Studio ed ottimizzazione di un impianto di shore connection di terra connesso a fonti di energia rinnovabili

Abstract

Questa tesi presenta uno studio sull’elettrificazione delle banchine portuali (tecnologia nota come shore connection o cold ironing) e sull’ottimizzazione della loro integrazione con fonti di energia rinnovabile e sistemi di accumulo. Il cuore della ricerca è costituito dallo sviluppo di un modello matematico di ottimizzazione in ambiente MATLAB, finalizzato a dimensionare e gestire in modo efficiente una microrete portuale dotata di impianti fotovoltaici e sistemi di accumulo a batterie (BESS). L’algoritmo impiegato ha come obiettivo principale la minimizzazione del Total Cost of Ownership (TCO) su un orizzonte temporale di vent’anni, valutando al contempo i flussi energetici e l’impatto ambientale. Per validare il modello, sono stati esaminati due casi studio reali nel porto di Genova: un terminal passeggeri, caratterizzato da picchi di domanda molto elevati dovuti ai carichi di hotelling delle grandi navi da crociera, e un terminal merci, che presenta fabbisogni energetici inferiori, ma distribuiti su tempi di sosta più lunghi. Per quanto riguarda i risultati, le simulazioni mostrano la fattibilità economica e i benefici ambientali del sistema ottimizzato: a fronte di un investimento iniziale per l’integrazione solare e del sistema di accumulo stimato tra 3,1 e 3,7 milioni di euro, si raggiunge il punto di pareggio economico in circa quattro anni, garantendo un risparmio netto cumulato di circa 9 milioni di euro nell’arco di vent’anni rispetto al prelievo esclusivo di energia dalla rete nazionale. Dal punto di vista ambientale, l’infrastruttura ottimizzata ripaga le emissioni del ciclo di vita dei suoi componenti in circa due anni, evitando il rilascio in atmosfera di più di 30000 CO2eq. L’impatto positivo relativo in termini di riduzione delle emissioni è del 19% nel terminal merci e dell’8,1% nel terminal passeggeri.

This thesis presents a study on the electrification of port docks (a technology known as shore connection or cold ironing) and on optimizing their integration with renewable energy sources and storage systems. The core of the research is the development of a mathematical optimization model in MATLAB, aimed at efficiently sizing and managing a port microgrid equipped with photovoltaic systems and battery energy storage systems (BESS). The main objective of the algorithm used is to minimize the Total Cost of Ownership (TCO) over a 20-year time horizon, while evaluating energy flows and environmental impact. To validate the model, two real case studies were examined in the port of Genoa: a passenger terminal, characterized by very high peaks in demand due to the hotelling loads of large cruise ships, and a cargo terminal, which has lower energy requirements but spread over longer dwell times. As for the results, the simulations show the economic feasibility and environmental benefits of the optimized system: with an initial investment for solar integration and the storage system estimated at between C3.1 and C3.7 million, the economic break-even point is reached in about 4 years, ensuring a cumulative net saving of about C9 million over 20 years compared to drawing energy exclusively from the national grid. From an environmental point of view, the optimized infrastructure repays the life cycle emissions of its components in about 2 years, avoiding the release of more than 30000 tons of CO2eq into the atmosphere. The relative positive impact in terms of emissions reduction is 19% in the cargo terminal and 8.1% in the passenger terminal. II