Modellizzazione di sistemi di storage energetico avanzati: approcci all'idrogeno compresso e al calore latente

Environmental degradation and the increase in the world population made it necessary to develop new green solutions in recent days. The key strategy seems to be using renewable energies, but their fluctuation over time and geography needs to realize efficient long-term storage. Researchers all over the world are working on solutions to this topic to develop cost-effective, virtually lossless Energy Storage Systems able to absorb and release large amounts of electrical energy. Accordingly, the main goal of the research activity reported in this thesis is to investigate the most promising solutions for long-term energy storage to increase the use of renewable energy. Power-to-X-to-Power solutions convert electrical energy into different energy forms (compressed hydrogen, thermal energy, compressed air), which are efficiently storable, and reconverted into electrical energy when needed. Large-scale hydrogen storage is a promising green solution for energy storage in balancing intermittent renewable electricity production. The Ph.D. research activity started by investigating hydrogen and its technologies, first of all, fuel cell systems. These devices convert the chemical energy of a fuel directly into electricity and are already used in many applications (e.g., hybrid electric vehicles, portable devices, marine powerplants and stationary off-grid or UPS). Fuel cells were studied firstly considering how to design a stack, then focusing on strategies for improving diagnostics. To this end, fuel cells were mathematically modeled by a Fractional-Order Transfer Function in order to identify the fuel cell behavior in a set of working points; furthermore, fuel cell fault was analyzed for developing a neural network algorithm able to predict the degradation curve of a stack. In addition to fuel cell systems, the research involved the Electrochemical Hydrogen Compressor to overcome problems about hydrogen's small volumetric energy density and mechanical compressors' low efficiency. The Electrochemical Hydrogen Compressor was studied, first from an electrochemical point of view, then performing the structural analysis of a system operating at 700 bar. The third part of the Ph.D. research activity focused on Power-to-Heat-to-Power storage systems. The Latent Heat Thermal Energy Storage alternative is investigated, first modeling a phase change process from an analytical point of view, then numerically simulating the same physical problem and comparing results in order to validate the numerical model. Finally, the discharging process was simulated in order to evaluate the most efficient structure in terms of maximum average discharging power. Some Thermal Energy Storage systems allow to ideally reach roundtrip efficiency of up to 100% and are therefore potentially suitable to resolve the energy storage issue.

Il degrado ambientale e l'aumento della popolazione mondiale hanno reso necessario lo sviluppo di nuove soluzioni green. La strategia chiave sembra essere l'utilizzo di energie rinnovabili, ma la loro fluttuazione tempo e luogo dipendente richiede uno stoccaggio efficiente nel lungo periodo. I ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando per sviluppare sistemi di accumulo di energia efficienti e privi di perdite, in grado di assorbire e rilasciare grandi quantità di energia. Di conseguenza, l'obiettivo principale dell'attività di ricerca riportata in questa tesi è stato quello di analizzare le soluzioni più promettenti per lo stoccaggio di energia a lungo termine al fine di aumentare l'uso di energia rinnovabile. Le soluzioni Power-to-X-to-Power convertono l'energia elettrica in diverse forme di energia (idrogeno compresso, energia termica, aria compressa), che sono immagazzinabili in modo efficiente, e successivamente riconvertite in energia elettrica quando necessario. Lo stoccaggio di idrogeno su larga scala è una soluzione green promettente per l'immagazzinamento di energia per bilanciare la produzione intermittente di elettricità rinnovabile. L'attività di ricerca del dottorato è iniziata con lo studio dell'idrogeno e delle sue tecnologie (in primis i sistemi a fuel cell). Questi dispositivi convertono l'energia chimica di un carburante direttamente in elettricità e sono già utilizzati in molte applicazioni (ad esempio, veicoli elettrici ibridi, dispositivi portatili, centrali elettriche marine e stationary off-grid o UPS). Le fuel cell sono state studiate in primo luogo considerando come progettare uno stack, quindi concentrandosi sulle strategie per migliorare la diagnostica. A tal fine, le fuel cell sono state modellizzate matematicamente mediante una funzione di trasferimento di ordine frazionario non intero per identificare il comportamento delle fuel cell in un insieme di punti di lavoro; inoltre, è stato studiato il fault di una fuel cell al fine di sviluppare un algoritmo, basato su rete neurale, capace di prevedere la curva di degradazione di uno stack. Oltre ai sistemi a fuel cell, la ricerca ha coinvolto il compressore elettrochimico di idrogeno per superare i problemi relativi alla bassa densità di energia volumetrica dell'idrogeno e alla bassa efficienza dei compressori meccanici. Il compressore elettrochimico di idrogeno è stato studiato prima dal punto di vista elettrochimico, poi effettuando l'analisi strutturale di un sistema funzionante a 700 bar. La terza parte dell'attività di ricerca del dottorato si è focalizzata sui sistemi di accumulo Power-to-Heat-to-Power. È stata valutata la soluzione che prevede l'accumulo di energia termica sotto forma di calore latente, prima modellizzando un processo di cambiamento di fase dal punto di vista analitico, quindi simulando numericamente lo stesso problema fisico e confrontando i risultati per validare il modello numerico. Infine, è stato simulato il processo di scarica per valutare la struttura più efficiente in termini di potenza media massima di scarica. Alcuni sistemi di accumulo di energia termica consentono di raggiungere idealmente un'efficienza di roundtrip del 100% e sono quindi potenzialmente idonei a risolvere il problema dell'accumulo energetico.