Experimental operations of an electro thermal energy storage system

Thumbnail Image

Files

master_Pallonen_Lauri_2025.pdf (3.79 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | 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

2025-04-08

Department

Major/Subject

Energy Systems and Markets

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Advanced Energy Solutions

Language

en

Pages

73

Series

Abstract

The further penetration of low-cost variable renewable energy resources in the electricity production system and the electrification of parts of the energy system previously served by other means is increasing the need for electricity storage. There already exists many forms of electricity storage, but each of them has their own strengths and weaknesses. The Electro Thermal Energy Storage (ETES) offers an attractive option to supplement the already existing solutions, by storing electricity in the form of heat and then converting it back into electricity when needed. Many of the proposed ETES designs are mechanically complicated, but this thesis details an experiment with a bench scale protype for mechanically simpler desing. The design in novel in its use of electrical heaters and a Free Piston Stirling Engine directly integrated into the thermal storage media reducing the complexity of the system. Additionally, the system utilizes a cheap and sustainable thermal media: sand. Due to the poor thermal conductivity of the sand, it is also attempted to be improved by the addition of metallic machining chips into the sand. The results of the experiment show that the system functions as an energy storage system, but with significant limitations. The system is incapable of controlling the power output and the system is attempting to simultaneously charge and discharge electricity. The round-trip efficiency of the system is very low at 8.26 %, but this is comparable to other experimental prototypes. The utilization of machining scarps cleaned based on industrial practices for machined parts produced a health and safety hazard, and further work on their cleaning is required for their successful utilization. The design shows further developmental potential with further optimized design, but it may be necessary to lose some of the simplicity attained with this design in order to produce a practical electricity storage device.

Matalan kustannusten, mutta vaihtelevan tuotannon, uusiutuvien energian lähteiden suurempi hyödyntäminen ja energiasysteemi muiden osien sähköistyminen ovat lisänneet sähkön varastoinnin tarvetta. Siihen on jo monia erilaisia keinoja, mutta kullakin niistä on omat heikkoudet ja vahvuudet. Elektoterminen energian varastointi tarjoaa monin osin komplementaarisen vaihtoehdon jo olemassa oleville ratkaisuille varastoimalla sähköä lämmön muodossa ja muuttamalla sen takaisin sähköksi tarpeen mukaan. Monet ehdotetuista elektrotermisen varastoinnin ratkaisuista ovat mekaanisesti monimutkaisia, mutta tässä diplomityössä tutkittaan prototyyppitasolla rakenteeltaan yksinkertaisemman laitteiston toteutusta. Laitteiston innovaatio yksinkertaisemman toteutuksen saavuttamiseksi on sähkövastusten ja vapaasti liikkuvan männän omaavan Stirling moottorin suora integroiminen lämmön varastoinnin väliaineeseen; tässä tapauksessa hiekkaan. Hiekalla on toivottavia ominaisuuksia lämmönvarastointiin, mutta sen heikon lämmönjohtavuuden takia kokeessa yritetään myös parantaa tätä lisäämällä metallisia koneistuslastuja hiekan sekaan. Kokeellisten tulosten perusteella systeemi vaikuttaa toimivan sähkön varastona, mutta sen toiminnassa on monia heikkouksia. Järjestelmä ei kykene säätelemään miten paljon ja milloin se purkaa sähköä, ja tämä johtaa jopa samanaikaiseen varaston lataamiseen ja purkamiseen. Laitteen sähköstä sähköön – tehokkuus on matala, 8.26 %, mutta on vertailukelpoinen muiden kokeellisten prototyyppien kanssa. Koneistuslastujen käyttö osoittautui turvallisuusriskiksi niiden riittämättömän puhtauden takia, joten lisää tutkimusta lastujen puhdistamiseksi tarvitaan, jos niitä halutaan käyttää tässä sovelluksessa. Tutkitussa laitteistossa on kehityspotentiaalia parannuksille, mutta käytännöllisen sähkönvarastointijärjestelmän toteuttaminen voi vaatia kompromissia laitteen yksinkertaisuuden kanssa.

Description

Supervisor

Santasalo-Aarnio, Annukka

Thesis advisor

Tetteh, Sampson

Keywords

electro thermal energy storage, stirling engine, sand, machining chips, prototype, experimental

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202505203929

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC