Joule-Brayton pumped thermal electricity storage based on packed beds

Pumped Thermal Electricity Storage (PTES) has the advantages of high energy density and moderate efficiency, making it particularly suitable for large-scale electricity storage. The performance of PTES has attracted much attention in recent years, and it has mostly been studied based on stationary thermodynamics, while the transient characteristic of the actual storage process is often neglected. In this thesis, evaluating the round-trip efficiency and stability of the system, the behaviour of a 16 MW/5h PTES system based on the Joule-Brayton cycle and with thermal storage on packed beds is studied, using Argon as working fluid. A dynamic analysis method is proposed that couples the matching between compressor and expander with the heat exchange inside the beds, initially considered ideal and then investigated with an ad hoc numerical model that simulates the real behaviour. The factors influencing the system such as the pressure ratio, the isentropic efficiency of the machines, the diameter of the particles and the structure of the thermal storage tanks are also analysed. The results of this analysis indicate that the Argon PTES system can achieve up to 60% of RTE and, through further studies and improvements, this value can be increased even further. Increasing the pressure ratio and isentropic efficiencies significantly improves energy storage performance, as the thermodynamic cycle improves at higher temperature levels, but the specific cost of the system increases too. The optimal compression ratio during discharge can be set to maximise round-trip efficiency as well as, particle size and reservoir diameter, once the system size (power and energy required) and charging and discharging time are fixed. This thesis can provide a basis for the optimal design and operation of a PTES based on the Joule-Brayton cycle.

Il Pumped Thermal Electricity Storage (PTES) ha come vantaggi un'elevata densità di energia ed un'alta efficienza, risultando quindi particolarmente adatto allo stoccaggio di energia elettrica su larga scala. Le performance del PTES hanno suscitato molta attenzione negli ultimi anni ed è stato studiato per lo più sulla base della termodinamica stazionaria, mentre la caratteristica dinamica del reale processo di stoccaggio è spesso trascurata. In questa tesi, giudicando l'efficienza di round-trip e la stabilità del processo, viene studiato il comportamento di un sistema PTES da 16 MW/5h basato su ciclo Joule-Brayton utilizzando Argon come fluido di lavoro. Viene proposto un metodo di analisi dinamica che accoppia il matching tra compressore ed espansore con lo scambio termico all'interno dei letti fissi, inizialmente considerato ideale ed in seguito approfondito con un modello numerico ad hoc che simuli il comportamento reale. Vengono anche analizzati i fattori che influenzano il sistema come il rapporto di pressione, l'efficienza isoentropica delle macchine, il diametro delle particelle e la struttura dei serbatoi di stoccaggio dell'energia termica. I risultati di questa analisi indicano che il sistema Argon PTES può raggiungere fino al 60% di RTE e, attraverso ulteriori studi e miglioramenti, questo valore può essere aumentato ulteriormente. L’aumento del rapporto di pressione e delle efficienze isentropiche migliorano notevolmente le prestazioni di immagazzinamento dell'energia, poiché il ciclo termodinamico migliora ad un livello di temperatura più alto, aumentando però di conseguenza il costo specifico dell’impianto. Valori ottimali del rapporto di compressione in fase di scarica possono essere impostati Il Pumped Thermal Electricity Storage (PTES) ha come vantaggi un'elevata densità di energia ed una modesta efficienza, risultando quindi particolarmente adatto allo stoccaggio di energia elettrica su larga scala. Le performance del PTES hanno suscitato molta attenzione negli ultimi anni ed è stato studiato per lo più sulla base della termodinamica stazionaria, mentre la caratteristica dinamica del reale processo di stoccaggio è spesso trascurata. In questa tesi, giudicando l'efficienza di round-trip e la stabilità del processo, viene studiato il comportamento di un sistema PTES da 16 MW/5h basato su ciclo Joule-Brayton e con stoccaggio termico su letti fissi, utilizzando Argon come fluido di lavoro. Viene proposto un metodo di analisi dinamica che accoppia il matching tra compressore ed espansore con lo scambio termico all'interno dei letti, inizialmente considerato ideale ed in seguito approfondito con un modello numerico ad hoc che simuli il comportamento reale. Vengono anche analizzati i fattori che influenzano il sistema come il rapporto di pressione, l'efficienza isoentropica delle macchine, il diametro delle particelle e la struttura dei serbatoi di stoccaggio. I risultati di questa analisi indicano che il sistema Argon PTES può raggiungere fino al 60% di RTE e, attraverso ulteriori studi e miglioramenti, questo valore può essere aumentato ulteriormente. L’aumento del rapporto di pressione e delle efficienze isentropiche migliorano notevolmente le prestazioni di immagazzinamento dell'energia, poiché il ciclo termodinamico migliora ad un livello di temperatura più alto, aumentando però di conseguenza il costo specifico dell’impianto. Valori ottimali del rapporto di compressione in fase di scarica possono essere impostati per massimizzare l'efficienza di round-trip, così come il diametro delle particelle e la geometria dei serbatoi, una volta fissate le dimensioni del sistema (potenza ed energia richieste) e il tempo di carica e scarica. Questa tesi può fornire una base per la progettazione e il funzionamento ottimale di un PTES basato su ciclo Joule-Brayton.