Techno-economic analysis of transcritical Carnot Battery systems with multi-tank thermal energy storage

The increasing penetration of renewable energy sources in the electrical grid requires large-scale energy storage systems to manage production intermittency. This thesis presents a comprehensive techno-economic analysis of transcritical Carnot battery systems employing CO₂ and propane as working fluids, aimed at optimizing pumped thermal energy storage systems for grid-scale applications. The study investigates a system with a size of 50 MW electrical power in charge and 8-hour storage duration through MATLAB simulations, with thermophysical properties calculated via REFPROP to ensure accuracy in both subcritical and supercritical regions. The methodology integrates thermodynamic design of transcritical cycles, detailed component sizing, and techno-economic optimization of the high-temperature thermal storage system. A distinctive aspect of this work is the adoption of a multi-tank configuration for the hot thermal storage, which enables improved temperature profile matching between the working fluid and storage medium. This study evaluates the impact of the optimal number of hot storage tanks on both system performance and economic viability. Another novel feature of this work is the investigation of different operational configurations, including both equal charge-discharge durations and asymmetric configurations with reduced discharge duration, aimed at maximizing revenues by exploiting intra–daily electricity price peaks. The economic assessment comprehends capital expenditure estimation for all components and annual profitability evaluation under different electricity price scenarios and different design configurations. These results indicate the potential for this technology to achieve cost competitiveness within the projected high-renewable penetration landscape.

La crescente penetrazione di fonti energetiche rinnovabili nella rete elettrica richiede sistemi di accumulo energetico su larga scala per gestire l'intermittenza della produzione. Questa tesi presenta un'analisi tecnico-economica di sistemi Carnot battery transcritici che impiegano CO₂ e propano come fluidi di lavoro, finalizzata all'ottimizzazione di PTES per applicazioni grid-scale. Lo studio analizza un sistema con una potenza elettrica di 50 MW in carica e 8 ore di durata di accumulo attraverso simulazioni MATLAB, con proprietà termofisiche calcolate tramite REFPROP per garantire accuratezza sia in regioni subcritiche che supercritiche. La metodologia integra il design termodinamico dei cicli transcritici, il dimensionamento degli scambiatori e l'ottimizzazione tecnico-economica del sistema di accumulo termico ad alta temperatura. Un aspetto distintivo di questo lavoro è l'implementazione di una configurazione multi-serbatoio per l'accumulo termico caldo, che consente un migliore accoppiamento del profili di temperatura di fluido di lavoro e fluido di accumulo. Questo lavoro valuta l'impatto dell'ottimizzazione del sistema di accumulo caldo sia sulle prestazioni termodinamiche che sulla fattibilità economica. Un'altra caratteristica innovativa è l'analisi di diverse configurazioni operative, includendo sia durate di carica-scarica uguali che configurazioni asimmetriche con durata di scarica ridotta, con l'obiettivo di massimizzare i ricavi sfruttando i picchi giornalieri del prezzo dell'elettricità. La valutazione economica comprende la stima dei costi totali del sistema e la valutazione della redditività annuale in diversi scenari di prezzo dell'elettricità e diverse configurazioni termodinamiche. I risultati mostrano la possibilità di conseguire una competitività economica in un prospetto futuro caratterizzato da elevati livelli di penetrazione di fonti rinnovabili.