Definition of optimal round trip efficiency maps for transcritical carbon dioxide based pumped thermal energy storage systems

CO2 based pumped thermal energy storage (PTES) systems are a promising solution for large scale energy storage as they can achieve good round trip efficiency (RTE) with no geological constraints differently from pumped hydro storage (PHS) or compressed air energy storage (CAES). Moreover, this technology allows for the storage of both heat and cold, making it attractive in the context of district heating and cooling. In this thesis, a novel type of PTES based on solid medium hot storage and reversible heat exchangers shared by the charging and discharging phases has been studied. In particular, two different plant configurations have been considered in order to ensure the cyclic cold storage energy balance, one employing an external chiller and the other incorporating an ambient condenser. In order to model the system a MATLAB code has been developed. The system performance was investigated for a wide range of operating parameters and plant assumptions, and the results were presented in the form of multiple heatmaps. Results showed that the solution that adopts an ambient condenser is generally more performing compared to the one with an external chiller, especially for lower cold storage temperatures (-30°C) achieving round trip efficiencies around 65%. Moreover, the results confirmed that, from a thermodynamic point of view, the use of a hot storage system based on solids is better than the multi-tank liquid storage previously studied in literature, as it allows the decoupling of the charging and discharging pressure levels. In addition, different pressure drops, different turbomachinery efficiencies and the use of a valve or an expander in the heat pump cycle were investigated in order to understand their influence on the overall RTE.

I sistemi pumped thermal energy storage (PTES) a CO2 sono una promettente soluzione per lo stoccaggio dell’energia elettrica su larga scala, in grado di raggiungere alte round trip efficiencies (RTE) senza vincoli geologici come i sistemi pumped hydro storage (PHS) o compressed air energy storage (CAES). Questa tecnologia consente inoltre l’accumulo di energia termica sia ad alta che a bassa temperatura, rendendola interessante nel contesto del teleriscaldamento e teleraffrescamento. In questa tesi è stato studiato un nuovo tipo di PTES basato su un sistema di accumulo termico a solidi e scambiatori di calore condivisi dalle fasi di carica e scarica. In particolare, sono state prese in considerazione due diverse configurazioni di impianto per garantire il bilancio ciclico del sistema di accumulo a bassa temperatura, una che impiega un chiller esterno e l’altra che incorpora un condensatore ambiente. Per modellizzare il sistema è stato sviluppato un codice MATLAB. Le prestazioni del sistema sono state studiate per una vasta gamma di parametri operativi, e i risultati sono stati presentati sotto forma di multiple heatmap. I risultati hanno mostrato che la soluzione che adotta un condensatore ambiente è generalmente più performante rispetto a quella con un chiller esterno, specialmente per temperature del’accumulo freddo più basse (-30°C), raggiungendo round trip efficiencies di circa il 65%. Inoltre, i risultati hanno confermato che, da un punto di vista termodinamico, l’uso di un sistema di accumulo termico basato su solidi è migliore rispetto al sistema multi-tank precedentemente studiato in letteratura, poiché consente lo svincolo dei livelli di pressione delle fasi di carica e scarica. Inoltre, è stato studiato l’effetto di diverse cadute di pressione, diverse efficienze delle turbomacchine e l’uso di una valvola o di un espansore nel ciclo della pompa di calore, al fine di comprendere la loro influenza sulla RTE complessiva.