Analisi tecno-economica di sistemi di accumulo energetico

Abstract

Il panorama energetico mondiale è interessato da una significativa trasformazione, necessaria al perseguimento degli obiettivi per il 2050 in materia di ambiente, energia e clima. Secondo le previsioni, infatti, le fonti energetiche rinnovabili interesseranno il 50% della generazione elettrica entro il 2030 e il 70%-85% al 2050. Le principali sfide correlate alla loro introduzione nel mix energetico derivano dalla natura intrinsecamente fluttuante e non programmabile dell’energia elettrica da esse generata. Conseguentemente, l’utilizzo delle fonti rinnovabili solleva questioni inerenti alla sicurezza dell’approvvigionamento di energia e alla stabilità della rete. Nel contesto descritto, i sistemi di accumulo energetico rappresentano una delle possibili strategie per il potenziamento dell’affidabilità della rete elettrica, consentendo di svincolare le fasi di generazione e distribuzione dell’energia. Le tecnologie di accumulo energetico attualmente disponibili o in via di sviluppo sono molteplici e possono offrire un supporto alla rete a diversi livelli. La presente tesi si riferisce in particolare ad una selezione di tecnologie di accumulo non basate su batterie, focalizzandosi su sistemi di tipo meccanico e termo-meccanico. Nei primi paragrafi viene presentata l’analisi dei sistemi di stoccaggio ed il relativo confronto, condotto sulla base di indicatori di riferimento ritenuti significativi. Conseguentemente, vengono individuati quattro contesti applicativi e, tra questi, si identificano i più favorevoli all’utilizzo di ciascuna tecnologia, al fine di produrre un confronto pratico tra sistemi in grado di svolgere servizi analoghi sulla rete. Nella sezione conclusiva, viene sviluppato un metodo di calcolo exergetico della Round-Trip Efficiency, con la finalità di determinare un approccio unificato per la valutazione delle prestazioni di sistemi di accumulo che utilizzino diverse forme e fonti energetiche, inclusi la combustione ed il recupero di cascami termici.

As the world intensifies its efforts towards very ambitious targets set by 2050, the energy landscape is undergoing a significant transformation aimed at decarbonizing the electricity sector. This transition involves replacing fossil fuel generators with renewable energy sources (RES). According to middle-to-long term projections, RES will make up 50% of the electricity generation by 2030 and 70%-85% by 2050. However, the intermittent and unpredictable nature of RES presents challenges for grid stability and security of supply. In this context, Energy Storage (ES), “moving” energy through time and space, allows to maintain balance between supply and demand, thus represents one of the viable strategies to enhance the reliability of the electrical grid. Different kinds of storage technologies have emerged to support the energy system at different levels; this thesis focuses on non-battery ES systems, specifically mechanical and thermo-mechanical technologies. A comprehensive analysis of their performance is conducted, utilizing significant benchmark indices to facilitate comparison. Additionally, four application contexts for ES in the energy market are identified, providing industry professionals and researchers with a clear framework for conducting in-depth comparisons among storage technologies offering similar grid services. Furthermore, this thesis introduces an exergy-based method to quantify round-trip efficiency (RTE) across different ESS, in case different types of energy inputs are exploited, such as fuel combustion and/or waste heat. This approach aims to provide a unified evaluation framework for assessing the performance of different kinds of ES technologies.