Hybrid configurations for Liquid Air Energy Storage systems

The present work has been carried out in collaboration with ENEA, the Italian national agency for new technologies, energy and economic sustainable development. Aim of this thesis is the analysis of Liquid Air Energy Storage technology (LAES) and potential enhancements deriving from the integration with other existing technologies in the energy field. According to the International Energy Agency, total power generation is expected to expand almost three times over the next fifty years. Renewable energy share in the production mix will reach 86%, in order to mitigate the increase in global temperatures and attain the sustainable development goals. In this context, energy storage technologies will cover a crucial role to manage intermittent renewable energy and guarantee a reliable and flexible electric system. Liquid Air Energy Storage has proven to be a viable alternative to traditional large-scale mechanical storage systems, such as pumped hydro (PHES) or compressed air (CAES). In this thesis, a detailed literature review of stand-alone and hybrid LAES configurations has been accomplished. Subsequently, an integrated LAES – LNG plant has been selected from literature and simulated through the software Aspen Hysys, under several hypothesis. Round-trip efficiency ranges between 98% and 129%, thanks to the release of cold energy from the LNG regasification process. A comprehensive design of cryogenic heat exchangers has been conducted through Aspen EDR, to confirm the validity of the adopted assumptions. Finally, the economic analysis of the proposed plant has been performed within the Italian energy market. The presented configuration proves to be profitable, having a Net Present Value of approximately 16 M€.

Il presente lavoro è stato svolto in collaborazione con ENEA, l’agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile. Lo scopo di questa tesi è l’analisi della tecnologia di stoccaggio dell’energia attraverso aria liquida (LAES) e i potenziali vantaggi derivanti dall’integrazione di essa con altre tecnologie esistenti in ambito energetico. Secondo l’agenzia internazionale dell’energia (IEA), la produzione mondiale di potenza elettrica dovrà all’incirca triplicare nel corso dei prossimi cinquanta anni. Affinché sia possibile mitigare l’aumento delle temperature entro i limiti compatibili con uno sviluppo sostenibile, la quota di energie rinnovabili nel mix di produzione dovrà raggiungere circa l’86%. In questo conteso, le tecnologie di storage ricopriranno un ruolo fondamentale per gestire la variabilità delle fonti rinnovabili, garantendo così un sistema elettrico flessibile ed affidabile. La tecnologia LAES si è dimostrata una valida alternativa ai sistemi di storage meccanici tradizionali, come il pompaggio idroelettrico o l’utilizzo di aria compressa (CAES). In questa tesi è stata effettuata una analisi bibliografica dei principali sistemi LAES adiabatici e ibridi. Successivamente, è stato selezionato uno studio riguardante l’integrazione di un sistema LAES all’interno di un impianto di rigassificazione GNL. Attraverso un modello realizzato con Aspen Hysys, è stato possibile riprodurne le condizioni di funzionamento al variare dei principali parametri operativi. Si è osservato che il rendimento energetico (round-trip) varia tra il 98% e il 129%, grazie al trasferimento di energia fredda da parte del processo di rigassificazione del GNL. Inoltre, è stato realizzato un design dettagliato degli scambiatori di calore criogenici, attraverso il software Aspen EDR, al fine di confermare la validità delle ipotesi adottate. Infine, è stata eseguita un’analisi economica dell’impianto, all’interno del contesto energetico italiano. I risultati hanno dimostrato che la tecnologia proposta risulta remunerativa, con un valore attuale netto di circa 16 M€.