Liquefazione dell'aria per lo stoccaggio energetico: valutazione della configurazione ottimale con simulazione su Aspen Plus = Liquid Air Energy Storage: evaluation of optimal configuration based on Aspen Plus simulation

Il cammino verso la decarbonizzazione sta impattando in maniera considerevole sul settore energetico, incentivando la produzione di energia da fonti rinnovabili con l’ambizioso obiettivo di abbandonare i combustibili fossili. Da qui l’importanza dei sistemi di stoccaggio, fondamentali per il futuro dell’energia rinnovabile avendo essi il compito di immagazzinare l’elettricità durante i periodi di picco per poi renderla disponibile all’occorrenza, contribuendo a stabilizzare la rete elettrica e compensando l’intermittenza caratteristica di questa tipologia di fonti. In questo contesto, il sistema LAES (Liquid Air Energy Storage) è recentemente emerso come promettente soluzione tecnologica, proponendo lo stoccaggio di energia sotto forma di aria liquida. In linea generale il funzionamento di questi impianti può essere suddiviso in tre diverse fasi: carica, stoccaggio e rilascio. Durante il processo di carica il sistema si sfrutta il surplus di energia per liquefare l’aria, la quale viene stoccata in condizioni criogeniche in un apposito serbatoio. All’occorrenza avviene poi il processo di scarica, durante il quale il liquido criogenico assorbendo calore si trasforma in un gas ad alta pressione che viene incanalato in turbina per la produzione di energia elettrica. Il processo LAES è caratterizzato da un’elevata densità energetica e dall’indipendenza geografica, di contro presenta una bassa efficienza di round trip, indicatore comunemente utilizzato per valutare la resa energetica degli impianti LAES di tipo stand-alone, tipicamente al di sotto del 50%. L’obiettivo della tesi è quello di confrontare i tre cicli di liquefazione tipicamente impiegati negli impianti LAES determinando quali siano i parametri termodinamici principali e ricavando i valori che ottimizzano le prestazioni del processo, al fine di individuare la configurazione ottimale. L’elaborato si compone in una parte introduttiva nella quale viene discussa la necessità di una transizione del settore energetico verso sistemi rinnovabili, viene accennato come questo obiettivo venga affrontato dalle istituzioni a livello globale, europeo e italiano, e viene fatta una panoramica sull’evoluzione del sistema energetico attuale. Dalla trattazione si evidenzia un crescente bisogno di sistemi di stoccaggio energetico adeguati, vengono quindi approfondite le tecnologie esistenti e quelle in via di sviluppo, tra le quali emerge il sistema LAES. Si prosegue con una descrizione del funzionamento di questo processo, lo stato dell’arte, una panoramica degli impianti attualmente esistenti e delle prospettive future, un approfondimento sui cicli di liquefazione e un riepilogo dei principali sistemi di ricircolo dei flussi termici impiegati per questa applicazione. Viene quindi condotta una simulazione di processo tramite il software APSEN PLUS, utilizzando come metodo di risoluzione PENG-ROB e validando i dati mediante un’accurata ricerca bibliografica. In particolare è stato approfondito il funzionamento dei cicli Linde, Claude e Kapitza per la liquefazione dell’aria. Resa liquida, efficienza di round-trip ed efficienza exergetica sono stati valutati al variare della pressione operativa e, dove applicabile, della frazione di ricircolo.