Electrical grid balancing with fast-ramping Fuel Cell and electrolysis systems : analysis, modelling and optimization

Profound changes in the power grid are required to allow the transition to a low-carbon energy system, and the role of hydrogen in supporting the clean energy transition has been recognized worldwide. This research work studies the use of hydrogen-based Power-to-Power (P2P) systems, adopting industrial-scale fast-ramping electrolysis systems and Fuel Cell (FC) power plants based on low temperature Polymer Electrolyte Membrane (PEM) cells, to help increasing the reliability of the power grid. This thesis work has developed numerical models of the systems, including all their main balance of plant components. The models solve mass and energy balances, including dynamic effects related to mass accumulations, thermal inertia and mechanical inertia, and implement PI type and on/off type controllers for the control of the system operation. The models are validated on the basis of experimental data, and applied to case studies. Comparison of different plant layouts and different operation strategies allows improving the design and the operating of the system. The simulations confirm the ability of the systems to rapidly ramp up and down between the minimum load and the maximum load, without negative effects on the net efficiency. Additionally, this thesis work has developed a techno economic optimization tool following a mixed-integer linear programming (MILP) approach. The tool simulates the behavior of a hybrid P2P system connected to renewable energy sources, local loads, battery energy storage systems and the electric grid, and finds the optimal size of the components and the optimal operation schedule. The possibility for the system to exchange electricity with the grids on both the day ahead market and the ancillary services market are included, with reference to the Italian electricity market. Model application to case studies shows that, overall, hydrogen-based storage systems can be economically favorable when medium- and long-term energy shifts are needed or in scenarios where the renewable energy is curtailed or sold at very low prices. Additionally, the economic profitability of the provision of grid services strictly depends on the electricity market structure.

Per consentire la transizione verso un sistema energetico a basse emissioni di carbonio sono necessari profondi cambiamenti nella rete elettrica e il ruolo dell'idrogeno nel supportare la transizione verso l'energia pulita è stato riconosciuto a livello mondiale. Questo lavoro di ricerca studia l'uso di sistemi Power-to-Power (P2P) ad idrogeno, basati su sistemi di elettrolisi e fuel cell di scala industriale che adottano celle PEM (Polymer Electrolyte Membrane) a bassa temperatura, per contribuire ad aumentare l'affidabilità della rete elettrica. Questo lavoro di tesi ha sviluppato modelli numerici dei due sistemi, comprendendo tutti i principali componenti ausiliari. I modelli risolvono i bilanci di massa ed energia, includendo gli effetti dinamici relativi agli accumuli di massa, all'inerzia termica e all'inerzia meccanica, e implementano controllori di tipo PI e di tipo on/off per il controllo del funzionamento del sistema. I modelli sono stati validati sulla base di dati sperimentali ed applicati a casi studio. Il confronto tra diversi schemi d'impianto e diverse strategie operative ha consentito di migliorare la progettazione e il funzionamento dei sistemi. Le simulazioni hanno confermato la capacità dei sistemi di incrementare e diminuire rapidamente il carico tra il minimo e il massimo, senza effetti negativi sull'efficienza netta. Questo lavoro di tesi ha sviluppato inoltre uno strumento di ottimizzazione tecno-economica, seguendo un approccio di programmazione lineare mista intera (MILP). Lo strumento simula il comportamento di un sistema P2P ibrido, connesso a fonti di energia rinnovabile, a carichi locali, a sistemi di accumulo di energia a batteria, e alla rete elettrica, e trova la dimensione ottimale dei componenti ed il programma di funzionamento ottimale. Lo strumento include la possibilità per il sistema di scambiare energia elettrica con le rete sia sul mercato del giorno prima che sul mercato dei servizi ausiliari, con riferimento al mercato elettrico italiano. L'applicazione del modello a casi studio ha mostrato che, nel complesso, i sistemi di accumulo basati sull'idrogeno possono essere economicamente favorevoli quando sono necessari spostamenti di energia sul medio e lungo termine, o in scenari in cui l’immissione di energia rinnovabile in rete venga limitata o l’elettricità venga venduta a prezzi molto bassi. Inoltre, la redditività economica della fornitura dei servizi di rete dipende strettamente dalla struttura del mercato elettrico.