Calcium looping thermochemical energy storage, possible applications and a techno-economic assessment
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
2024-05-20
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Systems and Markets
Mcode
ELEC3048
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
58+6
Series
Abstract
Energy storages are needed in the energy system because the increasing amount of intermittent renewable energy production has caused volatility in power production and markets. One proposed energy storage is thermochemical energy storage. Thermochemical energy storage (TCES) stores thermal energy by looping reversible chemical reactions, that release or store thermal energy. In calcium looping (CaL) TCES, excess thermal energy is used to heat CaCO3 which starts an endothermic reaction (calcination) that separates CaCO3 into CaO and CO2. The two substances can be stored for a theoretically unlimited time. When thermal energy is required, CaO and CO2 are pre-heated and combined and exothermic reaction (carbonation) starts. They for again the original substance, CaCO3. This thesis aims to find the state-of-the-art of calcium looping thermochemical energy storages, select applications where the technology could be used and to conduct a techno-economic assessment. The technoeconomic assessment is used to analyse four case applications for the technology. This study found that TCES is suitable for storage with long storage times, because it can have unlimited storage times. The selected applications were a seasonal storage (case 1) and a long-term storage (case 2), which both were assigned a-variant where CO2 is sold and b-variant where CO2 is stored. The stored energy is electricity. The systems were sized and parameters defined based on literature references and the operation of the storage was modelled using Excel spreadsheet. The operation principle was defined based on electricity market prices. In the economic analysis, the storage cost was estimated based on literature references and economic parameters were calculated using Excel spreadsheet with all the cash flows of the system included. A sensitivity analysis was conducted using @risk Excel-tool. The techno-economic analysis found that none of the analysed cases reached a positive net present value. The sensitivity analysis found that the factors with the biggest effect on system profitability were electricity prices, round-trip efficiency, calciner cost and CO2 selling price. In some cases, the net present value reached positive values and compared to other technologies, the price of this system was the most cost-effective. Suggestions for future work were using a better operational algorithm for the storage, a model that takes into account the uncertainty of future power prices and a more detailed process model.Energiavarastoratkaisuja tarvitaan, sillä uusiutuvan energian kasvaessa energiantuotantoprofiili on muuttunut epävakaammaksi ja ennusteiden mukaan uusiutuvan energian määrä jatkaa kasvua. Yksi ratkaisu on kalkkikiertoon perustuva lämpökemiallinen energiavarasto. Kun on ylimääräistä energiaa, kalsiumkarbonaattia lämmitetään kalsinointireaktorissa, jolloin se hajoaa kalsiumoksidiksi ja hiilidioksidiksi (kalsinointireaktio). Aineet voidaan varastoida, ja kun energiaa tarvitaan, ne syötetään yhteen karbonointireaktoriin ja ne yhdistyvät taas kalsiumkarbonaatiksi, mikä synnyttää lämpöä. Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia teknologian nykytaso tieteellisiä artikkeleja, projekteja ja kaupallista puolta analysoimalla. Toisena tarkoituksena on etsiä sopivia käyttökohteita kalkkikiertoenergiavarastolle. Kolmantena tavoitteena on tehdä teknistaloudellinen analyysi näille kohteille. Työssä todettiin, että kalkkikiertoteknologia on sopiva pitkän aikavälin energiavarastoihin, sillä se voi varastoida energiaa rajattoman pitkän ajan. Käyttökohteiksi valittiin kausivarasto (case 1) ja pitkän aikavälin varasto (case 2), joista molemmista analysoitiin teknologia sekä myymällä hiilidioksidi (a) että varastoimalla hiilidioksidi (b). Varastoitu energia on sähköä. Tapauksille määriteltiin parametrit kirjallisuuden perusteella ja varaston toimintaa mallinnettiin Excel-taulukolla. Operointiperuste määritettiin sähkön hintadatan avulla. Talousanalyysissä määriteltiin tärkeimmille komponenteille hinnat kirjallisuuden perusteella ja kaikkien rahavirtojen perusteella laskettiin arvot Excel-taulukolla. Herkkyysanalyysi suoritettiin Excelin @risk -lisäosaa käyttäen. Teknistaloudellisen analyysin tuloksena havaittiin, että kumpikaan tutkituista käyttökohteista ei saavuttanut positiivista nettonykyarvoa. Herkkyysanalyysissa huomattiin, että kannattavuuteen vaikuttaa erityisesti sähkön hinta, varaston hyötysuhde, kalsinointiuunin hinta ja myydyn hiilidioksidin hinta. Joissain tarkastelutapauksissa nettonykyarvo nousi positiiviseksi ja muihin teknologioihin verrattuna systeemin hinta vaikutti kannattavimmalta. Jatkotutkimuksiksi ehdotetaan parempaa operointialgoritmia varastolle, mallia, joka ottaa huomioon sähkön hinnan tulevaisuuden epävarmuuden ja tarkempaa prosessimallia.Description
Supervisor
Järvinen, MikaThesis advisor
Kujanpää, LauriLaurila, Erkki
Keywords
thermochemical energy storage, calcium looping, calcium carbonate, energy storage