A Feasibility Study of Large-scale Electrical Energy Storage Technologies for Renewable Energy Balancing
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Author
Date
2023-03-20
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Systems and Markets
Mcode
ELEC3048
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
72+2
Series
Abstract
Renewable hydrogen will become a vital commodity for many sectors that seek to decarbonise their operations in the near future. One such sector is the transport sector, where hydrogen is used for the production of renewable transport fuels. In this thesis, a system consisting of a renewable hydrogen production plant is examined, where the electrolyser load is powered by assets of wind and solar capacity. To enable a constant supply of these volatile renewable energy assets, an electrical energy storage (EES) is sized to the system and its techno-economic feasibility is analysed. A literature review on large-scale EES technologies is conducted, after which a model of the energy system and EES operation is created in Microsoft Excel. Based on the technological requirements arising from the storage model, three suitable EES technologies are chosen for further economic analysis. The technologies' life cycle costs (LCC) and levelised cost of storage (LCOS) are calculated and compared. The three technologies found suitable for the described system are liquid air energy storage (LAES), sand thermal energy storage and the vanadium redox flow battery (VRFB). The initial results revealed that the storage energy capacity required to enable the year-round operation of the electrolyser grew unreasonably large, resulting in high LCC and LCOS, particularly for LAES and VRFB. Significant improvements have been gained with three different cost reduction strategies: reduction of the operational hours of the electrolyser, scale-up of the wind energy production capacity, and the combined approach of the former two. The best economic feasibility has been delivered by the sand thermal energy storage, which proved to be a competitive future technology prospect. As a conclusion, this thesis provides adequate understanding of the technological requirements and the economic feasibility of an EES for any process that requires a constant renewable electricity supply. Further research should be directed particularly towards the development of the sand thermal energy storage technology, for instance in the form of demonstration projects. Also, additional research on the technology's costs should be conducted.Uusiutuvasta vedystä on tulossa keskeinen raaka-aine monelle kasvihuonekaasuista eroon pyrkivälle sektorille. Yksi näistä sektoreista on liikenne- ja kuljetussektori, jossa vetyä käytetään uusiutuvien liikennepolttoaineiden valmistuksessa. Tässä työssä tarkastellaan energiajärjestelmää, jossa uusiutuvan vedyn tuotantolaitoksen tarvitsema teho saadaan laitokselle kohdennetusta tuuli- ja aurinkovoimakapasiteetista. Laitoksen tasaisen tuotannon mahdollistamiseksi työssä mitoitetaan järjestelmään sähkövarasto, jonka teknologinen soveltuvuus ja taloudellinen kannattavuus arvioidaan. Diplomityö toteutetaan tekemällä kirjallisuuskatsaus suuren mittakaavan sähkönvarastointiteknologioista, jonka jälkeen tutkittavasta energiajärjestelmästä ja varaston toiminnasta luodaan malli Microsoft Excel -sovelluksella. Mallista voidaan päätellä sähkövaraston teknologiset vaatimukset, joiden pohjalta valitaan kolme sopivinta teknologiaa taloudellista analyysiä varten. Teknologioiden elinkaarikustannukset sekä elinkaaren aikaiset tuotantokustannukset lasketaan, ja tuloksia vertaillaan teknologioiden kesken. Kolme järjestelmään sopivinta teknologiaa olivat nesteilmavarasto, hiekkalämpövarasto sekä redox-virtausakku. Alustavien tulosten perusteella laitoksen jatkuvaan toimintaan vaadittava sähkövaraston energiakapasiteetti kasvoi epäkäytännöllisen suureksi. Tämän johdosta myös tutkitut kustannukset olivat erittäin korkeat etenkin nesteilmavarastolla ja virtausakulla. Merkittäviä parannuksia saavutettiin kolmella kustannuksia vähentävällä strategialla; vetylaitoksen käyttötuntien vähennyksellä, tuulivoimakapasiteetin kasvattamisella, sekä kahta edellistä yhdistelevällä strategialla. Taloudellisesti kannattavin teknologioista oli hiekkalämpövarasto, joka osoittautui kilpailukykyiseksi kehitteillä olevaksi teknologiaksi. Diplomityön tulokset syventävät ymmärrystä sähkövarastojen teknologisista vaatimuksista ja taloudellisesta kannattavuudesta missä tahansa prosessissa, joka toimii uusiutuvalla sähköllä. Jatkotutkimusta tulisi suunnata erityisesti hiekkalämpövaraston kehitykseen, esimerkiksi demonstrointiprojektien muodossa. Teknologian kustannuksia tulisi myös tutkia tarkemmin.Description
Supervisor
Pourakbari Kasmaei, MahdiThesis advisor
Tsupari, EemeliRämä, Miika
Keywords
electrical energy storage technologies, renewable energy balancing, renewable hydrogen production, sand thermal energy storage, liquid air energy storage, flow battery
