Modeling and Simulation of the Orco Valley Hydroelectric System: A Digital Twin Approach

L'urgente necessità di mitigare le emissioni di gas a effetto serra (GHG) spinge a una transizione globale verso sistemi energetici sostenibili che richiede un aumento sostanziale della capacità di energia rinnovabile. Sebbene le fonti rinnovabili intermittenti come il fotovoltaico e l'eolico siano essenziali per questa transizione, la loro integrazione nelle reti esistenti presenta sfide significative. L'energia idroelettrica, una tecnologia rinnovabile matura, flessibile e dispacciabile, è fondamentale per bilanciare queste fonti intermittenti e garantire la stabilità della rete. Attualmente, l'energia idroelettrica rappresenta la quota maggiore della produzione di elettricità da fonti rinnovabili a livello globale e in Italia, e la sua importanza è destinata a crescere, con un aumento del 21% della capacità installata a livello globale entro il 2030. Gli impianti idroelettrici sono tipicamente situati in contesti geomorfologici specifici, spesso dando vita a reti complesse e interconnesse che richiedono un controllo e un'ottimizzazione sofisticati. Questa tesi si concentra sulla Valle Orco, nel Nord Italia, caratterizzata da una complessa rete di impianti idroelettrici interconnessi. L'obiettivo primario è lo sviluppo e la validazione di una piattaforma di simulazione offline, o digital twin, che riproduca accuratamente il comportamento dinamico di questo sistema. Questa piattaforma consente un'analisi approfondita e l'ottimizzazione delle operazioni degli impianti all'interno della più ampia rete elettrica italiana. Il digital twin è costruito utilizzando MATLAB Simulink, sfruttando toolbox specializzati per i sistemi di potenza e la modellazione idraulica. I dati geografici sono integrati per garantire una rappresentazione accurata della rete di trasmissione. Vengono incorporati modelli dettagliati delle singole unità di generazione, che comprendono regolatori di velocità, turbine, generatori sincroni e sistemi di eccitazione. Un obiettivo fondamentale di questo lavoro è la modellazione accurata dei componenti idraulici, che influenzano in modo significativo la risposta dinamica del sistema. La rete elettrica esterna alla Valle Orco e i carichi sono rappresentate in maniera semplificata per mantenere l'efficienza computazionale, preservando le interazioni essenziali con il sistema della Valle Orco. Il digital twin sviluppato è uno strumento utile per l'analisi di vari scenari operativi rilevanti per la stabilità e l'ottimizzazione della rete. Questi scenari includono le procedure di avvio dei singoli gruppi di generazione, l'analisi delle condizioni di guasto all'interno della rete di trasmissione, l’analisi delle varie modalità di funzionamento nelle centrali idroelettriche a pompaggio e l'ottimizzazione del controllo della generazione per le centrali a pompaggio in risposta a profili di carico giornalieri variabili. Il modello consente di stimare le portate d'acqua (in metri cubi) in tutta la rete degli impianti interconnessi, anche se allo stato attuale non è possibile considerare i transitori idraulici più complessi, come i colpi d'ariete. Nel futuro sarà possibile concentrarsi sul perfezionamento del modello con dati più realistici e includendo questi fenomeni dinamici, al fine di migliorarne le capacità predittive.