Riassunto attività svolte durante il corso di dottorato
Candidato:
Guido Francesco FrateSupervisore: Prof. Eng. Umberto Desideri
Titolo Tesi: Analysis of a pumped thermal electricity storage system with the integration of low temperature heat sources
Contenuto della tesi:
Dopo una rapida crescita iniziale delle fonti ad energia rinnovabile (RES), in cui i sistemi elettrici hanno dimostrato la capacità di assorbire la produzione da rinnovabile, sta ora iniziando una fase in cui è necessario impiegare ulteriore capacità di stoccaggio di energia sulle reti per bilanciare le fluttuazioni di produzione delle RES. Poiché i siti adatti agli impianti di stoccaggio basati su centrali idroelettriche sono già sfruttati al massimo, la ricerca si è volta a sviluppare tecnologie di stoccaggio alternative. Numerosi concetti tecnologici alternativi sono stati proposti, dai dispositivi elettrochimici alle applicazioni termomeccaniche. Tuttavia, quale potrebbe essere il successore del pompaggio idroelettrico è ancora una questione aperta. Per contribuire alla linea di ricerca delineata, in questa tesi viene proposta e analizzata una tecnologia innovativa di stoccaggio dell'energia elettrica potenzialmente adatta per applicazioni di grande taglia. Il sistema analizzato appartiene a una famiglia di tecnologie più ampia che comprende un gruppo eterogeneo di tecnologie basate sull'idea di immagazzinare energia elettrica sotto forma di energia termica. Questo gruppo di tecnologie è conosciuto in letteratura con diversi nomi, il più comune dei quali è Pumped Thermal Electricity Storage (PTES). Nonostante ciò, il nome "Carnot Batteries" sta ultimamente crescendo in popolarità e può essere trovato anch’esso in letteratura. Nei sistemi PTES, la fase di carica viene eseguita utilizzando una pompa di calore (HP), lo stoccaggio dell’energia è affidato ad uno storage termico (TES), che può stoccare calore latente o sensibile, e la fase di scarica viene eseguita tramite un motore termico (HES). In questa tesi, viene studiato un sistema basato su pompe di calore a compressione di vapore (VCHP) e cicli Rankine organici (ORC). La configurazione classica che si può trovare in letteratura è stata modificata per consentire alla pompa di calore di essere alimentata anche da fonti di calore a bassa temperatura, in modo che le prestazioni del sistema siano migliorate. L'utilizzo di ulteriori fonti di calore a bassa temperatura è stato chiamato Thermal Integration (TI): ciò ha portato allo sviluppo di un sistema TI-PTES. In questo caso, rispetto alle configurazioni PTES standard, la VCHP non sposta l'energia termica tra due serbatoi termici (caldo e freddo). Infatti, sfruttando gli ulteriori apporti di energia termica, la VCHP esegue un innalzamento della temperatura dell'energia termica fornita, che viene poi immagazzinata nel TES. Questa tecnica è nota in letteratura anche per applicazioni stand-alone, dal momento che può essere utilizzata per il recupero del calore di scarto industriale. Nel contesto industriale, i sistemi che eseguono questo recupero del calore sono chiamati pompe di calore ad alta temperatura (HTHP). Pertanto, in questa tesi viene proposto e studiato un sistema TI-PTES basato su HT-VCHP e ORC. Numerosi aspetti della progettazione di un sistema TI-PTES vengono analizzati nel dettaglio, dalla scelta dei fluidi di lavoro, all'ottimizzazione della progettazione del ciclo termodinamico. Nella tesi si assume un approccio multi-obiettivo in modo da caratterizzare i sistemi TI-PTES e HT-VCHP rispetto a diverse metriche di prestazione. Una parte della tesi è focalizzata sulla progettazione dei sistemi HT-VCHP per applicazioni stand alone e sulla loro analisi economica. Questo approccio è utile anche dal punto di vista dei sistemi TI-PTES in quanto la pompa di calore è il componente più critico ed il meno studiato dell’intero sistema. In conclusione, in questa tesi viene fornita un'analisi teorica dettagliata di un sistema TI-PTES. Vengono studiati numerosi aspetti di progettazione ed i trade-off che devono essere osservati tra i diversi parametri di prestazione sono caratterizzati grazie ad un approccio di analisi multi-obiettivo. Particolare attenzione è dedicata all'ottimizzazione del design termodinamico dei sottosistemi che compongono lo TI-PTES e all'analisi economica delle HT-VCHP. Un modello di costo per questo componente viene sviluppato e questo rappresenta un primo passo verso un modello di costo completo per il TI-PTES.
Articoli pubblicati:
o Riviste internazionali:
Frate, Guido Francesco, Antonelli, Marco, and Desideri, Umberto. (2017). A novel Pumped Thermal Electricity Storage (PTES) system with thermal integration. Applied
Thermal Engineering 121, 1051–1058. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2017.04.127.
Frate, Guido Francesco, Ferrari, Lorenzo, and Desideri, Umberto. (2019). Analysis of suitability ranges of high temperature heat pump working fluids. Applied Thermal
Engineering 150, 628–640. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2019.01.034.
Frate, Guido Francesco, Ferrari, Lorenzo, and Desideri, Umberto. (2020). Multi-criteria investigation of a pumped thermal electricity storage (PTES) system with thermal integration and sensible heat storage. Energy Conversion and Management 208, 112530. doi: 10.1016/j.enconman.2020.112530.
o Congressi internazionali:
Frate, Guido Francesco, Antonelli, Marco, and Desideri, Umberto. (2017). Pumped Thermal Electricity Storage: An interesting technology for power-to-heat applications. in ECOS 2017 - The 30th international conference on efficiency, COST, optimization,
simulation and environmental impact of energy systems, July 2 - July 6, 2017, San Diego,
California, USA.
Corsi seguiti:
o Corso di Inglese accademico (English for Research Publication and Presentation Purposes, level
C1)
o Fondamenti di reti neurali artificiali e algoritmi genetici (Fundamentals of artificial neural
networks and genetic algorithms)
o Fondamenti di ottimizzazione (Fundamentals of optimization) (esame non sostenuto)
o Fondamenti di ottimizzazione multi-obiettivo (Fundamentals of multi-objective optimization) (esame non sostenuto)
o PhD+ (edizione 2018)
o Corsi facenti parti della didattica trasversale: Scienza aperta e metriche alternative
I GIS come strumento di ricerca e di comunicazione
Assistenza tesi magistrali:
o Titolo: Ottimizzazione di un modulo ORC per il recupero del calore di scarto di una
microturbina alimentata a biogas. Studentessa: Elena Lucchesi.
o Titolo: Degradazione nel tempo delle performance di un ORC al variare della configurazione dei
parametri di progetto. Studente: Jacopo Fusani.
o Titolo: Design ottimizzato e caratterizzazione off-design di un sistema PTES di piccola taglia. Studente: Domenico Magliaro.
o Titolo: Sviluppo di un modello semplificato per la stima del consumo nei supermercati. Studente: Jonathan Strauss.
o Titolo: Studio di fattibilità di sistemi ibridi per la produzione elettrica su yacht di lusso. Studentessa: Alessia Girolami.
