Modeling, simulation and optimization of hydrogen storage in salt caverns

Seasonal storage combined with Power-to-Hydrogen is a current topic in the international research landscape. Among the large scale energy storage which may be associated with Power-to-Hydrogen, salt caverns seem to be the most promising solution. In fact, they provide the necessary capacity and guarantee high pressures to store large volumes of hydrogen. Therefore, they allow to offset the supply-demand mismatch, due to fluctuating renewable technologies, on a seasonal scale with reasonable costs. This work consists in carrying out the model, the simulation and the optimization, within a multi-energy system, of hydrogen storage in salt caverns and it is included in a wider research about MILP (mixed-integer linear programming) optimization of multi-energy systems coupled with seasonal storage. A thermodynamic model of the cavern is created to account for the transport phenomena occurring in the cavern itself and in the adjacent rock and to capture the dynamic behavior of the system. The model exhibits a highly nonlinear trend, enhanced by the onset of hydrogen flow across the cavern's walls during operation. This is due to the increase in permeability and porosity of the salt rock surrounding the drift, which is a side effect of the construction technology. Such model is linearized to enable its implementation within the optimization framework. The derived reduced order model has the aim to predict the behavior of the thermodynamic model. Finally, the optimization is performed in order to analyze the salt cavern operation as seasonal storage in a multi-energy system, given certain case study data. Results, together with a sensitivity analysis on different features of the investigated system, reveal the impact of the output pressure of the electrolyzer and of the hydrogen compression on the storage. Moreover, the convenience to have seasonal operating cycles, when a large availability of renewable sources is present, is highlighted.

Lo stoccaggio stagionale associato al Power-to-Hydrogen è un tema attuale nel panorama di ricerca internazionale. Tra le tecnologie di stoccaggio di energia su larga scala che possono essere associate al Power-to-Hydrogen, le caverne saline sembrano essere la soluzione più promettente. Infatti, queste ultime forniscono la capacità necessaria e garantiscono pressioni tali da permettere di stoccare grandi volumi di idrogeno. Pertanto, esse consentono di compensare lo squilibrio tra generazione e consumo, dovuto alle tecnologie rinnovabili intermittenti, su scala stagionale con costi ragionevoli. Questo lavoro consiste nell'eseguire il modello, la simulazione e l'ottimizzazione, all'interno di un sistema multi-energia, dello stoccaggio dell'idrogeno in caverne saline ed è incluso in una più ampia ricerca sulla ottimizzazione MILP (programmazione lineare intera mista) di sistemi multi-energia accoppiati con stoccaggio stagionale. Un modello termodinamico della caverna viene creato per rendere conto dei fenomeni di trasporto che si verificano nella caverna stessa e nella roccia adiacente e per catturare il comportamento dinamico del sistema. Il modello mostra un andamento altamente non lineare, incrementato dall'instaurarsi di un flusso di idrogeno attraverso le pareti della caverna durante il funzionamento. Ciò è dovuto all'aumento della permeabilità e della porosità della roccia salina che circonda la cavità, un effetto collaterale della tecnologia di costruzione. Tale modello è linearizzato per consentirne l'implementazione all'interno della struttura di ottimizzazione. Il modello di ordine ridotto, così ricavato, ha lo scopo di prevedere il comportamento del modello termodinamico. Infine, l'ottimizzazione viene eseguita con l'obiettivo di analizzare l'operazione della caverna salina come stoccaggio stagionale in un sistema multi-energia, per un dato caso studio. I risultati ottenuti, insieme ad un'analisi di sensitività su diverse caratteristiche del sistema in questione, rivelano l'impatto della pressione di uscita dell'elettrolizzatore e della compressione dell'idrogeno sullo stoccaggio. Inoltre, viene evidenziata la convenienza di avere cicli operativi stagionali quando una grande disponibilità di fonti rinnovabili è presente.