Advanced aluminium based power to power storage

The current energy context, oriented towards environmental sustainability and reducing the impact of climate change, is undergoing a transition towards a more ecological system, with less dependence on fossil fuels and greater use of renewable and low-carbon impact energies. This process requires a profound restructuring of the energy infrastructure and new technical and engineering approaches. This work examines the role of aluminium in this area, focusing on its use in the storage and release of excess renewable energy and as a fuel for energy production. The ultimate goal is to design a plant scheme that can make the best use of the potential of this metal and the products resulting from its oxidation with steam, generating electric power in a high-performance, clean, and sustainable way. The first part of this research involves a review of the existing literature on traditional storage systems and, in particular, on chemical storage based on the aluminium redox cycle. The two main phases, namely reduction and oxidation, will be discussed in detail in order to highlight their characteristics, limitations, products, and possible practical applications. This review establishes a theoretical basis for subsequent model development. The various sections of the plant, designed through Aspen Plus software, will be described in detail, with particular attention to those technologies that differ significantly from the current state of the art. In particular, the use of a boiling fluidized bed reactor to support the oxidation reaction between aluminium and steam will be explored, and the presence of a gas turbine powered by hydrogen instead of natural gas will be analyzed. Subsequently, the results and problems related to the reported plant scheme will be presented, and an alternative configuration that aims to solve them and improve the exploitation of thermal sources and overall performance will be developed, while introducing difficulties related to plant complexity and management. Regardless of the configuration considered, the results obtained show how a technology of this type can be successfully integrated into the current energy context. Excesses of renewable energy will be stored within the alumina present in nature through the reduction process. The resulting product, which will be aluminium in the form of bars, can be easily transported or stored, thus ensuring high flexibility. Finally, through a realistic implementation of the designed plant, it will be possible to recover the stored energy and use it to produce large-scale electrical power sustainably and without emissions.

Il contesto energetico attuale, orientato verso la sostenibilità ambientale e la riduzione dell'impatto dei cambiamenti climatici, sta vivendo una transizione verso un sistema più ecologico, con minor dipendenza dai combustibili fossili e maggior uso di energie rinnovabili e a basso impatto di carbonio. Questo processo richiede una profonda ristrutturazione dell'infrastruttura energetica e nuovi approcci tecnici e ingegneristici. Questo lavoro esamina il ruolo dell'alluminio in questo ambito, focalizzandosi sul suo uso nell'accumulo e rilascio di energia rinnovabile in eccesso e come combustibile per la produzione energetica. L'obiettivo finale è quello di progettare uno schema d'impianto che possa sfruttare nel migliore dei modi le potenzialità di questo metallo e i prodotti risultanti dalla sua ossidazione con il vapore, generando potenza elettrica in modo prestante, pulito e sostenibile. La prima parte di questa ricerca prevede una revisione della letteratura esistente sui sistemi di stoccaggio tradizionali e, in particolare, sullo stoccaggio chimico basato sul ciclo di ossidoriduzione dell'alluminio. Le due fasi principali, ovvero la riduzione e l'ossidazione, verranno trattate nel dettaglio in modo da evidenziarne le caratteristiche, le limitazioni, i prodotti e le possibili applicazioni pratiche. Questa revisione stabilisce una base teorica per il successivo sviluppo modellistico. Le varie sezioni dell'impianto, progettato attraverso il software Aspen Plus, verranno descritte nel dettaglio, ponendo un'attenzione particolare su quelle tecnologie che si discostano notevolmente dallo stato dell'arte attuale. Sarà infatti approfondito l'utilizzo di un reattore a letto fluidizzato bollente per sostenere la reazione di ossidazione tra alluminio e vapore e verrà analizzata la presenza di una turbina a gas alimentata con idrogeno invece che con gas naturale. Successivamente verranno presentati i risultati e i problemi legati allo schema d'impianto riportato e verrà elaborata una configurazione alternativa che mira a risolverli e a migliorare lo sfruttamento delle sorgenti termiche e le prestazioni complessive, pur introducendo delle difficoltà legate alla complessità impiantistica e gestionale. Indipendentemente dalla configurazione considerata, i risultati ottenuti mostrano come una tecnologia di questo tipo possa essere inserita con successo all'interno del contesto energetico attuale. Gli eccessi di energia rinnovabile verranno stoccati all’interno dell’allumina presente in natura attraverso il processo di riduzione. Il prodotto risultante, che sarà alluminio in forma di barre, potrà essere facilmente trasportato o accumulato, garantendo quindi un’elevata flessibilità. Infine, attraverso un’implementazione realistica dell’impianto progettato, sarà possibile riottenere l’energia stoccata ed utilizzarla per produrre potenza elettrica su larga scala in modo sostenibile e senza emissioni.