equivalenti della batteria (Dati di vento sintetici (linee tratteggiate), Dati di vento reali (linee continue))

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D’altronde i dati di vento sintetici non hanno alcuna correlazione tra due istanti temporali vicini, quindi avviene un cambio della logica di gestione più rapidamente rispetto al caso con dati di vento reali. In questo modo si può generare una forte variabilità della potenza prodotta dalla turbina in due time step vicini tra loro, quindi l’elettrolizzatore per garantire una certa potenza scarica maggiormente la batteria. Questo è il motivo per cui il funzionamento dell’accumulatore con basse capacità ottenuto con i dati di vento sintetici è molto più variabile e genera un numero di cicli equivalenti maggiore rispetto al caso con i dati di vento reali.

Per quanto riguarda le elevate capacità della batteria si vede che il numero dei cicli equivalenti generato con i dati di vento sintetici diventa minore a quello ottenuto con i dati di vento reali, ciò significa che nel caso dei dati di vento sintetici l’aumento della capacità di accumulo riduce maggiormente il numero dei cicli equivalenti.

In Figura 7.8, si mostra la deviazione standard SOC. All’aumentare della capacità della batteria le curve ottenute dai dati sintetici subiscono una progressiva diminuzione della deviazione standard. Nel caso con dati di vento reali, la

Figura 7.8 Confronto della deviazione standard SOC (Dati di vento sintetici (linee tratteggiate), Dati di vento reali (linee continue))

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deviazione standard è tra il 20-25%, questo vuol dire che la distribuzione dei valori di SOC è abbastanza ampia. Questo indica che l’accumulatore viene utilizzato maggiormente rispetto al caso con i dati di vento sintetici, che invece per capacità maggiori di 1 ∙ 106 kJ mostrano una deviazione standard dell’SOC molto bassa (<5%).

L’SOC medio (Figura 7.9) delle curve create con i dati sintetici assume un valore molto elevato, questo mostra l’errato utilizzo dell’accumulatore elettrochimico perché presenta un elevato numero di cicli equivalenti ma viene utilizzata solamente una piccola parte della capacità totale di energia accumulata.

La non correlazione dei dati di vento sintetici, infatti, fa sì che una bassa capacità della batteria sia sufficiente per bilanciare il sistema, dato che il vento varia molto da un dato all’altro.

Nel caso con dati di vento reali gli elettrolizzatori minori di 1500 kW mantengono lo stato di carica tra l’88% e il 92%, quindi molto elevato, a differenza degli elettrolizzatori con potenza nominale maggiore di 1500 kW dove l’SOC medio

Figura 7.9 Confronto dell’SOC medio (Dati di vento sintetici (linee tratteggiate), Dati di vento reali (linee continue))

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varia tra l’82% e l’88%, valore più vicino a quello medio tra il minimo e massimo imposto (60%). Questo avviene perché elettrolizzatori di potenza minore richiedono un’energia minore e di conseguenza la batteria risulta mediamente più carica.

La potenza media dell’elettrolizzatore durante il periodo in cui è in funzione risulta maggiore per basse capacità della batteria (Figura 7.10) nel caso con i dati di vento reali. All’aumentare della capacità della batteria, l’elettrolizzatore si spegne un numero minore di volte, poiché utilizza l’energia accumulata durante i periodi di minore produzione eolica. La riduzione degli spegnimenti dell’elettrolizzatore fa sì che la potenza media operativa dell’elettrolizzatore sia minore perché vi saranno momenti in cui la sua potenza sarà minima piuttosto che nulla.

Nel caso di dati di vento sintetici la potenza media operativa dell’elettrolizzatore ha un andamento crescente con la capacità della batteria. Questo comportamento è da attribuire alla non correlazione dei dati di vento di velocità che influiscono sulla potenza generata dalla turbina eolica, rendendola fortemente variabile. Di

Figura 7.10 Confronto della potenza media operativa degli elettrolizzatori (Dati di vento sintetici (linee tratteggiate), Dati di vento reali (linee continue))

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conseguenza, per basse capacità della batteria, l’elettrolizzatore non riesce a garantire potenze elevate perché quando la produzione eolica risulta bassa, l’energia accumulata in batteria risulta insufficiente. Ciò non avviene ad alte capacità dell’accumulatore dove la potenza dell’elettrolizzatore è più elevata.

Nel caso delle curve dei dati sintetici, la potenza media dell’elettrolizzatore non varia, indipendentemente dall’esclusione o meno dei valori nulli, infatti le curve in Figura 7.10 rimangono simili a quelle in Figura 7.11.

Per basse capacità della batteria, la potenza dell’elettrolizzatore delle curve di Weibull subisce un crollo, perché i dati di vento non correlati sono molto più variabili da un time step al successivo. Quindi se l’energia eolica risulta insufficiente per il funzionamento dell’elettrolizzatore, quest’ultimo si spegne un numero di volte maggiore a causa della limitata capacità di energia disponibile dell’accumulatore. Per questo motivo, la potenza media di funzionamento dell’elettrolizzatore scende vertiginosamente ed è inferiore a quella generata con i dati di vento reali. Per alte capacità, invece, si nota una differenza dei valori della

Figura 7.11 Confronto della potenza media degli elettrolizzatori (Dati di vento sintetici (linee tratteggiate), Dati di vento reali (linee continue))

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potenza media dell’elettrolizzatore tra i due casi, dovuta al fatto che i dati di vento sintetici generano una potenza media di 921 kW.

