Heat-integrated CO2-based Carnot batteries for power and heat in renewable energy markets

The thesis explores a large-scale energy storage solution that stores electric energy via a power-to-heat-to-power approach, As the world transitions away from fossil fuels to renewable energy sources for environmental and energy security reasons, three major challenges emerge. First, renewable energy sources are intermittent and unpredictable. A storage system is essential to buffer and match energy demand with supply. Second, the production of industrial-level heat, which has historically relied on burning fossil fuels, needs to be reimagined using renewable energy. Third, existing infrastructure designed for power generation through fossil fuels must be adapted to work with renewable energy sources. These challenges can be addressed simultaneously by power-to-heat-to-power systems or “Heat batteries," commonly referred to as Carnot batteries. With storage capacities in the gigawatt-hour (GWh) range, Carnot batteries can smooth out the mismatch between renewable energy production and demand, providing large-scale grid flexibility also being these storage solutions based on rotating machines power cycles. By storing energy as heat, they can directly supply on-demand heat for energy-intensive industries too, thus opening the opportunities for such storages to work in a sector coupling approach . Furthermore, since this technology employs thermodynamic cycles and equipment similar to those used in fossil fuel based systems, it has the potential to repurpose existing fossil fuel infrastructure efficiently as well as to provide grid services currently provided by this type of plants. This thesis therefore emphasis on the role of Carnot batteries in renewable energy systems, discussing large scale storage with ability to supply heat to industrial systems and potential for waste heat integration (Chapter 1). Carnot battery, the power to heat to power and heat solution has been described with all its nomenclature in detail (Chapter 2). A comparative analysis of Carnot batteries against other large-scale energy storage technologies is presented, benchmarking their performance against alternative solutions, mostly privileging power-to-heat-to-power solutions based on off-the-shelf turbomachinery (Chapter 3). The candidature of supercritical CO₂ as a working fluid for this technology is explored in detail as well (Chapter 4). Thermal integration of Carnot batteries and its potential benefits—such as enabling the electrification of industrial waste heat and improving the round-trip efficiency of the system—are discussed and presented as key assets to make this type of storage more techno-economically viable (Chapter 5). Various layouts for utilizing thermal integration across different applications are also introduced (Chapter 6). Additionally, the thesis elaborates on the dispatch of electricity and heat by thermally integrated Carnot batteries, with a focus on minimizing the levelized cost of electricity and heat (Chapter 7). Beyond cost minimization, the impact of electricity dispatch on reducing carbon emissions is thoroughly analyzed for various EU energy markets (Chapter 8). Finally, the thesis covers the design and off-design considerations for a test rig of a thermally integrated Carnot battery, for which the experimental test rig will be deployed at the UNIGE premises as part of the HORIZON EUROPE project, sCO2OPTES(Chapter 9 and 10). Overall, the thesis presents the wholistic picture of sCO2 based heat integrated Carnot battery technology for a renewable energy market, pointing out the advantages and highlighting the challenges of different prospects of the technology.

La tesi esplora una soluzione di stoccaggio energetico su larga scala che immagazzina energia elettrica tramite un approccio power-to-heat-to-power. Con il passaggio globale dai combustibili fossili alle energie rinnovabili per motivi ambientali e di sicurezza energetica, emergono tre sfide principali. Prima di tutto, le fonti di energia rinnovabile sono intermittenti e imprevedibili. Un sistema di stoccaggio è essenziale per tamponare e allineare la domanda di energia con l'offerta. In secondo luogo, la produzione di calore a livello industriale, che storicamente si è basata sulla combustione di combustibili fossili, deve essere ripensata utilizzando energia rinnovabile. Infine, le infrastrutture esistenti progettate per la generazione di energia tramite combustibili fossili devono essere adattate per funzionare con fonti di energia rinnovabili. Queste sfide possono essere affrontate simultaneamente dai sistemi power-to-heat-to-power, o “batterie di calore”, comunemente chiamate batterie di Carnot. Con capacità di stoccaggio nell'ordine dei gigawattora (GWh), le batterie di Carnot possono appianare il disallineamento tra produzione e domanda di energia rinnovabile, fornendo flessibilità su larga scala alla rete e al contempo utilizzando cicli termodinamici basati su macchine rotanti. Immagazzinando energia sotto forma di calore, possono anche fornire calore a domanda per industrie ad alta intensità energetica, aprendo così opportunità per tali stoccaggi di operare in un approccio di accoppiamento settoriale. Inoltre, poiché questa tecnologia impiega cicli termodinamici e attrezzature simili a quelle utilizzate nei sistemi basati sui combustibili fossili, ha il potenziale di riutilizzare in modo efficiente le infrastrutture esistenti basate sui combustibili fossili, fornendo anche i servizi di rete attualmente offerti da questo tipo di impianti. La tesi quindi enfatizza il ruolo delle batterie di Carnot nei sistemi di energia rinnovabile, discutendo lo stoccaggio su larga scala con la capacità di fornire calore per i sistemi industriali e il potenziale di integrazione del calore di scarto (Capitolo 1). La batteria di Carnot, la soluzione power-to-heat-to-power e il calore sono descritti in dettaglio con tutta la loro terminologia (Capitolo 2). Un'analisi comparativa delle batterie di Carnot rispetto ad altre tecnologie di stoccaggio su larga scala viene presentata, confrontando le loro performance rispetto ad altre soluzioni, privilegiando soprattutto le soluzioni power-to-heat-to-power basate su turbomacchine commerciali (Capitolo 3). La candidatura del CO₂ supercritico come fluido di lavoro per questa tecnologia è esplorata in dettaglio (Capitolo 4). L'integrazione termica delle batterie di Carnot e i suoi potenziali benefici—come abilitare l'elettrificazione del calore di scarto industriale e migliorare l'efficienza di ritorno del sistema—vengono discussi e presentati come risorse chiave per rendere questa tipologia di stoccaggio più economicamente e tecnologicamente vantaggiosa (Capitolo 5). Vengono introdotti anche vari layout per l'utilizzo dell'integrazione termica in diverse applicazioni (Capitolo 6). Inoltre, la tesi esamina la gestione della distribuzione di elettricità e calore dalle batterie di Carnot termicamente integrate, con un focus sulla minimizzazione del costo livellato di elettricità e calore (Capitolo 7). Oltre alla minimizzazione dei costi, l'impatto della distribuzione di elettricità sulla riduzione delle emissioni di carbonio viene analizzato in modo approfondito per diversi mercati energetici dell'UE (Capitolo 8). Infine, la tesi copre la progettazione e le considerazioni fuori progetto per un impianto di prova di una batteria di Carnot termicamente integrata, che verrà implementato presso i locali del UNIGE nell'ambito del progetto HORIZON EUROPE, sCO2OPTES (Capitoli 9 e 10). In generale, la tesi presenta una panoramica complessiva della tecnologia delle batterie di Carnot basate su CO₂ supercritico e integrate termicamente per un mercato energetico rinnovabile, evidenziandone i vantaggi e le sfide dei diversi aspetti della tecnologia.