Design and off-design analysis of a multistage centrifugal compressor for an A-CAES plant

The non-programmable renewable energies, such as wind power and photovoltaic power, are experiencing a rapid increase in their installed power around the world. The electric system needs energy storage plants to sustain this fast growth. The most suitable systems for the large-scale energy storage are the pumped hydroelectric energy storage (PHES) and the compressed air energy storage (CAES). In the present work, a compressor employed in an adiabatic compressed air energy storage (A-CAES) plant with an isobaric compressed air storage (CAS) system is designed and its off-design operation is analysed. The peculiarities of this compressor are the high temperature reached at the end of the compression (up to 625°C in design conditions), the high compression ratio (equal to 80) and the outlet pressure fixed even in off-design conditions. The results of this work suggest that the compressor is feasible, but the biggest problems are the stall at low mass flow rates due to the constant outlet pressure constraint and the creep issues due to the high temperature reached.

Le energie rinnovabili non programmabili, come l’eolico ed il fotovoltaico, stanno aumentando rapidamente la loro potenza installata a livello globale. La rete elettrica necessita di impianti di accumulo di energia per sostenere questa celere crescita. Le tecnologie più adatte per l’accumulo di energia su larga scala sono l’idroelettrico ad accumulo con pompaggio (PHES) e gli impianti di accumulo tramite aria compressa (CAES). Nel presente lavoro, un compressore impiegato in un impianto di accumulo adiabatico tramite aria compressa (A-CAES) dotato di un serbatoio isobaro di aria compressa (CAS) è progettato e la sua operazione fuori progetto è analizzata. Le peculiarità di questo compressore sono l’alta temperatura raggiunta alla fine della compressione (fino a 625°C in condizioni di progetto), l’elevato rapporto di compressione (pari a 80) e la pressione in uscita costante anche in condizioni di fuori progetto. I risultati di questo lavoro suggeriscono che il compressore è fattibile, ma i problemi maggiori sono lo stallo a basse portate massiche dovuto alla pressione in uscita costante ed i fenomeni di scorrimento viscoso (creep) causati dalle alte temperature.