Oltretutto, dalla Figura 7.12 è evidente che per potenze man mano minori rispetto alla potenza della turbina eolica di 1500 kW (parte alta del grafico), il rapporto tra la potenza media e quella massima dell’elettrolizzatore ottenuto con i dati di vento sintetici è maggiore rispetto a quello ottenuto con i dati di vento reali. Questo avviene perché la potenza media generata con i dati di vento sintetici nel caso di elettrolizzatori di taglia inferiore a 1500 kW è maggiore rispetto a quella ottenuta con i dati di vento reali, come mostra la Figura 7.11.

Per quanto riguarda le potenze nominali degli elettrolizzatori maggiori rispetto alla taglia della turbina eolica avviene il fenomeno opposto, infatti si vede in Figura 7.12 come al di sotto di tale potenza cambia il trend. Questo è motivato dal fatto che la potenza media degli elettrolizzatori maggiori di 1500 kW ottenuta con i dati di vento sintetici è risultata minore rispetto a quella ottenuta con i dati di vento reali, come rappresentato in Figura 7.11.

Figura 7.12 Confronto del rapporto tra la potenza media e massima dell’elettrolizzatore (Dati di vento sintetici (linee tratteggiate), Dati di vento reali (linee continue))

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A differenza del grafico precedente, nel caso in cui si escludono i valori di potenza nulla dell’elettrolizzatore, le curve ricostruite dai dati di vento sintetici e reali si discostano di molto perché le prime rimangono identiche a quelle in cui si tiene conto degli spegnimenti, invece le seconde aumentano diminuiscono con l’aumento della capacità della batteria, come mostrato in Figura 7.13. Questo avviene perché escludendo i valori nulli di potenza dell’elettrolizzatore, la media è ovviamente più alta, come spiegato precedentemente nella Figura 7.10.

Nella Figura 7.14 si rappresenta il rapporto tra l’energia inutilizzata e quella utilizzata dall’elettrolizzatore, al variare della capacità della batteria per i diversi elettrolizzatori. Si nota in questo grafico come, gli elettrolizzatori con potenza minore di 1500 kW non sfruttano tutta l’energia disponibile e quindi non risultano adatti per l’ottimale accoppiamento con la turbina eolica, a differenza delle taglie di potenza più elevate che per capacità della batteria maggiori di 2 ∙ 106 _kJ

presentano una percentuale del rapporto tra energia inutilizzata dal sistema ed utilizzata dall’elettrolizzatore quasi nullo.

Figura 7.13 Confronto del rapporto tra le potenze con l’esclusione dei valori nulli (Dati di vento sintetici (linee tratteggiate), Dati di vento reali (linee continue))

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La differenza dei risultati ottenuti con i dati di vento reali rispetto a quelli con dati di vento sintetici si nota a basse capacità della batteria. Infatti per minori capacità di accumulo dell’energia se i dati di velocità del vento non sono correlati si generano rapidi cambiamenti di logica di gestione perché l’intervallo di capacità della batteria è minore. Questo genera un minor sfruttamento dell’energia utilizzata dall’elettrolizzatore e una minore potenza media producibile, come mostrato in Figura 7.11.

Infine, si rappresenta in Figura 7.15 la produzione annuale di idrogeno che risulta simile nei due casi solamente con le taglie di potenza dell’elettrolizzatore maggiori o uguali a 1500 kW per alte capacità della batteria. Per basse capacità della batteria, invece le curve ricostruite dai dati sintetici generano una minore produzione di idrogeno, questo è dovuto alla minore potenza media generata dagli elettrolizzatori (Figura 7.11), dato che buona parte dell’energia viene dispersa (Figura 7.14).

La produzione di idrogeno per basse taglie degli elettrolizzatori risulta maggiore per i risultati ottenuti con i dati di vento sintetici, perché la potenza media prodotta dall’alcalino è maggiore rispetto a quella generata dai dati di vento reali.

Figura 7.14 Confronto del rapporto tra l’energia inutilizzata ed utilizzata dall’elettrolizzatore (Dati di vento sintetici (linee tratteggiate), Dati di vento reali (linee continue))

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I risultati dimostrano che capacità della batteria maggiori di 2∙ 106 _{kJ risultano}

superflui e inadeguati perché non producono alcun effetto positivo al sistema. La taglia di capacità della batteria di 2∙ 106 _{kJ riesce ad annullare le perdite energetiche}

del sistema per gli elettrolizzatori di potenza maggiore o uguale a 1500 kW ed inoltre oltre tale soglia la potenza media dell’elettrolizzatore e la produzione di idrogeno rimane pressochè costante.

Figura 7.15 Confronto della produzione di idrogeno (Dati di vento sintetici (linee tratteggiate), Dati di vento reali (linee continue))

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