Modeling, Design, and Optimization of Multi-Energy Systems
Author(s)
Rosati, Alessandro
Date Issued
July 17, 2023
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Multi-energy systems are energy systems whereby several types of energy interact optimally each others at various levels. Such systems have a pivotal role in the current global energy transition towards an increasingly
sustainable energy sector and distributed generation. However, the full potential of these systems can be achieved only through accurate modeling, design, and optimization operations. In fact, such processes can quantify the performance and the economic and environmental advantages of the elements that compose the multi-energy systems. The analyses must consider the individual elements, their insertion in the system, and therefore the interactions with other components.
Specifically, this thesis studies several technologies: (i) renewable energy sources, (ii) storage systems, (iii) alternative mobility, and (iv) hydrogen elements. Each of them has several peculiarities and critical issues to analyse. Chapter 1 evaluates the economic and environmental impact of the integration of a Li-Ion battery-based electricity storage in a residential context, for several battery capacities and climates. The aim is to determine a climate independent scaling law for the optimization of a battery energy storage system in a residential environment. Chapter 2 examines a condominium system for shared charge of electric vehicles implementing a rule-based logic and a pricing policy aimed at the intelligent use of the available energy and infrastructures. The proposed peer-to-peer charging strategy could be a crucial element for the energy communities. Chapter 3 studies the conversion of a commercial electric moped (Askoll eS3®) in a fuel cell hybrid-light electric vehicle. An optimization methodology based on backward dynamic programming allows to determine the optimal components design. Such optimal design and operation strategy can be also implemented with a rule-based approach. Chapter 4 evaluates a non-dimensional methodology to feature the operation of several cylindrical metal hydride-phase change material hydrogen tank layouts and to establish the optimal configuration in terms of power and charge/discharge time. In detail, 13 non-dimensional parameters which completely describe the process are determined through the Buckingham theorem. Finally, the presented methodology is applied to analyse the impact of such parameters on a baseline design metal hydride-phase change material system.
I sistemi multi-energy sono sistemi energetici in cui diversi tipi di energia interagiscono in modo ottimale tra loro a vari livelli. Tali sistemi hanno un ruolo centrale nell'attuale transizione energetica globale. Tuttavia, il pieno potenziale di questi sistemi può essere raggiunto solo attraverso accurate operazioni di modellazione, progettazione e ottimizzazione. Infatti, tali processi possono quantificare le prestazioni e i vantaggi economici e ambientali degli elementi che compongono i sistemi multi-energy. Le analisi devono considerare i singoli elementi, il loro inserimento nel sistema e quindi le interazioni con gli altri componenti.
Nello specifico, questa tesi studia diverse tecnologie: (i) fonti energetiche rinnovabili, (ii) sistemi di accumulo, (iii) mobilità alternativa e (iv) elementi a idrogeno. Ognuna di esse presenta diverse peculiarità e criticità da analizzare. Il capitolo 1 valuta l'impatto economico e ambientale dell'integrazione di un sistema di accumulo di energia elettrica basato su batterie agli ioni di litio in un contesto residenziale, per diverse capacità di batterie e climi. L'obiettivo è quello di determinare una legge di scala indipendente dal clima per l'ottimizzazione di un sistema di accumulo di energia a batteria in un contesto residenziale.
Il capitolo 2 esamina un sistema condominiale per la ricarica condivisa di veicoli elettrici che implementa una logica basata su regole e una politica di prezzi finalizzata all'uso intelligente dell'energia e delle infrastrutture disponibili. La strategia di ricarica peer-to-peer proposta potrebbe essere un elemento cruciale per le comunità energetiche. Il capitolo 3 studia la conversione di un ciclomotore elettrico commerciale (Askoll eS3®) in un veicolo ibrido-leggero a celle a combustibile. Una metodologia di ottimizzazione basata sulla programmazione dinamica a ritroso permette di determinare la progettazione ottimale dei componenti. Tale strategia ottimale di progettazione e funzionamento può essere implementata anche con un approccio basato su regole. Il capitolo 4 valuta una metodologia non dimensionale per caratterizzare il funzionamento di diversi layout cilindrici di serbatoi di idrogeno a idruro metallico e materiale a cambiamento di fase e per stabilire la configurazione ottimale in termini di potenza e tempo di carica/scarica. In dettaglio, vengono determinati 13 parametri non dimensionali che descrivono completamente il processo attraverso il teorema di Buckingham. Infine, la metodologia presentata viene applicata per analizzare l'impatto di tali parametri su un sistema di idruro metallico a cambiamento di fase di base.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for energy and environment
File(s)![Thumbnail Image]()
Name
arosati_tesid.pdf
Size
33.11 MB
Format
Adobe PDF
Checksum (MD5)
dbd73f9bb02d0227be3ee9d64bf7073f