Pumped Hydro Storage and Integration of Renewable Energy Sources: Focus China

English version Climate change is the historic challenge that 20th-century man has passed on to the third millennium and the new generations. The scientific community is almost unanimous in pointing out the causes mainly to the impact of human activities on the environment. In the list of sectors guilty of change, energy occupies a prominent place. Here the lever capable of contributing to climate change mitigation, to enable us to stay within the limits set by the work of the UN's International Panel on Climate Change, is the transition from a fossil energy economy to one with zero greenhouse gas emissions. This calls for a decisive turn towards the electrification of the largest share of energy consumption, which implies an increasing penetration in the electricity mix of so-called Variable Renewable Energy Sources such as wind and solar power. These are characterised by extremely aleatory nature, which obliges the system to rely on storage capacities for the energy produced, so as to balance supply and demand in the medium and long term, which cannot be balanced at the moment of production as is still the case today with programmable energy sources, which are still largely fossil-fuel powered. Of all the technologies available for storing electricity, Pumped Hydro Storage power plants represent the most reliable solution over time and capable of operating within the widest range of scheduling, while maintaining one of the highest efficiencies of all available solutions. To enable pumped storage power plants to operate with maximum efficiency and reliability in balancing random renewables, technical solutions have been developed that guarantee the best performance in terms of flexibility, and thus minimise losses due to the curtailment of excess energy produced by the sun and wind. These are based on the adoption of variable speed pump-turbine units or supported by ternary units with hydraulic short circuits. Adopting these new technologies for advanced plants requires an additional economic effort and a careful evaluation of their feasibility. In the present work, after an in-depth analysis and comparison of the technologies currently available, a new, simplified approach was developed to assess the possibility of adopting this type of solution based on the information available from the globally available database of Pumped Hydro Storage made available by the International Hydropower Association. The analysis was then applied to the Chinese power grid, characterised by the largest amount of power globally installed, without omitting both a historical and energy analysis of the development of Pumped Hydro Storage in China. This led to the definition of a set of intervention scenarios aimed at the adoption of advanced technologies. The work then continued with a simulation of wind and solar energy production in China on the basis of satellite meteorological data, with the aim of obtaining an extended time series over a nine-year period to be subjected to an in-depth analysis of its characteristics. In particular, the periodicity characteristics of the simulated production of the different sources separately (wind on and offshore, and solar) and their combined action were investigated. This analysis was carried out, with an innovative approach, by means of a wavelet analysis applied not to the time series of the wind or solar resource, as is sometimes already done, but directly to the time series of the calculated production, an approach which, after a review of the literature, does not yet appear to have been adopted. This makes it possible to take into account the non-linear behaviour of the conversion of the wind resource into electricity, which is characterised by a trend including a start-up speed (cut-in), stabilisation of the power output (rated velocity) and a safety cut-off. The decision to adopt wavelet analysis instead of the standard approach based on the Fast Fourier Transform derives from its greater precision in dealing with non-stationary signals, as wind (but also solar) resources actually are. This type of analysis is also more advanced than the STFT (Short Time Fourier Transform), also widely used for the analysis of non-stationary signals, which has the limitation of operating through a fixed time window, instead of a variable one as in the case of wavelet analysis. Once the main characteristics of the periodicity of variable production were identified, potential locations were identified in China, capable of hosting reservoirs of a suitable size to compensate for the periodicity of variable production in their filling (pump-mode) and emptying (turbine-mode) cycles. This analysis made use of the support of the "global atlas of Pumped Hydro Energy Storage" made available on a GIS basis by the Australian National University, which thus made it possible to select, on the basis of the required characteristics, a set of potential locations