Underwater CAES for off-shore wind farms: system integration and operating strategy optimization based on techno-economic analysis

The continuous growth of global energy demand is driving humanity to explore increasingly new and efficient methods of energy production. Simultaneously, there is a need to reduce the environmental impact given by human activities by mitigating greenhouse gas emissions. As a result, a growing utilization of renewable energy sources occurs, such as solar and wind, which however pose challenges in energy management due to their non-programmability. Energy storage systems come into play to enhance the management of these renewable sources, maximizing their penetration to reduce dependence on fossil fuels. Among the various large-scale storage systems proposed nowadays, notable examples include Pumped Storage Hydropower (PSH), well established, and chemical storage systems. However, taking advantage of the consolidated knowledge of turbomachines and Thermal Energy Storage (TES) in a Compressed Air Energy Storage (CAES), this other technology becomes an equally attractive possibility. This thesis examines an adiabatic underwater CAES (UW-CAES) coupled with an off-shore wind farm. The objective is to assess its techno-economic feasibility based on a MatLab model developed for plant design and operation evaluation under different constraints. A distinctive feature of an adiabatic UW-CAES system compared to a conventional CAES is the presence of air storage vessels, located on the seafloor to maintain a constant air pressure, and a TES. The developed model is then applied to proposed off-shore wind farms to understand which parameters most influence the plant performance.

La continua crescita del fabbisogno energetico a livello globale sta spingendo l'umanità verso la ricerca di sempre nuovi e più efficienti metodi di produzione dell'energia. Allo stesso tempo però c'è la necessità di diminuire l'impatto ambientale dovuto alle attività dell'uomo, contrastando le emissioni di gas serra. Da qui il crescente utilizzo di fonti di energia rinnovabili come il solare e l'eolico, che però comportano problemi di gestione dell'energia prodotta a causa della loro non-programmabilità. Ecco che i sistemi di stoccaggio dell'energia entrano in gioco per cercare di migliorare la gestione di queste fonti rinnovabili, incrementando il più possibile la loro penetrazione per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili. Tra i diversi sistemi di stoccaggio su larga scala oggi proposti, è possibile citare i sistemi di pompaggio idroelettrici (PSH), ormai abbastanza consolidati, e i sistemi di stoccaggio chimici. Tuttavia, sfruttando le conoscenze ampiamente consolidate sulle turbomacchine e i sistemi di accumulo termico (TES) in un accumulo energetico ad aria compressa (CAES), si rende quest’altra tecnologia una possibilità altrettanto interessante. In questa tesi si prenderà in esame un CAES adiabatico sottomarino (UW-CAES) accoppiato ad un parco eolico off-shore. L'obiettivo è quello di valutare la sua fattibilità tecno-economica sulla base di un modello sviluppato su MatLab per dimensionare l'impianto e valutarne il suo funzionamento in base a una serie di vincoli. Elemento che caratterizza un sistema UW-CAES adiabatico rispetto ad un CAES convenzionale è proprio la presenza di serbatoi per lo stoccaggio dell'aria, posizionati sul fondale marino per mantenere la pressione dell'aria costante, e del TES. Il modello realizzato viene quindi applicato ad alcuni impianti eolici off-shore proposti, per capire quali sono i parametri che più ne influenzano le sue prestazioni.