Pumped storage hydropower: technology review and development of a design-support tool

Pumped Storage Hydropower (PSH) plays an essential role in modern energy systems, providing critical grid stability and flexibility as renewable energy integration increases. As the share of intermittent sources like wind and solar grows, PSH’s capability for large-scale, long-duration energy storage becomes increasingly crucial for maintaining the system’s balance and ensuring reliable power supply. Globally, PSH remains the dominant utility-scale storage solution, holding over 90% of the global capacity with more than 179 GW installed as of 2024. PSH plays a strategic role in electricity markets, particularly through time-shifting and the ancillary services it provides to the grid. Italy’s MACSE framework is presented as a case study of policy mechanisms that can incentivize storage solutions strengthening grid reliability. MACSE is expected to foster increased PSH investments in Italy, nevertheless, a continuous policy evolution is essential to ensure the viability of storage projects like PSH in continuously evolving energy markets. Within the analysis of a typical PSH plant’s layout, ranging from civil works to hydromechanical equipment, particular emphasis has been placed on how electromechanical equipment choices can impact the plant’s flexibility, influencing its adaptability to grid demands. Environmental sustainability is considered in depth, highlighting the reduced ecological footprint of closed-loop PSH configurations compared to open-loop systems. Throughout the lifecycle, PSH demonstrates significant advantages compared to battery storage, supporting its role as a sustainable and effective solution. A core contribution of this thesis is the development of a tool specifically intended to support both preliminary and detailed design phases for PSH plants. The PSP Tool can simulate different plant configurations and operational scenarios, enabling in-depth analysis of essential performance metrics, such as round-trip efficiency, storage capacity, and energy balances. Through a case study on a real project, the Tool has proven to provide reliable insights into energy balance assessments, operational simulations, and opportunities for design optimization. The thesis also identifies pathways for further development of PSH research. The recommended enhancements for the PSP Tool might expand its functionality in alignment with the evolving demands of modern energy systems. The insights from this study underscore PSH as a key solution for a sustainable energy future.

Gli impianti idroelettrici a pompaggio svolgono un ruolo essenziale nei moderni sistemi energetici, garantendo stabilità e flessibilità alla rete in un contesto di crescente integrazione delle energie rinnovabili. Con l'aumento della quota di fonti intermittenti come eolico e fotovoltaico, la capacità dei pompaggi di fornire stoccaggio di energia su larga scala e di lunga durata diventa sempre più importante per mantenere l'equilibrio del sistema e assicurare una fornitura affidabile di energia. A livello globale, i pompaggi rimangono la soluzione di stoccaggio su larga scala dominante, detenendo oltre il 90% della capacità globale con più di 179 GW installati al 2024. I pompaggi svolgono un ruolo strategico nei mercati dell'elettricità, in particolare attraverso il time-shifting e i servizi ancillari forniti alla rete. Il quadro italiano del MACSE viene presentato come un caso studio di meccanismi normativi che possono incentivare soluzioni di stoccaggio che rafforzano l'affidabilità della rete. Si prevede che il MACSE favorisca maggiori investimenti nel settore in Italia; tuttavia, un'evoluzione normativa continua è essenziale per garantire la fattibilità di progetti di stoccaggio come i pompaggi in mercati energetici in continua evoluzione. Nell'analisi della configurazione tipica di un impianto idroelettrico a pompaggio, che spazia dalle opere civili alle apparecchiature idromeccaniche, particolare enfasi è stata posta su come le scelte delle apparecchiature elettromeccaniche possano influire sulla flessibilità dell'impianto, influenzandone l'adattabilità alle richieste della rete. La sostenibilità ambientale è considerata in profondità, evidenziando la ridotta impronta ecologica delle configurazioni a circuito chiuso rispetto ai sistemi a circuito aperto. Durante il ciclo di vita, i pompaggi dimostrano vantaggi significativi rispetto agli accumuli a batteria, confermando il loro ruolo come soluzione sostenibile ed efficace. Un contributo fondamentale di questa tesi è lo sviluppo di uno strumento specificamente concepito per supportare sia le fasi di progettazione preliminare che dettagliata degli impianti a pompaggio. Il PSP Tool è in grado di simulare diverse configurazioni d’impianto e scenari operativi, consentendo un'analisi approfondita di metriche essenziali come l'efficienza di ciclo, la capacità di stoccaggio e i bilanci energetici. Attraverso uno caso studio su un progetto reale, lo strumento ha dimostrato di fornire informazioni affidabili sulle valutazioni del bilancio energetico, le simulazioni operative e le opportunità di ottimizzazione progettuale. La tesi identifica anche percorsi per lo sviluppo futuro della ricerca nel settore, e gli sviluppi raccomandati per il PSP Tool potrebbero ampliarne la funzionalità in linea con le esigenze in continua evoluzione dei moderni sistemi energetici. I risultati di questo studio evidenziano i pompaggi idroelettrici come una soluzione chiave per un futuro energetico sostenibile.