Numerical simulation and economic analysis of adiabatic underwater CAES for the enhancement of an offshore wind farm

The present thesis studies the use of underwater adiabatic CAES system, contextualised in the renewable unpredictable world. With the aid of the software MatLab, it involves the design, optimisation and simulation on the 8760 hours of a year of a CAES plant. Such plant uses an underwater tank to store air when the wind production of a close-by wind farm is high, and uses a turbine to expand the air when required from the grid. In order to store the heat obtained in compression and to reuse it before the expansion, three different thermal storage levels are employed (molten salts, diathermal oil and water), and in this way fossil fuel consumption is avoided. The design of the compressor results critical and thus it has been deepened by means of a stage to stage procedure, that corrected also the existing Balje diagram, the reference map for turbomachinery. Combining the wind availability with the characteristic of the components, this work investigates the technical and economic exploitability of the system computing the performance parameters and the required incentives to make profits from the balancing of the grid.

La suddetta tesi studia il funzionamento di un sistema di accumulo di energia CAES adiabatico, in cui l’aria compressa viene mantenuta in depositi sottomarini. Con l’aiuto del software MatLab, dell’impianto sono stati eseguiti il design, l’ottimizzazione e la simulazione sulle 8760 ore annuali. Collegato ad un campo eolico situato nei pressi, l’aria viene compressa quando la produzione eolica è alta e invece viene espansa in turbina quando richiesto dalla rete. L’adiabaticità del sistema è realizzata grazie all’accumulo termico effettuato su tre diversi livelli (sali fusi, olio diatermico e acqua) che permettono di evitare l’utilizzo di combustibili fossili, recuperando il calore sviluppato in fase di compressione per riscaldare l’aria prima dell’espansione in turbina. La progettazione del compressore si è rivelata critica, e dunque è stata realizzata stadio per stadio, aggiornando anche il diagramma di Balje, punto di riferimento per le turbomacchine. Combinando la disponibilità del vento con le caratteristiche dei componenti, questo lavoro investiga la fattibilità tecnica ed economica del sistema calcolando i parametri necessari a valutare le prestazioni così come gli incentivi necessari a generare dei profitti dal bilanciamento della rete.