Risultati modello 1

Di seguito vengono riportati gli andamenti orari delle variabili che caratterizzano il funzionamento dell’impianto per una settimana tipica invernale ed una estiva, ottenuti con il modello Simulink in cui si assume per il dissalatore un consumo costante pari a 3 kWh/m³.

Funzionamento invernale

Come si può osservare dal primo grafico di figura 3.2, nel funzionamento invernale la maggior parte della potenza prodotta proviene dall’impianto eolico, anche perché esso possiede una maggiore potenza installata rispetto all’impianto fotovoltaico. La batteria fornisce solamente una piccola quantità di energia. Ciò avviene in corrispondenza del primo periodo di assenza di produzione dell’impianto eolico, in quanto il fotovoltaico, avendo una potenza nominale di 200 kW, non è in grado di produrre da solo una potenza tale da permettere il funzionamento dell’impianto di desalinizzazione, il quale entra in funzione solo quando la potenza è maggiore del valore minimo, che è di 120 kW.

La produzione di acqua, nelle ore diurne, è quasi contemporanea alla richiesta. In corrispondenza del primo periodo di assenza di produzione da parte della turbina eolica, la produzione è nulla e il livello del serbatoio inizia a calare (quarto grafico di figura 3.2), finché non entra in funzione la batteria, che cerca di riportare il livello del serbatoio al 90%. Successivamente, quando viene fornita nuovamente potenza da parte dell’impianto eolico, la produzione aumenta fino al valore nominale e il serbatoio viene riempito completamente.

Nel successivo periodo di mancata produzione di potenza la domanda viene soddisfatta dall’acqua stoccata nel serbatoio, il cui livello cala ma la batteria non entra in funzione in quanto tale periodo è comunque limitato e il livello del serbatoio non scende sotto il 90%. La portata d’acqua richiesta, essendo bassa, viene sempre soddisfatta completamente dall’impianto di desalinizzazione e in minima parte dal serbatoio, che risulta essere quasi sempre completamente pieno, perciò nel periodo invernale la portata d’acqua non soddisfatta è nulla.

Configurazioni d’impianto

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Figura 3.29. Grafici relativi al funzionamento invernale del modello 1

Nel terzo grafico di figura 3.2 si può vedere che molta della potenza prodotta viene rigettata, in quanto, essendo la richiesta nel periodo invernale modesta, la potenza assorbita dall’impianto di desalinizzazione è bassa e l’eccesso di potenza prodotta non può essere accumulato nella batteria perché essa è quasi sempre completamente carica. La batteria, infatti, fornisce potenza all’impianto di desalinizzazione solamente in un numero limitato di ore (primo grafico di figura 3.2) e nelle ore successive viene caricata riportando il suo livello al valore nominale: solamente in questo caso l’eccesso di potenza prodotta può essere accumulato.

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Funzionamento estivo

Nel funzionamento estivo, come si può osservare dal primo grafico di figura 3.3, la batteria fornisce potenza all’impianto di desalinizzazione più frequentemente rispetto al caso invernale. Ciò avviene in corrispondenza delle ore in cui la potenza prodotta da fonte rinnovabile è più bassa. Infatti, poiché la richiesta di acqua è elevata, l’impianto opera sempre in condizione di funzionamento nominale e quando la potenza resa disponibile dagli impianti a fonte rinnovabile non è sufficiente, la batteria viene scaricata per permettere il funzionamento dell’impianto al valore massimo di potenza.

Configurazioni d’impianto

79 Nonostante l’impianto operi a regime nominale, non tutta la domanda di acqua viene soddisfatta. Infatti la domanda è più elevata della produzione e il serbatoio non è in grado di fornire tutta l’acqua richiesta, perché esso si scarica completamente. Il serbatoio aumenta di livello nelle ore in cui la domanda è più bassa, ma poi si scarica totalmente nelle ore di picco: l’acqua stoccata nella fase di bassa richiesta non è perciò sufficiente a coprire la punta del carico, quindi parte della domanda non può essere soddisfatta (secondo e quarto grafico di figura 3.3).

Nel terzo grafico di figura 3.3 si può osservare l’andamento della potenza di alimentazione dell’impianto di desalinizzazione, della potenza di carica della batteria e della potenza rigettata. Si vede che la batteria si ricarica frequentemente, accumulando l’eccesso di energia che viene prodotta per renderla disponibile successivamente, come si è visto nel primo grafico di figura 3.3. Il livello della batteria è oscillante e mediamente è intorno al 50% (quarto grafico di figura 3.3).

In questo periodo la potenza rigettata all’esterno è nulla in quanto l’eccesso di potenza viene sempre accumulato nella batteria, la quale, non essendo completamente carica e venendo utilizzata spesso, consente lo stoccaggio del surplus di potenza prodotta.

Nella tabella 3.4 si riportano i valori degli indici tecnici ed economici, utilizzati per analizzare i risultati, e vengono confrontati con quelli riportati nell’articolo [1], preso come riferimento per la validazione del modello.

I risultati del modello realizzato in ambiente Simulink sono in linea con quelli del modello oggetto di studio dell’articolo [1]. Le differenze presenti possono essere dovute al fatto che i dati climatici utilizzati non sono esattamente i medesimi. Infatti, ad esempio, il fattore di potenza dell’impianto fotovoltaico è più elevato di quello riportato nell’articolo, probabilmente perché i dati di irradianza globale che sono stati utilizzati in questa tesi sono più elevati di quelli utilizzati dagli autori dell’articolo. Inoltre, nonostante la capacità dei sistemi di stoccaggio dell’energia sia uguale in entrambi i casi, l’energia rigettata all’esterno è leggermente più elevata nel modello Simulink, suggerendo che in questo caso la potenza prodotta dagli impianti sia più elevata.

Anche se nell’articolo viene considerato un sistema di pompaggio idrico anziché la batteria per lo stoccaggio di energia, i valori del tasso di contribuzione della batteria alla fornitura di energia per il dissalatore sono i medesimi.

La quantità d’acqua totale prodotta in un anno e il tasso di copertura della domanda sono pressoché uguali. Lo scostamento percentuale è di 2.6% per l’acqua prodotta e di 4.2% per il tasso di copertura. Tali valori di scostamento sono ritenuti accettabili, perciò si conclude che il modello è validato.

Infine il costo di produzione dell’acqua è più elevato di quello dell’articolo, in quanto nel modello Simulink è stata considerata una batteria come sistema di stoccaggio dell’energia, che risulta essere più costosa del sistema di pompaggio. Se si impone il costo

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della batteria uguale al sistema di pompaggio dell’articolo, il costo di produzione dell’acqua diventa pari a 2.40 €/m³, il quale presenta uno scostamento percentuale di 5.14% con il costo riportato nell’articolo.

Tabella 3.4. Risultati del modello 1

Simulink Articolo Scostamento [%] Tasso di copertura della domanda

d'acqua ^{F_ds [%] 86.5 90.3 4.2}

Frazione di energia rigettata F_rej [%] 44.4 39.5 12.4 Tasso di contribuzione della batteria alla

fornitura di energia per il dissalatore ^{F_batt [%] 17.8 18.1 1.7} Fattore di capacità dell'impianto

fotovoltaico ^{CF_pv [%] 16.58 13.2 25.6}

Fattore di capacità dell'impianto eolico CF_wt [%] 20.76 21.5 3.4 Quantità di acqua prodotta W_ap [m³/anno] 502835 516070 2.6 Costo di produzione dell'acqua W_cost [€/m³] 3.84 2.53 51.8