Analisi tecnico-economica di un sistema sCO2 Pumped Thermal Energy Storage accoppiato ad un impianto a concentrazione solare esistente

Abstract

In questo progetto di tesi è stato analizzato e modellato con un’analisi tempo variante un sistema Pumped Thermal Energy Storage con integrazione termica (TI-PTES) proveniente da un impianto solare a concentrazione, prendendo come riferimento il caso reale dell’impianto Andasol CSP Plant situato in Spagna. L’obiettivo principale è stato quello di riconvertire tale impianto, la cui tecnologia negli ultimi anni ha mostrato difficoltà economiche, in un sistema di accumulo energetico flessibile e moderno, basato sul paradigma Power-to-Heat-to-Power (P2H2P), in linea con il concetto di Carnot Battery, sfruttando il campo solare (e relativo accumulo termico) come soluzione di integrazione termica e l’impianto di potenza a vapore come ciclo di scarica della Carnot Battery in analis. Partendo dai risultati preliminari del progetto Horizon Europe SCO2OP-TES (nella cui cornice questo studio è stato realizzato), il ciclo di carica del sistema è stato invece affidato a una pompa di calore a CO₂ supercritica, che sfrutta il calore proveniente dal campo solare per trasferirlo a più alta temperatura a un sistema di accumulo termico. Quest’ultimo è basato su un sistema costituito da due serbatoi a sali fusi (solar salt), uno a più bassa e uno a più alta temperatura, secondo lo schema già adottato da Andasol, ma andando a sfruttare a pieno le capacità di tale accumulo termico potendo stoccare calore a una più alta temperatura rispetto a quella di stoccaggio odierna. Per il ciclo di scarica è stato adottato una versione evoluta dell’impianto a vapore originale, ottimizzato per accoppiarsi con le nuove condizioni operative e migliorarne le performance. Il sistema è stato modellato in maniera tempo-variante attraverso il software EBSILON Professional, strumento particolarmente adatto alla simulazione di impianti come quelli studiato.

In this thesis project, a Pumped Thermal Energy Storage system with thermal integration, sourced from a concentrated solar power plant, was analyzed and modeled with a timevariant approach, taking as a reference the real case of the Andasol CSP Plant located in Spain. The main objective was to reconvert this plant, whose technology has faced economic challenges in recent years, into a flexible and modern energy storage system based on the Power-to-Heat-to-Power paradigm, aligned with the concept of a Carnot Battery. The solar field and its thermal storage were used as a source of thermal integration, while the steam power plant served as the discharge cycle of the Carnot Battery under analysis. Building on the preliminary results of the Horizon Europe project SCO2OP-TES, within which this study was conducted, the charging cycle of the system was assigned to a supercritical CO₂ heat pump. This heat pump utilizes heat from the solar field to transfer it at a higher temperature to a thermal storage system. The storage system consists of two molten salt tanks, one at a lower and one at a higher temperature, following the scheme already implemented at Andasol, but fully exploiting the potential of this storage by enabling heat storage at a higher temperature than currently used. For the discharge cycle, an improved version of the original steam plant was adopted, optimized to match the new operating conditions and enhance its performance. The system was modeled in a time-variant manner using the EBSILON Professional software, a tool particularly suited for the simulation of plants of this type. Several layouts were developed, varying the configuration of the storage system, the nominal power levels, and the operating parameters, in order to explore the system’s behavior under different conditions, always based on the solar production of the existing mirror field at the Andasol plant.