Cryogenic energy storage systems
| dc.contributor.advisor | Morozyuk, Tetyana | |
| dc.contributor.author | Hamdy, Sarah | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | en |
| dc.contributor.referee | Morozyuk, Tetyana | |
| dc.contributor.referee | Praktiknjo, Aaron | |
| dc.contributor.referee | Tsatsaronis, George | |
| dc.date.accepted | 2019-07-12 | |
| dc.date.accessioned | 2019-10-14T09:37:21Z | |
| dc.date.available | 2019-10-14T09:37:21Z | |
| dc.date.issued | 2019 | |
| dc.description.abstract | Grid-scale energy storage systems are capable of providing the needed flexibility to the power grid operators in order to ensure a secure power supply with increasing shares of highly intermittent electricity generation from renewable energy sources. Cryogenic energy storage (CES) is a grid-scale energy storage concept in which electricity is stored in the form of liquefied gas enabling a remarkably higher exergy density than competing technologies such as pumped hydro storage and compressed air energy storage and frees the technology of common geographical restrictions. CES has recently received much attention in research and application due to its advantageous characteristics, e.g., the long cycle life, low storage losses, and being composed of mature components. The present work aims to identify and apply measures for thermodynamic performance enhancement and cost reduction of CES systems with the aid of exergy-based methods. Various system configurations were designed and simulated in Aspen Plus® and evaluated with energetic, exergetic, economic, and exergoeconomic analysis. Moreover, iterative exergoeconomic optimization was performed. Six liquefaction systems (charging process) with and without “cold” (low-temperature exergy) storage were assessed. Based on the cost-optimal and the most efficient liquefaction process, two adiabatic CES systems (base cases) with an installed discharge power/energy capacity of 100 MW/400 MWh were evaluated and optimized. The cost-optimized system (optimized case) was subjected to the integration of external heat sources and sinks (integrated systems) to analyze the effect of system integration on the thermodynamic and the economic performance of CES systems. The results showed that the addition of cold storage increases the roundtrip efficiency by 60-80 % and reduces the specific costs of the liquefaction (charging) process by 50 %. The selection of the liquefaction process was also revealed to be of significance. The liquefaction process causes the majority of the bare module costs and more than 60 % of the exergy destruction in the base case systems. In the exergoeconomic optimization, the levelized cost of discharged electricity was reduced from 267 €/MWh to 195 €/MWh at the expense of a reduction in the roundtrip efficiency from 47 to 40 %. The specific investment cost of the cost-optimal adiabatic CES system reached 1,200 €/kW, similar to competing technologies but relatively high concerning the low roundtrip efficiencies. The integration of waste heat, combustion and/or the regasification of LNG to CES is a viable option reaching roundtrip efficiencies higher than 70 % and further reducing the levelized cost of discharged electricity to 130-170 €/MWh. Apart from the costs; the operation hours and the response time were identified as the constraint to the economic feasibility. Potential energy storage applications suitable for CES were identified accordingly. However, the monetary value of the identified applications is too low to recover the revenue required of the CES systems. As a result, CES is only economically viable if further revenue streams are identified and financial incentives for the investment in ES are provided, or the CES costs are reduced significantly. | en |
