The role of long-duration energy storage in renewable energy systems

This thesis work has the objective of understanding the role of long-term energy storage systems in renewable energy systems. As the share of renewable generation increases, the need for seasonal energy shifting becomes greater and long-term energy storage systems are one of the technologies able to provide this service, allowing us to make RES generation dispatchable. We implemented the optimization model of a simple grid-connected energy system with PV generation, short-term lithium-ion batteries, and long-term hydrogen storage, and we studied its design and operation optimization under different constraints on emissions and curtailment. The work introduces a novel approach to the modelling of the long-term energy storage system, improving the model found in literature to make it more realistic. The results indicate that emissions can be more than halved with no significant need for long-term energy storage. However, the need for long-term energy storage providing seasonal energy shifting grows exponentially as we approach carbon neutrality. Increasing curtailment helps reducing costs if kept under a maximum threshold value which has been identified. Moreover, the effect of curtailment on long-term storage capacity is significant as it delays to lower emission levels the need to install it and decreases its maximum capacity at zero emissions.

Questo lavoro di tesi ha l'obiettivo di comprendere il ruolo dei sistemi di accumulo di energia a lungo termine nei sistemi di energie rinnovabili. Con l'aumento della quota di generazione rinnovabile, la necessità di spostare l'energia stagionalmente diventa maggiore e i sistemi di accumulo di energia a lungo termine sono una delle tecnologie in grado di fornire questo servizio, consentendo di rendere la generazione da FER dispacciabile. Abbiamo implementato il modello di ottimizzazione di un semplice sistema energetico connesso alla rete con generazione fotovoltaica, batterie agli ioni di litio a breve termine e accumulo di idrogeno a lungo termine, e abbiamo studiato la sua progettazione e l'ottimizzazione del funzionamento in base a diversi vincoli sulle emissioni e sulla decurtazione. Il lavoro introduce un nuovo approccio alla modellazione del sistema di accumulo energetico a lungo termine, migliorando il modello presente in letteratura per renderlo più realistico. I risultati indicano che le emissioni possono essere più che dimezzate senza che sia necessario uno stoccaggio di energia a lungo termine. Tuttavia, la necessità di uno stoccaggio di energia a lungo termine che fornisca uno spostamento stagionale dell'energia cresce in modo esponenziale man mano che ci si avvicina alla neutralità del carbonio. L'aumento del curtailment aiuta a ridurre i costi se mantenuto al di sotto di un valore soglia massimo che è stato identificato. Inoltre, l'effetto della decurtazione sulla capacità di stoccaggio a lungo termine è significativo, in quanto ritarda a livelli di emissioni inferiori la necessità di installarlo e diminuisce la sua capacità massima a emissioni zero.