Simulazioni

Per testare l’efficacia del metodo MPSM, sono state effettuate differenti simulazioni, considerando come prosumer una delle costruzioni dell’Università della Calabria: in particolare viene considerato un edificio in cui sono presenti prevalentemente uffici, tale edificio è provvisto di un impianto fotovoltaico.

La potenza massima del carico è pari a 25 kW mentre l’impianto PV installato ha una potenza nominale pari a 45 kW. I risultati vengono riportati per un periodo temporale di 7 giorni, dal 10 al 16 ottobre 2015. In figura, sono riportati i profili di carico e produzione da PV per i 7 giorni in esame.

148 Figura 95 Profili del carico e della produzione PV

Potenza PV non ottimizzata

Come primo test viene utilizzata la potenza nominale dell’impianto fotovoltaico come descritto sopra. La capacità dello storage è calcolata per alimentare i carichi e limitare gli scambi di energia con la rete.

La capacità dello storage sarà la più piccola tra le medie giornaliere di energia prelevata e ceduta alla rete, che sono calcolate come la differenza tra produzione da PV e i profili di carico. Questa analisi è effettuata per profili di giorni tipici: nel presente caso l’energia acquistata dalla rete è pari a circa 170 kWh, mentre l’energia immessa in rete è pari a 80 kWh; in tal modo la capacità dello storage dovrebbe essere pari a 80 kWh. Dopo aver calcolato la capacità dello storage, per essere conservativi viene effettuata una sovrastima per cui la capacità dello storage è incrementata del 20%, inoltre, per la salvaguardia della vita utile dello storage, uno stato di carica residuo del 40% deve essere adottato come un ulteriore aumento della stima della capacità dello storage.

Prendendo in esame la precedente stima della capacità dello storage e gli incrementi del 20% e 40%, la capacità dello storage diventa pari a 140 kWh.

Partendo dal calcolo della differenza tra il profilo previsto di carico e PV, viene utilizzata per due differenti gruppi di simulazioni. Il primo gruppo di simulazioni ha lo scopo di minimizzare lo scambio totale di energia con la rete, cercando di rendere il prosumer auto-sostenibile ed evitando congestioni della rete. Invece, il secondo gruppo di simulazioni ha lo scopo di minimizzare solo i picchi di potenza durante il giorno, cercando di ridurre i costi dell’energia ed evitando di dover sovradimensionare gli impianti.

Per entrambe le simulazioni si è effettuato il confronto supponendo prima che lo storage operasse in real-time, cioè non viene attuata alcuna particolare strategia di gestione se non quella di scambiare i surplus o deficit di potenza, dopo di che lo storage viene gestito dal metodo MPSM.

Viene calcolata anzitutto l’energia totale scambiata tra gli utenti e la rete senza utilizzare l’accumulo: tale valore è pari a 1.68 MWh, dove 1.13 MWh è l’energia assorbita dall’utenza e 0.55 MWh è l’energia ceduta alla rete.

Per il primo gruppo di simulazioni, se non è utilizzato il metodo MPSM, l’energia totale scambiata con la rete diminuisce fino a 0.69 MWh. Dove 0.60 MWh rappresenta l’energia prelevata dalla rete mentre il restante 0.09 MWh sarebbe l’energia trasferita alla rete. Se lo storage è gestito attraverso il metodo MPSM, l’energia totale scambiata con la rete è uguale a 0.68 MWh. Rispetto al caso precedente, la differenza è abbastanza limitata. Sebbene tale differenza sia di soli 0.01 MWh, l’effetto positivo del metodo MPSM

149 consiste nella possibilità di massimizzare le prestazioni dello storage. Infatti, utilizzando la strategia di gestione in “real-time”, i cicli di carica e scarica non sono ottimizzati perché ci sono abbastanza cicli parziali, mentre utilizzando il metodo MPSM, lo storage esegue (quando possibile) cicli completi di carica e scarica. Solo in alcune ore, è visibile un andamento distorto, dovuto principalmente all’elevata variabilità delle condizioni meteo, che porta ad avere cicli parziali di carica e scarica. Per il secondo gruppo di simulazioni, minimizzando solamente i picchi di potenza scambiata con la rete, la potenza scambiata in “real-time” raggiunge i 23 kW, mentre utilizzando l’MPSM è di circa 8 kW. In Figura 97 sono riportati i profili di energia scambiata con la rete, utilizzando e non utilizzando il metodo MPSM.

Figura 96 Profilo Energia accumulato nello Storage con e senza l'impiego del MPSM

Figura 97 Profilo di potenza scambiata con la rete, con e senza l'impiego del MPSM

Potenza nominale del fotovoltaico ottimizzata

Dopo aver effettuato le simulazioni considerando la potenza nominale del fotovoltaico, nel presente paragrafo viene dimensionato l’impianto fotovoltaico ad una potenza ottimale. Partendo dal profilo giornaliero di carico e dal profilo medio mensile di produzione da PV, per minimizzare lo scambio di energia con la rete, l’impianto PV è dimensionato per coprire la domanda energetica giornaliera. Considerando ciò, la potenza nominale del PV è pari a circa 56 kW.

Analogamente al caso precedente, lo storage è stato dimensionato e la capacità ottenuta è pari a 240 kWh, utilizzando tali dati, il metodo è utilizzato per effettuare i test visti nel caso precedente.