| dc.description.abstract | Mittels leistungsstarker Energiespeichersysteme kann die notwendige Flexibilität bereitgestellt werden, um eine sichere Stromversorgung bei steigender Einspeisung hoch fluktuierender Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen zu gewährleisten. In dieser Arbeit werden kryogene Energiespeichersysteme (CES) untersucht, welche große Mengen an Überschussstrom in Form eines Flüssiggases zwischen speichern können. Dies ermöglicht eine deutlich höhere Exergiedichte, welche im Verhältnis zu anderen Netzspeicheranlagen, wie Pumpspeicherkraftwerken oder Druckluftspeichern, eine gleichzeitige Unabhängigkeit von geografischen Einschränkungen erlaubt. Aufgrund seiner vorteilhaften Eigenschaften, wie z.B. einer langen Lebensdauer, geringen Speicherverlusten und der Zusammensetzung aus ausgereiften Komponenten, hat das Interesse an CES-Systemen in den vergangenen Jahren in der Industrie und der Forschung stark zugenommen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der thermodynamischen Leistungssteigerung und der Kostensenkung kryogener Energiespeichersysteme mit Hilfe exergiebasierter Methoden. In diesem Zusammenhang wurden verschiedene Systemkonfigurationen mit der Simulationssoftware Aspen Plus® entworfen, simuliert und mittels energetischer, exergetischer, wirtschaftlicher und exergoökonomischer Analysemethoden bewertet. Darüber hinaus, wurde eine iterative exergoökonomische Optimierung durchgeführt. Sechs Luftverflüssigungsprozesse (Einspeicherung) mit und ohne "Kältespeicher" (Niedertemperaturspeicher) wurden betrachtet. Auf Grundlage des kostengünstigsten und des effizientesten Verflüssigungsprozesses wurden zwei adiabate CES-Systeme (base cases) mit einer installierten Ausspeicherleistung/Speicherkapazität von jeweils 100 MW/400 MWh entwickelt, bewertet und optimiert. Das optimierte System (optimized case) wurde anschließend mit verschiedenen Konzepten der Integration externer Wärmequellen und - senken erweitert (integrated systems) um die Auswirkungen der Systemintegration auf die thermodynamische und wirtschaftliche Leistungssteigerung von CES-Systemen zu untersuchen. Die Auswertung der Ergebnisse zeigt, dass die Integration des Kältespeichers eine Effizienzsteigerung um 60-80 % ermöglicht und gleichzeitig die Kosten des Verflüssigungs- bzw. Ladeprozesses um die Hälfte reduziert. Hierbei ist auch die Wahl des Verflüssigungsprozesses von Bedeutung. Der Verflüssigungsprozess verursacht den Großteil der Anlageninvestitionskosten und der Exergievernichtung in den Base-Case-Systemen. Die exergoökonomische Optimierung ermöglicht die Minderung der Stromgestehungskosten der Entladung von 267 €/MWh auf 195 €/MWh, welche eine Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades von 47 auf 40 % nach sich zieht. Das kostenoptimale adiabate CES-System erreicht spezifische Investitionskosten von 1.200 €/kW, was im Vergleich zu anderen Netzspeichertechnologien konkurrenzfähig ist. In Anbetracht des niedrigen Gesamtwirkungsgrad fallen die spezifischen Investitionskosten jedoch relativ hoch aus. | de |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9904 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8916 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | en |
| dc.subject.ddc | 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten | de |
| dc.subject.other | cryogenic energy storage | en |
| dc.subject.other | liquid air | en |
| dc.subject.other | exergy analysis | en |
| dc.subject.other | exergoeconomic optimization | en |
| dc.subject.other | kryogene Energiespeicher | de |
| dc.subject.other | flüssige Luft | de |
| dc.subject.other | exergiebasierte Methoden | de |
| dc.subject.other | exergoökonomische Optimierung | de |
| dc.title | Cryogenic energy storage systems | en |
| dc.title.subtitle | an exergy-based evaluation and optimization | en |
| dc.title.translated | Kryogene Energiespeichersysteme | de |
| dc.title.translatedsubtitle | eine exergiebasierte Bewertung und Optimierung | de |
| dc.type | Doctoral Thesis | en |
| dc.type.version | acceptedVersion | en |
| tub.accessrights.dnb | free | en |
| tub.affiliation | Fak. 3 Prozesswissenschaften::Inst. Energietechnik::FG Exergiebasierte Methoden für kältetechnische Systeme | de |
| tub.affiliation.faculty | Fak. 3 Prozesswissenschaften | de |
| tub.affiliation.group | FG Exergiebasierte Methoden für kältetechnische Systeme | de |
| tub.affiliation.institute | Inst. Energietechnik | de |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin | en |