MODELLING AND VALIDATION OF A LUMPED-PARAMETER DIGITAL TWIN FOR INDUSTRIAL MICROGRIDS: INTEGRATION OF AEM ELECTROLYZERS AND PEM FUEL CELLS

Questa tesi si concentra sulla modellazione e validazione di un Digital Twin a parametri concentrati per la gestione energetica di una microrete industriale basata sull'idrogeno verde. L'obiettivo principale è validare e contribuire allo sviluppo di algoritmi avanzati di controllo del carico, progettati per massimizzare l'utilizzo del surplus di energia fotovoltaica e ridurre i deficit di rete attraverso strategie efficaci di EMS (Energy Management System). Viene preso in considerazione il reale impianto sperimentale P2P in cui Comes SpA sta attivamente investendo. Il modello, sviluppato mediante Simulink e Simscape, integra i domini elettrico, fluidico e termico per riprodurre il comportamento di componenti all'avanguardia: un sistema di elettrolisi modulare a membrana a scambio anionico (AEM) con una massima potenza di 240 kW e una cella a combustibile a membrana a scambio protonico (PEM) per generare energia fino a 50 kW. In particolare, l'elettrolizzatore AEM è stato modellato utilizzando un approccio modulare basato su equazioni elettrochimiche, fisiche e termiche, oltre che alle logiche di controllo industriali. Il sistema include inoltre un modello dettagliato della catena di stoccaggio, comprendente il sistema di compressione e i serbatoi per lo stoccaggio ad alta pressione. La strategia di controllo proposta utilizza una macchina a stati con isteresi temporale e limiti di rampa asimmetrici nella generazione dei segnali di test, al fine di garantire la sicurezza operativa e la longevità dello stack. I risultati delle simulazioni validano il Digital Twin e dimostrano come l'integrazione dell'idrogeno come vettore energetico riduca significativamente la dipendenza dalla rete elettrica nazionale, convertendo il surplus rinnovabile in una risorsa energetica accumulabile.

This thesis focuses on the modeling and validation of a lumped-parameter Digital Twin for the energy management of an industrial microgrid based on green hydrogen. The main objective is to validate and contribute to the development of advanced load control algorithms, designed to maximize the use of surplus PV energy and reduce grid deficits through effective EMS (Energy Management System) strategies. This work takes into consideration the actual P2P experimental facility in which Comes SpA is actively investing. The model, developed using Simulink and Simscape, integrates the electrical, fluid, and thermal domains to reproduce the behavior of cutting-edge components: a modular anion exchange membrane (AEM) electrolysis system with a maximum power of 240 kW and a proton exchange membrane (PEM) fuel cell to generate power up to 50 kW. In particular, the AEM electrolyzer was modeled using a modular approach based on electrochemical, physical and thermal equations, as well as industrial control logics. The system also includes a detailed model of the storage chain, including the compression system and high-pressure storage tanks. The proposed control strategy uses a state machine with time hysteresis and asymmetric ramp limits in the generation of test signals, in order to ensure operational safety and stack longevity. The simulation results validate the Digital Twin and demonstrate how integrating hydrogen as an energy carrier significantly reduces dependence on the national electricity grid, converting surplus renewables into a storable energy resource.