suitable for the purpose. The adoption of advanced Pumped Hydro Storage Solutions indeed entails an improvement in the storage's ability to follow variable loads driven by variable energy sources, but on the other hand, these technical improvements make use of power electronics-based technologies that have a highly degrading effect on some of the characteristics of the current present on the grid. In particular, what is known as Inverter Based Resources do not provide the grid with any support in terms of System Inertia, which is crucial in supporting the grid itself in the event of an instantaneous disconnection of large plants or grid connections, so as to avoid dangerous black-outs. To overcome this problem, which is currently a crucial issue and one of the main technical challenges for the integration of variable renewables, the potential for replacing lost system inertia through the installation of synchronous generation based on renewables was studied. The choice of renewable resource fell on biogas, for which major capacity developments are expected in China in the present decade. In fact, electricity generation from biogas, whether through reciprocating power units or turbo gas plants, relies on synchronous generation that can provide very valuable additional inertia to the electricity system. The provision by the biogas resource of this very important ancillary service to the grid is generally not evaluated in the literature, probably also due to the scarcity of technical data, such as reliable reference values for the inertia constant of this type of plant. After a thorough review of the currently available information, scenarios for the replacement of the lost grid inertia were constructed and in-depth sensitivity analyses were carried out to vary the many parameters involved. The work then concluded with a Cost and Benefit analysis of the implementation of pumped storage in China, followed by the formulation of specific Policy Recommendations that were presented to Chinese academics and policymakers, with the aim of steering a development, appropriate to the new technical requirements, of pumped storage in China. Italian Version Il cambiamento climatico è la sfida epocale che l'uomo del ventesimo secolo ha lasciato in eredità al terzo millennio ed alle nuove generazioni. La comunità scientifica è pressoché unanime nell'additare le cause prevalentemente all'impatto delle attività antropiche sull'ambiente. Nella rosa dei settori colpevoli del cambiamento, quello energetico occupa un posto di primo piano. Qui l'arma in grado di contribuire alla mitigazione del cambiamento climatico, per permettere di rimanere all'interno dei limiti indicati dal lavoro dell'International Panel on Climate Change delle Nazioni Unite, è la transizione da un'economia energetica fossile ad una a zero emissioni di gas climalteranti. Questo impone una svolta decisa verso l'elettrificazione della maggior quota parte del consumo energetico, cosa che implica una sempre più massiccia penetrazione nel mix elettrico delle cosiddette Fonti Energetiche Rinnovabili Variabili quali l'energia eolica e solare. Queste sono caratterizzate da una estrema aleatorietà, che obbliga il sistema a fare affidamento su capacità di stoccaggio dell'energia prodotta, in modo così da bilanciare sul medio e lungo periodo la domanda e l'offerta che non possono essere bilanciate nel momento stesso della produzione come avviene ancora oggi grazie alle fonti energetiche programmabili, in gran parte ancora alimentate a combustibile fossile. Tra tutte le tecnologie disponibili per lo stoccaggio di energia elettrica, le centrali di pompaggio idroelettrico rappresentano la soluzione più affidabile nel tempo ed in grado di operare nell'ambito più esteso della programmazione, pur mantenendo un'efficienza tra le più alte tra le soluzioni disponibili. Per consentire alle centrali di pompaggio di operare con la massima efficienza e affidabilità nel bilanciare le rinnovabili aleatorie, si sono sviluppate soluzioni tecniche in grado di garantire le migliori performance in termini di flessibilità, e limitare così al minimo le perdite per decurtazione dell'energia prodotta in eccesso dal sole e dal vento. Queste sono basate sull'adozione di unità di pompaggio/turbina a velocità variabile oppure supportate da gruppi ternari con corto circuito idraulico. L'adozione di queste nuove tecnologie per impianti avanzati richiede uno sforzo economico aggiuntivo, ed un'attenta valutazione della loro fattibilità. Nel presente lavoro, dopo un'approfondita analisi e comparazione delle tecnologie attualmente disponibili, si è sviluppato un nuovo approccio, semplificato, per valutare la possibilità di adottare questo tipo di soluzioni sulla base delle informazioni disponibili dal database, disponibile a livello globale, degli impianti di pompaggio messo a disposizione dalla International Hydropower Association. L'analisi è stata poi applicata alla rete cinese, caratterizzata dalla maggiore quantità di potenza