Simulazione di funzionamento e dimensionamento preliminare di sistemi CAES sottomarini (UW-CAES) connessi a centrali eoliche offshore

The recent development of renewable energy technologies has created new issues in the management of the electric system, due to the unpredictability and non-programmability of the energy source. On one side, this requires the availability of adequate conventional power reserves for the regulation of the net, causing frequently this type of plants to work in a discontinuous and inefficient way. On the other side the non-compliance of the production programs stipulated on the electric market can lead for plants of renewable sources, particularly in the case of wind and solar energy, to additional costs related to authority forfeitures. A possible solution regarding this kind of issues is the development of energy storages able to absorb the fluctuations on both the production and the demand side of electric energy. Besides the hydroelectric pumping technology, as a large-size plant, the CAES technology is currently under study. In this type of systems energy is stored compressing a certain amount of air and accumulating it in suitable tanks, to use it later for energy production through gas turbines. After the installation, in the ’70 and ’80, of two plants using salt caverns as air storages, today the use of artificial tanks is proposed with the aim to overcome the necessity of the presence of proper geological structures. In this work has been studied in particular the functioning of an underwater offshore plant (UW-CAES) exploiting the hydrostatic pressure to get isobaric working conditions. Although on one side, this type of system has higher costs due to the use of artificial tanks, on the other side, thanks to the constant pressure, higher working efficiency of the turbomachinery is gained. Moreover, by utilising thermal energy storages based on salt and oil, an adiabatic configuration (A-CAES) can be implemented that does not require the consumption of fossil fuels. After discussing the present energy scenario in Chapter 1, potential and limits of the modern energy storage systems have been analyzed in Chapter 2, with a focus on the CAES technology. In Chapter 3, the proposed plant configuration and the functioning of the components are explained, referring to both design and off-design working conditions. The simulation of the system through algorithms compiled in Visual Basic is discussed in Chapter 4, where also a preliminary analysis and sizing of the studied system and its components are made. In Chapter 5 the use of the plant for arbitrage activity is simulated and studied from an economic viewpoint. Finally, Chapter 6 proposes the integration of the UW-CAES with an offshore wind farm and provides the correspondent economic analysis.

Il recente sviluppo delle tecnologie rinnovabili ha introdotto nuove problematiche nella gestione del sistema elettrico, dovute all’aleatorietà e non programmabilità della fonte energetica. Da un lato ciò richiede la disponibilità di adeguate riserve di potenza convenzionale per la regolazione della rete, inducendo spesso questi tipi di impianti a un funzionamento non omogeneo e inefficiente. Dall’altro lato l’inadempienza dei programmi di produzione pattuiti sul mercato elettrico può comportare per gli impianti a fonte rinnovabile, in particolare di tipo eolico e solare, costi aggiuntivi di sbilanciamento. Una possibile soluzione è lo sviluppo di sistemi di accumulo in grado di assorbire le oscillazioni su entrambi i lati di produzione e consumo dell’energia elettrica. Quale impianto di grande taglia, ac¬canto alla tecnologia a pompaggio idroelettrico, si propone la tecnologia CAES, la quale prevede lo stoccaggio di energia elettrica tramite compressione di una massa d’aria e successivo stoccaggio in appositi serbatoi. Per tali sistemi, dopo la messa in servizio negli anni ’70 e ’80 di due impianti sfruttanti la disponibilità di caverne saline per lo stoccaggio dell’aria compressa, si propone ora l’utilizzo di serbatoi artificiali che permettano di svincolare la tecnologia dalla disponibilità di ade¬guati siti geologici. Nella fattispecie si è studiato il funzionamento di un sistema offshore sottoma¬rino (UW-CAES), il quale sfrutta la pressione idrostatica per ottenere un esercizio a pressione co¬stante. Se da un lato ciò induce maggiori costi, dovuti all’utilizzo di serbatoi artificiali, dall’altro permette di ottenere una maggiore efficienza nel funzionamento delle turbomacchine. Inoltre, tra¬mite l’utilizzo di sistemi di accumulo termico a sali e a olio, è prevista l’implementazione di una configurazione adiabatica (A-CAES) senza necessità di consumo di combustibili fossili. In seguito alla discussione, nel Capitolo 1, dello scenario energetico contemporaneo, si sono analizzate potenzialità e limiti delle attuali tecnologie di accumulo dell’energia elettrica nel Capitolo 2, con particolare attenzione alla tecnologia CAES. All’interno del Capitolo 3 è presentata la soluzione impiantistica proposta ed è illustrato il funzionamento dei componenti in condizioni di design e off-design. La simulazione del sistema tramite algoritmi compilati in Visual Basic è trattata nel Capitolo 4, nel quale si è proceduto poi all’analisi preliminare della casistica studiata e al dimensionamento dei componenti. Nel Capitolo 5 è simulato e studiato dal punto di vista economico l’utilizzo dell’impianto per l’attività di arbitraggio. Nel Capitolo 6, invece, si propone l’integrazione del sistema UW-CAES all’interno di un parco eolico offshore.