• Accumulo energetico ad aria compressa
• Advanced-Adiabatic-CAES
• CAES
• CAES-Adiabatico Avanzato
• Compressed Air Energy Storage
• Control Strategies
• Dynamic Modeling
• mini-CAES
• mini-CAES
• Modellazione Dinamica
• Strategie di controllo
• Throttling Valve
• valvola di laminazione
• Variable Speed
• Velocità di rotazione variabile

Con l’aumento della penetrazione delle rinnovabili nella rete elettrica legato al tentativo di rispettare gli obiettivi ambientali limitando sempre più le emissioni di gas serra, lo studio dei possibili accumuli energetici risulta essenziale. Le fonti rinnovabili presentano infatti come caratteristica intrinseca la non controllabilità né da punto di vista dell’intensità della produzione né dal punto di vista temporale; per aumentare ulteriormente la quota di produzione da queste, l’accumulare energia elettrica in surplus rispetto al fabbisogno per utilizzarla in un momento successivo di scarsità diventa indispensabile.
La maggiore produzione da rinnovabile impone anche un cambio di paradigma nella rete elettrica dal momento che si sta passando dall’avere poche centrali di produzione ad una generazione distribuita; da qui la necessità di accumulare energia localmente senza farle percorrere grandi distanze e di conseguenza il rinnovato interesse sugli accumuli di medio-piccola taglia.
Esistono molte tipologie di accumuli energetici elettrici che differiscono in taglia e quantità di energia accumulabile tra cui accumuli sotto forma meccanica (pompaggio idroelettrico, volani, CAES), sotto forma elettromagnetica (super-capacitori e SMES), di natura elettrochimica (batterie) e sistemi più complessi che prevedono l’impiego di vettori intermedi come ad esempio l’idrogeno. Sulla piccola taglia ad oggi gli studi sono perlopiù concentrati sulle batterie in quanto hanno un buon rendimento di roundtrip ma al tempo stesso presentano grandi criticità tra cui la vita media, il deterioramento per scarica profonda o il funzionamento in condizioni estreme; da qui la volontà di studiare soluzioni alternative in grado di migliorare le altre tipologie di accumuli energetici rendendole più competitive o più idonee in determinati contesti.
Nella tesi sono state investigate alcune delle possibili strategie di controllo per un impianto di accumulo elettrico non convenzionale della tipologia AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) di piccola taglia con serbatoio dell’aria di natura artificiale. Al fine di aumentare la densità energetica dell’accumulo, vengono raggiunte alte pressioni all’interno del serbatoio e il range di pressioni per cui l’impianto viene utilizzato è ampio. L’ampio range di pressioni di funzionamento implica il frequente esercizio dell’impianto in condizioni lontane da quelle di progetto; si aprono pertanto margini di miglioramento delle prestazioni nelle due fasi.
L’analisi delle prestazioni dell’impianto e quindi la verifica dell’efficacia delle strategie di controllo investigate è stata condotta mediante la costruzione di un modello dinamico avvalendosi del software Amesim.
Essendo la taglia dell’impianto analizzato inferiore ai 500 kW, è possibile pensare all’utilizzo del controllo della velocità di rotazione delle macchine (sia del treno di compressione che dei generatori).
È stato inoltre investigata una strategia innovativa per la fase di carica che prevede l’introduzione di una valvola di laminazione tra il terzo stadio di compressione volumetrico e il serbatoio al fine di far lavorare il treno di compressione in condizioni prossime a quelle di progetto quando altrimenti il serbatoio avrebbe imposto l’esercizio in condizioni di off-design spinto.
Dalle simulazioni risulta che la strategia che prevede l’uso combinato della valvola di laminazione e della variazione del numero di giri risulta migliorativa sia per la fase di carica che per quella di scarica anche se per quest’ultima i vantaggi sono minimi. I sensibili vantaggi dell’utilizzo della valvola di laminazione per la fase di carica si riscontrano sia nel caso in cui non sono presenti vincoli sulla potenza assorbita che nel caso di profilo di potenza da inseguire.
È stato inoltre osservato dalle simulazioni che l’impianto risulta in grado di seguire carichi molto variabili sia nella fase di carica che di scarica.



For the increase of energy production from renewable sources aimed to reduce greenhouse gas emissions, the analysis of energy storage is essential. Renewable sources in fact are characterised by the impossibility to control when to produce energy and how much energy to produce. In order to increase the amount of the energy production from renewables, storing electric energy in surplus is essential, so that it can be used in a following period, when necessary.
Renewables demand a new paradigm for the electric grid because of the transition from a few productive centres to distributed generation. This need for storing energy also locally increases the interest in medium-small size energy storage.
There are many kinds of energy storage that differ in size and in the amount of accumulable energy, such as mechanical storage (Pumped Hydro, Flywheels, CAES), electromagnetic storage (Super-capacitors, SMES), electrochemical storage (Batteries) and more difficult systems that use for example Hydrogen.
Nowadays, batteries are considered the most important small-size storages because of the high roundtrip efficiency but they also have some critical aspects such as short life, damage for deep discharge or operating problems in extreme conditions. For this reason, research focuses also on the other kind of energy storage looking for new strategies to improve their performances.
My thesis analyzes some new control strategies for a small size AA-CAES plant (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) with the air storage above-ground.
In order to increase the energy density of the storage, high pressures are reached inside the vessel and the operating range of pressure of the plant is wide, therefore it often works in off-design conditions; for this reason, it’s possible to improve the performance of both the phases (charge and discharge).
The effectiveness of the control strategies analysed has been possible thanks to the building of a dynamic model of the designed plant using the software Amesin.
Being the power of the plant lower than 500 kW, variable speed is a possible control strategy and can be used both.
A novel strategy has been analyzed for the compression phase: the introduction of a throttling valve between the third stage of the reciprocating compressor and the air vessel in order to make the compressor work close to the design point even though, according to the pressure inside the vessel, it couldn’t.
The simulations show that the control strategy that uses both the throttling valve and the variable speed improves the performance of both the phases even though in the discharge phase the advantages are quite low. The advantages obtained by using the throttling valve during the charge phase instead, are wide both when there aren’t constraints on the adsorbed power and when there’s a power profile to follow.
It has been also noticed by the simulations done, that the designed mini-CAES is able to follow quite changeable power profiles in both the phases.