Preliminary techno-economic analysis of long-duration electricity storage based on solid particles thermal energy storage

This thesis aims to examine and delve into the crucial importance of Thermal Energy Storage (TES) systems in the current context of energy management. With the growing interest in renewable and sustainable energy sources, there is a need to address challenges related to variability in energy production, especially in areas such as solar and wind energy. TES represents a solution to mitigate the effects of this variability, enabling more efficient and flexible management of energy resources. The thesis explores the main technologies currently under study and available in the market, focusing on their practical applications. Particular relevance is given to long-duration thermal storage solutions, such as the one developed by the National Renewable Energy Laboratory (NREL), aiming to meet the objectives outlined in the Economic Long-Duration Electricity Storage by Using Low-Cost Thermal Energy Storage and High-Efficiency Power Cycle (ENDURING) project. This system includes high-temperature particle (silica sand) thermal energy storage coupled with a Pressurized Fluidized Bed Heat Exchanger (PFB-HX) supporting a combined high-efficiency air power cycle. During periods of low energy demand (or high renewable energy production), a particle heater uses low-cost grid electricity to heat large volumes of solid particles to temperatures up to 1200°C, effectively charging the system. Subsequently, to discharge the system during periods of high energy demand (or low renewable energy production), these hot particles are gravity-fed through a PFB-HX, where they transfer heat to the working fluid to drive a turbine power generation system, converting thermal energy into electricity for the grid. The cooled particles leaving the PFB-HX are returned to appropriately sized and thermally insulated storage silos via a particle conveyor. In the thesis, a preliminary technical-economic study of this system is presented, carried out through the implementation of thermal models presented using MatLab© and Excel© codes. The economic evaluation of the system is then introduced through the calculation of the Levelized Cost of Storage in various scenarios, resulting in 17.56 cents€/kWh for a 100MWel-100h system, assuming an incoming electricity cost of 10 cents€/kWh.

Questa tesi si propone di esaminare e approfondire l'importanza cruciale dei sistemi di accumulo di energia termica (TES) nel contesto attuale della gestione dell'energia. Con il crescente interesse per fonti energetiche rinnovabili e sostenibili, emerge la necessità di affrontare le sfide legate alla variabilità nella produzione di energia, specialmente in ambiti come l'energia solare ed eolica. I TES rappresentano una soluzione per mitigare gli effetti di questa variabilità, consentendo una gestione più efficiente e flessibile delle risorse energetiche. La tesi esamina le principali tecnologie attualmente in studio e presenti sul mercato, focalizzandosi sulle loro applicazioni pratiche. Particolare rilevanza viene data alle soluzioni di accumulo termico a lunga durata, come quella del National Renewable Energy Laboratory (NREL) che mira a soddisfare attraverso il progetto Economic Long-Duration Electricity Storage by Using Low-Cost Thermal Energy Storage and High-Efficiency Power Cycle (ENDURING). Tale sistema comprende un accumulo di energia termica a particelle (sabbia di silice) ad alta temperatura abbinato a uno scambiatore di calore a letto fluidizzato e pressurizzato (PFB-HX) che supporta un ciclo di potenza combinato ad aria ad alta efficienza. Durante i periodi di bassa domanda di energia (o elevata produzione di energie rinnovabili), un riscaldatore a particelle utilizza l'elettricità di rete a basso costo per riscaldare grandi volumi di particelle solide a temperature fino ai 1200°C, caricando efficacemente il sistema. Successivamente, per scaricare il sistema durante i periodi di elevata domanda di energia (o bassa produzione di energie rinnovabili), queste particelle calde vengono alimentate per gravità attraverso un PFB-HX, dove trasferiscono il calore al fluido di lavoro per guidare un sistema di generazione di energia a turbina, convertendo così l'energia termica in energia elettricità per la rete. Le particelle fredde che lasciano il PFB-HX vengono riportate nei silos di stoccaggio, opportunamente dimensionati e termicamente isolati, tramite un trasportatore di particelle. Nella tesi viene quindi presentato un preliminare studio tecnico-economico di tale sistema, effettuato tramite l’implementazione dei modelli termici che vengono presentati tramite codici MatLab© ed Excel©. Viene quindi presentata la modalità di valutazione economica del sistema tramite calcolo del Levelized Cost Of Storage in diversi scenari, il quale risulta essere parti a 17,56 cent€/kWh per un sistema da 100MWel-100h, ipotizzando un costo dell’energia elettrica in ingresso pari a 10 cent€/kWh.