Industrial scale electricity storage solutions and feasibility in Finnish market environment
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2023-06-12
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Systems and Markets
Mcode
ELEC3048
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
79
Series
Abstract
Increasing electricity consumption, expanding utilization of variable renewable energy sources, and decreasing conventional generation increase the demand for flexibility in electricity markets. Electrical energy storage solutions will be integral part of sustainable future power systems. This thesis presents 15 grid-scale electricity storage solutions analyzing their technical, economic, and environmental features. The analysis includes a review of electricity markets as their operating platform, brief geographical and climate requirements. The analysis is made based on recent academic studies and other publications. Initially, the analysis reviews the Nordic electricity market, to which Finland also belongs. This is followed by a review of different storage technologies, including their operating principles, advantages, disadvantages, and essential technical parameters. Eventually, techno-economic comparisons, including suitability in geographical and climate conditions as well as eligibility in different marketplaces, are made. Findings show that large-capacity compressed air energy storage (CAES) technology is marginally more cost-effective than pumped hydroelectric energy storage (PHES), whereas PHES is promising due to its high installed capacity and project success rate. Among storage technologies with low capacity and short duration lithium-ion (Li-ion) battery is proven to be the most cost-effective storage technology. Projections indicate that costs for all technologies except PHES and CAES will decrease by 2030, and Li-ion technology will see the most remarkable development. However, CAES and PHES still hold the top positions in cost-effectiveness. On the other hand, power-to-hydrogen-to-power (P2H2P) technology is to overtake PHES in large capacity with long duration storage. Electro-chemical, gravitational, and P2H2P technologies are well suited in all the electricity marketplaces. PHES faces geographical limitations; similarly, the availability and design of caverns limit CAES and P2H2P technologies to achieve their cost-effectiveness. Thermal and PHES technologies cause the least carbon footprint compared to other technologies.Sähkön kulutuksen kasvu, uusiutuvan energiamuotojen lisääntyminen ja samaan aikaan perinteisten tuotantomuotojen poistuminen lisäävät kysyntää sähkömarkkinoiden joustoille. Sähkövarastot ovat yksi joustonlähde ja tasapainottavat tulevaisuuden kestävää energiajärjestelmää. Tämä diplomityö tutkii 15 teollisen mittakaavan sähkönvarastointi teknologiaa analysoiden niiden teknisiä, taloudellisista ja ympäristöön liittyviä ominaisuuksia. Työ tutkii myös sähkövarastojen operointialustana toimivat sähkömarkkinat sekä maantieteelliset ja ilmastolliset vaatimukset. Aluksi analyysissä tarkastellaan pohjoismaista sähkömarkkinaa, johon Suomikin kuuluu. Tämän jälkeen tarkastellaan erilaiset varastointiteknologiat huomioiden niiden toimintaperiaatteet, hyödyt ja haitat sekä olennaiset tekniset parametrit. Lopulta suoritetaan teknistaloudelliset vertailut, soveltuvuusarvioinnit Suomen maantieteellisiin ja ilmastollisiin olosuhteisiin sekä niiden kelpoisuusanalyysi eri markkinapaikoilla. Tutkimus on kirjallisuuskatsaus ja tulokset osoittavat, että suuren kokoluokan paineilmavarasto on hieman kustannustehokkaampi kuin pumppulaitos (PHES), kun taas PHES on lupaava johtuen sen korkeasta asennetusta kapasiteetista ja projektin suuresta onnistumisprosentista. Litiumioniakku on kustannustehokkain ratkaisu, kun varaston kapasiteetti on pieni ja varastointiaika lyhyt. Arviot osoittavat kaikkien teknologioiden kustannusten alenevan vuosikymmenen vaihteessa lukuun ottamatta pumppuvoimalaitosta ja paineilmalaitosta. Lisäksi lähteissä käytetyissä tutkimuksissa on todettu, että litiumioniakku hallitsee sähkön varastointimarkkinoita jatkossa yhä vahvemmin. Pumppuvoimalaitos- ja paineilmateknologioiden odotetaan säilyttävänsä paikkansa kustannustehokkuus kilpailussa suurten varastojen kokoluokassa. Toisaalta on nähtävissä, että suurella kapasiteetilla ja pitkällä varastointiajalla varustetun vetypohjaisen varaston kustannukset voivat pudota alle pumppuvoimalaitoksen kustannusten. Sähkökemialliset sekä vetyyn ja gravitaatioon perustuvat teknologiat soveltuvat parhaiten kaikille sähkömarkkinapaikoille. Pumppuvoimalaitos kohtaa maantieteellisiä rajoituksia. Vastaavasti maanalaisten luolien saatavuus ja sopeuttaminen rajoittavat paineilmaan ja vetyyn pohjautuvien teknologioiden kustannustehokkuutta. Lämpövarastot ja pumppuvoimalaitokset aiheuttavat vähiten hiilijalanjälkeä verrattuna muihin teknologioihin.Description
Supervisor
Santasalo-Aarnio, AnnukkaThesis advisor
Kananen, RikuKeywords
electrical energy storage technologies, electricity markets, grid-scale electricity storage, power-to-hydrogen-to-power, balancing markets