Energy storage in multi-energy carrier communities: Li-ion batteries and hydrogen multi-physical details for integration into the planning stage

The energy transition process, towards a carbon-neutral society, is undergoing, yet, still at a gradual pace. To facilitate it, the implementation of sector coupling measures is required. While the primary type of sector coupling measure, i.e. end-users' electrification, is a straightforward option, supported by the rapid growth of renewable electricity production, however, it fails to meet the overall energy needs. To overcome such limitations, the second type of sector coupling measure, i.e. cross-vector integration, for example, adopting hydrogen integration, which enables the coupling of two different energy vectors (thermal and electrical energy), can assume a decisive role. Furthermore, the energy end-users' role must be reconsidered in the energy paradigm. Indeed, while they played as passive actors previously, as they would consume energy based on habits without doubting the consequences, now they would be actively involved, by locally producing the energy, sharing it and even trading it for economic revenues. Such a concept is the foundation of the Local Energy Communities (LEC). By the European Commission's definition, LECs are legal entities that encompass the production, distribution, and utilisation of diverse energy carriers. They aim to maximise local energy benefits, which include community sharing, bolstering energy independence from the national grid, reducing the community's carbon footprint, and enhancing energy flexibility. Moreover, energy storage systems are central to the adoption of LECs. Enabling the decoupling of production and consumption and unlocking cross-vector potential by the use of hydrogen or thermal energy vectors. With the ever-growing interest in this, also scientific research is thriving, indeed energy systems modelling, which is the research topic to assess the impact of such measures, to provide key insights to policymakers, supporting them in making energy-related decisions, has been gaining progressively emphasis.Moreover, energy systems modelling has different sub-categories. Indeed, from a system-level perspective, where the focus is on the interconnection of different energy assets, each of them modelled as a single entity, through the optimisation of the planning and scheduling of LECs, i.e. management of the synergies among various energy vectors, delivering the requested energy demands, in the most efficient way. Commonly, for LEC energy planning, a bottom-up approach is adopted, meaning the energy asset's details are first investigated, to be then connected with proper connections and limitations, finalising the whole energy community of interest. The dominant mathematical formulation used is Mixed Integer Linear Programming, with time-dependent data at hourly resolution spanning a one-year planning horizon minimum. However, there is a lack of proper models, that are capable of accommodating dynamic variations in input parameters, such as energy costs, and investments. Additionally, correlations among different technology deployments, are not widely discussed. From the technological perspective of energy system modelling, the single energy asset is studied in detail, with all its subcomponents. Nevertheless, many cross-vector technologies, like hydrogen-related energy conversion technologies, have not received comprehensive coverage in the energy system modelling literature, due to their technology readiness level. Likewise, the Li-ion battery, despite being a mature energy storage solution, its technology degradation is not sufficiently explored, especially in stationary applications within the LEC context, which affects the system level planning, causing a mismatch of financial assessment due to its premature replacement. To address these limitations, from both system and technological perspectives, this thesis serves as a comprehensive exploration of energy storage integration within Local Energy Communities. Specifically addressing hydrogen and Li-ion battery technology. Moreover, this work has the aim to bridge both the technology and system perspectives of energy planning, indeed, single system details and limitations are first analysed, to be considered further at the system level. From the system perspective, this work addresses the necessity of having optimal alternatives during the energy planning stage. Indeed, the correlation between different technologies that is usually hindered, can be unveiled, thanks to these alternatives. Furthermore, the inclusion of dynamic variations of input parameters, along with different investment stages over the planning horizon, is explored. As a demonstration of proposed methodologies, this thesis presents two distinct case studies, that effectively take into account both levels of detail (technological and system). The first reported case study concerns the optimal design of a green hydrogen production plant, which consists of an offshore wind turbine, and an alkaline electrolyser system with all its auxiliary components. The second case study instead, has the the objective of analysing long-term storage solutions for a fully electrical energy-independent LEC, through the comparison of hydrogen and Li-ion battery solutions, taking into account the challenges posed by battery degradation.