150 Anzitutto, il metodo MPSM è utilizzato per minimizzare lo scambio di energia con la rete; l’energia totale scambiata con la rete è pari a 0.41 MWh, dove 0.25 MWh è l’energia prelevata dalla rete e 0.16 MWh è l’energia ceduta alla rete. In questo caso, poiché la potenza nominale del fotovoltaico e la capacità dello storage sono ottimizzate, l’uso dell’MPSM, comparato con la gestione in real-time, non dà molti vantaggi nella gestione dei cicli di carica e scarica dello storage.

Il vantaggio reale si avrebbe nella gestione degli scambi di energia con la rete nei giorni con condizione meteo variabile.

In figura viene riportato il profilo di energia scambiata con la rete, utilizzando e non utilizzando il metodo MPSM. Inoltre con riferimento alla figura, si può osservare che l’energia ceduta alla rete è maggiore dell’energia prelevata dalla stessa. Solo il quinto giorno l’energia prelevata dalla rete è maggiore rispetto a quella ceduta alla rete, perché la condizione meteo è non serena.

Figura 98 Profilo di potenza scambiata con la rete, con e senza l'impiego del MPSM

Da tale analisi si osserva che oltre a dover utilizzare un buon metodo di gestione dell’accumulo, bisogna anzitutto dimensionare correttamente l’impianto PV, nonché il sistema di accumulo.

Potenza di rete limitata

In questo paragrafo, si suppone che il prosumer considerato abbia una potenza massima limitata 𝑃_𝑔𝑡𝑑. Ciò può essere dovuto a diverse ragioni, per esempio il prosumer ha un contratto con il distributore di energia per una potenza ridotta, oppure la rete di distribuzione è dimensionata per una potenza limitata. Infatti, tale tipologia di gestione consente di ridurre i problemi legati alla congestione o di restrizioni riguardanti i dispositivi di interfaccia. In particolare sono esaminati due casi: nel primo caso la potenza massima 𝑃_𝑔𝑡𝑑 (Pg_max) è pari a 10 kW, nel secondo caso Pg_max è 7 kW. Bisogna sottolineare che tale vincolo di potenza è valido sia per la potenza in immissione che quella in prelievo; il metodo MPSM viene quindi completato aggiungendo la seguente relazione:

|𝑃_𝑔𝑡𝑑| ≤ 𝑃𝑔_𝑚𝑎𝑥 (28)

La OF è implementata per minimizzare l’intero scambio di energia con la rete, come implementato nella sezione precedente. Bisogna sottolineare che questa simulazione test è differente dalla precedente minimizzazione dei picchi di potenza, infatti nella simulazione precedente non si aveva un limite massimo di potenza per la potenza scambiata con la rete.

151 Nel primo test Pg_max è uguale a 10 kW e il (12) vincolo è rilassato, in tal modo lo storage può caricare anche se c’è un deficit di potenza ed erogare se vi è un surplus di potenza, ciò è limitato solo dalla OF.

La capacità dello storage utilizzato è pari a 240 kWh e la potenza nominale del PV è pari 56 kW; il profilo di carico è sempre lo stesso di quello riportato in figura. In questo primo caso l’energia totale scambiata con la rete è pari a 0.41 MWh, dove 0.26 MWh è l’energia assorbita dalla rete e 0.15 MWh l’energia ceduta alla rete.

Nel secondo caso, Pg_max è uguale a 7 kW, l’energia totale scambiata con la rete risulta essere pari a 0.41 MWh, l’energia assorbita dalla rete è pari a 0.26 MWh mentre l’energia ceduta alla rete è pari a 0.15 MWh.

Tali risultati dimostrano che i vincoli su 𝑃_𝑔𝑡𝑑 sono pressoché irrilevanti per la OF, infatti la quantità di energia scambiata con la rete è la stessa di quella del caso precedente. La sola differenza sta nel profilo della potenza scambiata con la rete 𝑃_𝑔𝑡𝑑: nelle Figura 99 e Figura 100 sono riportati i profili di potenza scambiata con la rete per entrambi i casi descritti.

Figura 99 Profilo di potenza scambiata con la rete sotto il vincolo Pg_max=10 kW

152 Le figure mostrano che l’andamento di 𝑃_𝑔𝑡𝑑

è costante nell’area dove si hanno i picchi di potenza, questo significa che per quegli intervalli di tempo e giorni specifici, i vincoli sono attinti; questo si osserva in particolar modo quando Pg_max è 7 kW.

Inoltre, bisogna notare che la potenza massima Pg_max (7 kW), ottenuta in questo caso, è minore della potenza massima ottenuta con la minimizzazione dei picchi di potenza, nel paragrafo precedente, dove Pg_max era 8.2 kW.

È importante osservare il comportamento del Sistema di storage quando Pg_max è pari a 7 kW comparato al caso in cui non vi sono vincoli per 𝑃_𝑔𝑡𝑑: tale confronto viene riportato in figura.

Figura 101 Profilo dell'energia accumulata con e senza il vincolo di potenza massima Pg_max

È possibile osservare la differenza tra i due profili, specialmente nel quinto giorno. Infatti, per limitare la potenza scambiata con la rete, in particolare la potenza assorbita dalla rete, l’energia accumulata nello