The role of mass and energy storage in the decarbonization of chemical processes

The present work investigates how to optimally integrate chemical plants with renewable energy, especially focusing on the role of mass and energy storage systems in maximizing process efficiency and sustainability. Two case studies are presented to illustrate how energy storage can manage the variability of renewable energy sources, ensuring continuous operation in critical industrial applications. The first case study assesses green hydrogen production via electrolysis powered by solar and wind energy, referring to California, USA profiles from (2022). Such an analysis aims to minimize the Levelized Cost of Hydrogen (LCOH) by optimizing the combination of renewable energy sources, electrolyzer size, and hydrogen storage capacity. A sensitivity analysis was also performed using the overall aggregated Italy energy profiles (still from 2022), to highlight how different geographical settings impact energy production and storage requirements. Results prove that an optimal configuration of renewable energy sources and storage significantly stabilizes hydrogen production, reducing costs. The second case study considers the use of renewable energy for heat recovery in distillation column reboilers, based on two different operating profiles—one showing high energy inputs (i.e., optimistic scenario) while the other featuring low energy inputs (i.e., pessimistic scenario)—provided by the Swiss company Casale SA. The assessment also incorporates an energy conversion system between two storage tanks to optimize energy transfer. Results show that the combining of renewable energy and storage technologies ensures stable reboiler operation, with significant energy cost savings, especially thanks to efficient heat recovery. Therefore, this thesis proves the essential role of energy storage in mitigating the instabilities of renewable-energy-driven industrial processes, thus providing both economic and environmental benefits.

Il presente lavoro esamina come integrare in modo ottimale il mondo della chimica con le energie rinnovabili, concentrandosi in particolare sul ruolo dei sistemi di accumulo di massa ed energia per massimizzare l’efficienza e la sostenibilità dei processi. Vengono presentati due casi studio per illustrare come l’accumulo di energia possa gestire la variabilità delle fonti rinnovabili, garantendo l’operatività in continuo di processi industriali di rilievo per l’industria chimica. Il primo caso studio valuta la produzione di idrogeno verde tramite elettrolisi alimentata da energia solare ed eolica, utilizzando i profili energetici della California, USA (2022). Tale analisi mira a minimizzare il costo livellato dell’idrogeno (LCOH) ottimizzando le capacità installate nella combinazione di fonti di energia rinnovabile utilizzate (i.e., eolico e solare), la dimensione dell’elettrolizzatore e la dimensione del sistema di accumulo per l’idrogeno. È stata inoltre condotta un’analisi di sensitività utilizzando i profili energetici aggregati sull’intera area geografica italiana (anch’essi del 2022), per evidenziare come diversi contesti geografici influenzino i requisiti di produzione e accumulo di energia. I risultati dimostrano che una configurazione ottimale di fonti rinnovabili e sistemi di accumulo stabilizza significativamente la produzione di idrogeno, riducendone in maniera sostanziale i costi di produzione. Il secondo caso studio considera l’uso di energia rinnovabile per il recupero di calore nei ribollitori di due colonne di distillazione, basandosi su due diversi profili operativi—uno caratterizzato da elevati input energetici (i.e., scenario ottimistico) e l’altro da input energetici ridotti (i.e., scenario pessimistico)—forniti dall’azienda svizzera Casale SA. La valutazione incorpora anche un sistema di conversione energetica tra due serbatoi di accumulo per ottimizzare il trasferimento di energia. I risultati dimostrano che la combinazione tra l’utilizzo di energia rinnovabile e delle tecnologie di accumulo garantisce un funzionamento stabile dei ribollitori, con notevoli risparmi sui costi energetici, soprattutto grazie a un recupero efficiente del calore di reazione. Questa tesi dimostra quindi il ruolo essenziale dell’accumulo di energia nel mitigare le instabilità dei processi industriali alimentati da energie rinnovabili, offrendo benefici sia economici che ambientali.