Electric Energy Storage for a Wave Energy Converter

Abstract

In this thesis, the effect of using electric energy storage on the electric power profile of electricity production was studied, if one were to be installed as an auxiliary device in a wave energy converter. A wave energy converter is a device that converts the mechanical wave motion of the sea into electrical energy. The renewable energy sources, such as wind, wave, and solar, usually produce variable levels of electricity, as their production is completely based on weather conditions. Therefore, it was studied, how fluctuation of electricity production could be balanced with electric energy storages. Fluctuation of power in the grid causes disturbances, like fluctuation of frequency and harmonic distortions.

The work was carried out in cooperation with AW-Energy Oy. Data for the work was acquired from their 500-kW dry-land test bench. Electricity production data of different sea states tested in the testing facility was used as a basis for the implementation of the work. The first part of the thesis concentrated on a literature review of the background of the topic, and the second part on simulating the operation of electric energy storage as part of the WaveRoller wave energy converter. Two types of electric energy storage were used, lithium-ion batteries and supercapacitors. The typical technical characteristics of these devices were used as a background of the simulations.

In the simulation, the power fluctuation range, the lifetime of the electric energy storages and the annual electric losses were examined. It turned out that the power range could be reduced by up to 80% on average, and the annual losses with a device of this scale compared to its average annual electricity production (1000 MWh) were on average 2.35–2.70%. Although the battery was able to smooth out the electricity production better than the supercapacitor, its lifespan proved to be a very limiting factor on an annual basis, as there were too many charge and discharge cycles in the simulated sea conditions, as expected. With this kind of use, the supercapacitor is more suitable for dynamic balancing of electricity production, as the supercapacitor could, according to calculations, last up to 23 years, while the battery only lasts less than 3 months. It would possibly be more profitable to use batteries in a more limited and well-optimized manner only in extreme situations or under the conditions of electricity sales.

Työssä tutkittiin sähköenergiavarastojen käytön vaikutusta sähköntuotannon tehoprofiiliin, mikäli sellainen asennettaisiin oheislaitteeksi aaltoenergiamuuntimeen. Aaltoenergiamuunnin on laite, joka muuntaa meren mekaanisen aaltoliikkeen sähköenergiaksi. Uusiutuvien energialähteiden, kuten tuulen, aaltojen ja auringon tuottama sähköteho on yleensä vaihtelevaa, sillä niiden tuotanto perustuu täysin sääolosuhteisiin. Tämän vuoksi työssä tutkittiin, kuinka tehon vaihteluja voitaisiin tasata käyttämällä sähköenergiavarastoja. Nopeasti vaihteleva sähköntuotanto kuormittaa sähköverkkoa aiheuttamalla häiriöitä, esimerkiksi taajuuden vaihteluna ja harmonisena särönä.

Työ toteutettiin yhteistyössä AW-Energy Oy:n kanssa. Työssä käytettiin hyväksi heidän 500 kW:n tehontuotantoyksikön testipenkkiä. Testilaitoksessa ajettujen erilaisten meritilojen sähköntuotannon dataa käytettiin pohjana työn toteutuksessa. Työn keskeisinä toteutuskeinoina toimi kirjallisuuskatsauksen tekeminen aiheen taustoista, ja simulaatioiden tekeminen sähkövarastojen toiminnasta osana AW-Energyn WaveRoller-aaltoenergiamuunninta. Sähköenergiavarastoiksi rajattiin litiumioniakut ja superkondensaattorit. Näiden tyypillisiä teknisiä ominaisuuksia käytettiin simulaatioiden taustalla.

Simulaatiossa tarkasteltiin tehon vaihteluvälejä, sähkövarastojen elinikää ja vuosittaisia häviöitä. Ilmeni, että tehon vaihteluväliä pystyttiin pienentämään keskimäärin jopa 80 %, ja vuosittaiset häviöt tämän skaalan laitteella verrattuna sen keskimääräisen vuosittaiseen sähköntuotantoon (1000 MWh) oli keskimäärin 2,35–2,70 %. Vaikka akku pystyi superkondensaattoria paremmin tasoittamaan sähköntuotantoa, sen kestoikä osoittautui rajoittavaksi tekijäksi vuositasolla, sillä lataus- ja purkusyklejä muodostui simuloidulla meritiloilla liikaa, kuten oli odotettu. Tämänlaisella käytöllä superkondensaattori sopii paremmin dynaamiseen sähköntuotannon tasaamiseen, sillä superkondensaattori laskennallisesti voisi kestää käyttöä jopa 23 vuotta, kun akku puolestaan vain alle 3 kuukautta. Akkuja olisi mahdollisesti kannattavampi käyttää rajoitetummin ja hyvin optimoidusti vain ääritilanteissa tai sähkönmyynnin edellytyksillä.