installata a livello globale, senza tralasciare anche un'analisi sia storica sia energetica dello sviluppo del pompaggio in Cina. Questo ha portato alla definizione di un insieme di scenari di intervento volti all'adozione di tecnologie di pompaggio avanzato. Il lavoro è poi proseguito con una simulazione della produzione di energia eolica e solare in Cina sulla base dei dati meteorologici satellitari, con l'obiettivo di ottenere una serie temporale estesa sull'arco di nove anni da sottoporre ad un'analisi approfondita delle sue caratteristiche. In particolare, si sono indagate le caratteristiche di periodicità della produzione così simulata, sia delle diverse fonti separatamente (eolico on e offshore, e solare) sia la loro azione combinata. Tale analisi si è svolta, con un approccio innovativo, tramite l'analisi di tipo Wavelet applicata non alla serie temporale della risorsa eolica o solare, come talvolta già fatto, ma direttamente alle serie temporali della produzione calcolata, un approccio che, dopo una revisione della letteratura, non risulta ancora essere stato adottato. In tal modo, si può tenere di conto del comportamento non lineare della conversione della risorsa vento in energia elettrica, caratterizzata da un andamento che comprende una velocità di avvio (cut-in), di stabilizzazione della potenza erogata (rated velocity) e di stacco per ragioni di sicurezza (cut-off). La scelta di adottare l'analisi Wavelet al posto dell'approccio standard basato sulla Fast Fourier Transform deriva dalla sua maggiore precisione nel trattare segnali di tipo non stazionario, come la risorsa vento (ma anche quella solare) in realtà sono. Questo tipo di analisi risulta più evoluta anche della STFT (Short Time Fourier Transform), anch'essa ampiamente utilizzata per l'analisi dei segnali non stazionari, la quale ha il limite di operare attraverso una finestra temporale fissa, invece che variabile come nel caso dell'analisi Wavelet. Una volta individuate le principali caratteristiche di periodicità della produzione variabile, si è provveduto ad individuare, le localizzazioni potenziali sul territorio cinese, in grado di ospitare bacini della dimensione adeguata a compensare la periodicità della produzione variabile nel loro ciclo di riempimento (pompaggio) e svuotamento (turbinaggio). Quest'analisi si è avvalsa del supporto del “global atlas of pumped hydro energy storage” messo a disposizione su base GIS dall'Australian National University, che ha così consentito di selezionare, sulla base delle caratteristiche richieste, un insieme di localizzazioni potenziali adatte allo scopo. L'adozione di impianti di pompaggio avanzati comporta sì un miglioramento delle capacità dello stoccaggio di seguire i carichi variabili guidati dalle risorse aleatorie, ma per contro questi miglioramenti tecnici si avvalgono di tecnologie basate su un'elettronica di potenza che danno come contropartita un effetto altamente degradante su alcune caratteristiche della corrente presente sulla rete. In particolare, quelle che vengono chiamate Inverter Based Resources non forniscono alla rete alcun supporto in termini di Inerzia di Sistema, cruciale nel supporto alla rete stessa in caso di distacco istantaneo di grossi impianti o di collegamenti, così da evitare pericolosi Black-Out. Per ovviare a questo problema, che attualmente rappresenta un nodo cruciale ed una delle sfide principali a livello tecnico per l'integrazione delle rinnovabili variabili, si è studiato il potenziale di sostituzione dell'inerzia di sistema persa tramite l'installazione di generazione sincrona basata su rinnovabili. La scelta della risorsa rinnovabile è caduta sul biogas, per il quale in Cina sono previsti nel decennio presente sviluppi importantissimi in termini di capacità produttiva. Infatti, la generazione di energia elettrica da biogas, che sia fatta attraverso gruppi motore alternativi o tramite impianti turbogas, si basa su quella generazione di tipo sincrono che è in grado di fornire preziosissima inerzia aggiuntiva al sistema elettrico. La fornitura da parte della risorsa biogas di questo che è un servizio ancillare importantissimo per la rete non viene in genere valutato in letteratura, probabilmente anche a causa della scarsa quantità di dati tecnici, quali ad esempio valori affidabili di riferimento per la costante d'inerzia di questo tipo di impianti. Dopo una revisione ragionata delle informazioni attualmente disponibili, si è provveduto a costruire degli scenari di sostituzione dell'inerzia di rete persa ed a svolgere approfondite analisi di sensibilità al variare dei molti parametri in gioco. Il lavoro si è poi concluso con un'analisi di tipo Cost and Benefit dell'implementazione del pompaggio in Cina, seguita dalla formulazione di specifiche Policy Recommendations che sono state presentate al mondo accademico ed ai decisori politici Cinesi, con l’obiettivo di guidare uno sviluppo, appropriato alle nuove esigenze tecniche, dello stoccaggio basato sul pompaggio idroelettrico in Cina.