È in corso il processo di transizione energetica, verso una società carbon-neutral, tuttavia, ad un ritmo graduale. Per accelerarlo, è necessaria l'attuazione di misure di sector coupling. Sebbene il tipo principale sector coupling, ossia l'elettrificazione degli utenti finali, sia un'opzione semplice, sostenuta dalla rapida crescita della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, non riesce tuttavia a soddisfare il fabbisogno energetico complessivo. Per ovviare a tali limitazioni, il secondo tipo di misura di sector coupling, ovvero l'integrazione cross-vettoriale, ad esempio l'adozione dell'integrazione dell'idrogeno, che consente l'accoppiamento di due diversi vettori energetici (energia termica ed elettrica), può assumere un ruolo decisivo. Inoltre, il ruolo degli utenti finali dell'energia deve essere riconsiderato nel paradigma energetico. Infatti, mentre prima avevano ruolo di tipo passivo, in quanto consumavano energia in base alle abitudini senza dubitare delle conseguenze, ora sarebbero coinvolti attivamente, producendo localmente l'energia, condividendola e persino scambiandola a fronte di entrate economiche. Tale concetto è alla base delle Comunità Energetiche Locali (LEC). Secondo la definizione della Commissione europea, i LEC sono entità giuridiche che comprendono la produzione, la distribuzione e l'utilizzo di diversi vettori energetici. Mirano a massimizzare i benefici energetici locali, che includono la condivisione della comunità, il rafforzamento dell'indipendenza energetica dalla rete nazionale, la riduzione delle emissioni della comunità e il miglioramento della flessibilità energetica. Inoltre, i sistemi di accumulo di energia sono fondamentali per l'adozione dei LEC. Consentono infatti il disaccoppiamento tra produzione e consumo e con il potenziale cross-vector mediante l'uso di idrogeno o Power-to-Heat. Con l'interesse sempre crescente per questo approccio, anche la ricerca scientifica è fiorente, infatti la modellazione dei sistemi energetici, che è l'argomento di ricerca per valutare l'impatto di tali misure, per fornire spunti chiave ai policy makers, supportandoli nel prendere decisioni relative all'energia, sta guadagnando progressivamente importanza. Inoltre, la modellazione dei sistemi energetici ha diverse sottocategorie. Infatti, da un punto di vista sistemico, dove l'attenzione è rivolta all'interconnessione di diversi asset energetici, ognuno dei quali modellato come un'unica entità, attraverso l'ottimizzazione della pianificazione e della schedulazione dei LEC, ovvero la gestione delle sinergie tra i vari vettori energetici, soddisfacendo nel modo più efficiente il fabbisogno energetico richiesto. Comunemente, per la pianificazione energetica LEC, viene adottato un approccio bottom-up, il che significa che i dettagli dell'asset energetico vengono prima indagati, per poi essere collegati con connessioni e limitazioni adeguate, finalizzando l'intera comunità energetica di interesse. La formulazione matematica dominante utilizzata è la programmazione lineare intera mista, con dati dipendenti dal tempo a risoluzione oraria che coprono un orizzonte di pianificazione minimo di un anno. Tuttavia, mancano modelli adeguati, in grado di adattarsi alle variazioni dinamiche dei parametri di input, come i costi energetici, e gli investimenti. Inoltre, le correlazioni tra le diverse implementazioni tecnologiche non sono ampiamente discusse. Dal punto di vista tecnologico della modellazione del sistema energetico, viene studiato nel dettaglio il singolo asset energetico, con tutti i suoi sottocomponenti. Ciononostante, molte tecnologie cross-vettoriale, come le tecnologie di conversione dell'energia legate all'idrogeno, non hanno ricevuto una copertura completa nella letteratura sulla modellazione del sistema energetico, a causa del loro livello di maturità tecnologica. Allo stesso modo, la batteria agli ioni di litio, nonostante sia una soluzione matura per l'accumulo di energia, la sua degradazione non è sufficientemente esplorata, soprattutto nelle applicazioni stazionarie nel contesto LEC, il che influisce sulla pianificazione a livello di sistema, causando una discrepanza nella valutazione finanziaria a causa della sua sostituzione prematura. Per affrontare queste limitazioni, sia dal punto di vista del sistema che da quello tecnologico, questa tesi serve come un'esplorazione completa dell'integrazione dell'accumulo di energia all'interno delle comunità energetiche locali. Affrontando in particolare la tecnologia a idrogeno e agli ioni di litio. Inoltre, questo lavoro ha l'obiettivo di colmare sia la prospettiva tecnologica che quella di sistema della pianificazione energetica, infatti, vengono prima analizzati i dettagli e i limiti dei singoli sistemi, da considerare successivamente a livello di sistema. Dal punto di vista del sistema invece, questo lavoro affronta la necessità di avere alternative ottimali durante la fase di pianificazione energetica. Infatti, la correlazione tra le diverse tecnologie che di solito è nascosta, può essere svelata, grazie a queste alternative. Inoltre, viene esplorata l'inclusione di variazioni dinamiche dei parametri di input, insieme a diverse fasi di investimento nell'orizzonte di pianificazione. A dimostrazione delle metodologie proposte, questa tesi presenta due distinti casi di studio, che tengono efficacemente conto di entrambi i livelli di dettaglio (tecnologico e di sistema). Il primo caso di studio riportato riguarda la progettazione ottimale di un impianto di produzione di idrogeno verde, costituito da una turbina eolica offshore, e da un sistema di elettrolizzatori alcalini con tutti i suoi componenti ausiliari. Il secondo caso di studio, invece, ha l'obiettivo di analizzare soluzioni di accumulo a lungo termine per un LEC completamente indipendente dall'energia elettrica, attraverso il confronto tra soluzioni di batterie a idrogeno e agli ioni di litio, tenendo conto delle sfide poste dal degrado delle batterie.