Thermodynamic analysis and modelling of an adiabatic liquid air energy storage system

Due to global concerns regarding the environmental damage, a rapid increase of renewable power penetration within energy mix has began to ensure a rapid transition towards the energy sector decarbonization. Energy storage technology is one of the most important key factors for intermittent and not-predictable distributed power generation integration within electric systems. The new promising LAES technology (Liquid Air Energy Storage) attracted attention of both academical and industrial worlds in recent years. Till today, only two available options have been able to cost-effectively store energy on a large scale: Compressed Air Energy Storage (CAES) and Pumped Hydro Energy Storage (PHES). LAES was born from a derivation of CAES concept and is therefore based on similar operative functioning. Even tough its round trip efficiency is naturally lower due to higher liquefaction process consumption, higher energy density and absence of geographical/geological constraints make this technology considerably interesting in comparison with others; indeed, air is firstly liquefied and then stored in insulated tanks at ambient pressure. Furthermore, being based on already mature technologies and being easily scaled up to grid-scale ratings, LAES applications can be considerably cost-effective. This theses aims to investigate the technology state of the art through a deep literature analysis and to perform a first order thermodynaimc performance quantification. A numerical model have been developed and validated with literature information, achieving a round-trip efficiency value on the order of 50-60% as expected.

A causa delle crescenti preoccupazioni riguardanti i danni ambientali provocati dalle attività antropiche, un processo di forte incremento della penetrazione di potenza rinnovabile installata all'interno del mix energetico è iniziato, con l'obbiettivo di assicurare una rapida transizione verso la decarbonizzazione del sistema energetico stesso. In questo senso, i sistemi di stoccaggio dell'energia costituiscono uno dei più importanti fattori abilitanti per l'integrazione di fonti energetiche aleatorie, distribuite e non programmabili alla rete elettrica. Lo stoccaggio di energia ad aria liquida (LAES) è una promettente tecnologia che ha attratto, negli ultimi anni, l'attenzione sia del mondo accademico che di quello industriale. Ad oggi, le tecnologie in grado di garantire in maniera tecno-economicamente sostenibile lo stoccaggio di energia su larga scala sono principalmente lo stoccaggio ad aria compressa (CAES) e gli impianti idroelettrici di pompaggio (PHES). I sistemi di stoccaggio ad aria liquida derivano dai sistemi ad aria compressa presentando, per questo motivo, simili condizioni di funzionamento operativo. Nonostante le minori efficienze di round-trip a causa dei maggiori consumi intrinseci del processo di liquefazione, la più alta densita energetica accompagnata dall'assenza di limitazioni geologico-geografiche rendono quest'applicazione considerevolmente interessante; infatti, l'aria liquefatta viene stoccata in serbatoi, isolati termicamente, a pressioni ambiente. In aggiunta, essendo basato su tecnologie con un avanzato grado di maturità e facilmente scalabili, il LAES risulta avere il potenziale per essere una soluzione tecno-economicamente interessante. In questa tesi, lo stato dell'arte della tecnologia viene analizzato tramite un'accurata revisione letteraria. Lo sviluppo di un modello numerico validato sui dati di letteratura ha permesso una quantificazione numerica delle performance termodinamiche, dimostrando che efficienze di round-trip comprese tra 50-60% possono essere raggiungibili, come previsto.