TU Darmstadt / ULB / TUprints

Assessment of Pumped Heat Electricity Storage Systems through Exergoeconomic Analyses

Dietrich, Axel :
Assessment of Pumped Heat Electricity Storage Systems through Exergoeconomic Analyses.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

[img]
Preview
Text
PhD_Thesis-A_Dietrich.pdf
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons Attribution Non-commercial No-derivatives 4.0.

Download (1MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Assessment of Pumped Heat Electricity Storage Systems through Exergoeconomic Analyses
Language: English
Abstract:

Within the last 25 years, the share of renewable energy sources in German electrical energy production has been rising considerably and is expected to increase further in the coming years. The volatility of renewable energy sources results in an increasing mismatch between supply and demand of electrical energy, creating the need for storage capacities. The storage of electrical energy in the form of thermal energy can be realized by Pumped Heat Electricity Storage (PHES) systems, a location-independent alternative to established storage technologies. Detailed analyses, considering the transient operation of PHES systems based on commercially available or state-of-the-art technology, are currently not publicly accessible.

In this work, numerical models that enable a transient simulation of PHES systems are created using the process simulation software EBSILON Professional. For that purpose, numerical models of packed bed sensible heat TES systems as well as latent heat TES systems are developed and validated. While the model of the packed bed sensible heat TES systems is based on modifications of a built-in component, the model of the latent heat TES systems was independently modeled and implemented as supplementary component.

For the analysis of PHES systems, a characteristic operation scenario is deduced from the European market for electrical energy. Based on the day-ahead market for Germany and Austria, which shows a high predictability regarding daily electricity price distributions, the PHES systems accomplish a complete charging, storage and discharging period per day. For a high economic feasibility, an electrical input power in the order of 10 MW is combined with charging and discharging durations of 4 h.

PHES systems based on Joule and Rankine cycles are designed, focusing on commercially available and state-of-the-art technology. Design parameters are optimized in order to reach high round-trip efficiencies. Employing the models developed in this work, the transient operation of the PHES systems is simulated in accordance with the characteristic operation scenario. A detailed exergoeconomic analysis, which combines an exergy and an economic analysis, is conducted for the PHES systems based on Joule cycles. A simplified sensitivity analysis is employed to evaluate the influence of uncertainties in economic input parameters on the results.

Depending on design parameters, the analyzed PHES systems reach round-trip efficiencies between 36 % and 43 %. Having lower efficiencies than established storage technologies, PHES systems have the advantage of being location independent. The exergoeconomic analysis reveals that an economic operation of PHES systems is currently not possible. This, however, is at least partly caused by the conditions at the German market for electrical energy, which are unfavorable for the operation of electrical energy storage systems.

In summary, the PHES systems designed and the numerical models developed in this work enable the exergoeconomic analysis and assessment of these electrical energy storage systems, based on available technology and a realistic operation scenario.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In den letzten 25 Jahren ist der Anteil erneuerbarer Energiequellen an der Erzeugung elektrischer Energie stark angestiegen und es ist zu erwarten, dass diese Entwicklung in den nächsten Jahren weiter anhält. Die Volatilität der erneuerbaren Energiequellen führt verstärkt zu einem Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage von elektrischer Energie, was in einen steigenden Bedarf an Speicherkapazitäten mündet. Zur Speicherung elektrischer Energie in Form von thermischer Energie können Strom-Wärme-Strom (SWS) Systeme, eine ortsungebundene Alternative zu etablierten Speichertechnologien, eingesetzt werden. Detaillierte Analysen, die das transiente Betriebsverhalten von SWS Systemen bestehend aus kommerziell verfügbaren oder dem Stand der Technik entsprechenden Komponenten berücksichtigen, sind gegenwärtig nicht öffentlich verfügbar. In der vorliegenden Arbeit werden numerische Modelle zur transienten Berechnung von SWS Systemen basierend auf der Prozesssimulationssoftware EBSILON Professional erstellt. Dafür werden Modelle zur Simulation von sensiblen thermischen Energiespeichern für Schüttgüter und latenten thermischen Energiespeichern entwickelt und validiert. Während das Modell des sensiblen thermischen Energiespeichers für Schüttgüter auf Modifikationen einer existierenden Standardkomponente beruht, wurde das Modell des latenten thermischen Energiespeichers unabhängig modelliert und als Zusatzkomponente implementiert. Zur Analyse von SWS Systemen wird ein charakteristisches Einsatzszenario vom Europäischen Energiemarkt abgeleitet. Basierend auf dem Day-Ahead Markt für Deutschland und Österreich, der sich durch eine hohe Vorhersagbarkeit der tageszeitlichen Preisverteilung auszeichnet, absolvieren die SWS Systeme einen kompletten Belade-, Speicher- und Entladezyklus pro Tag. Für einen möglichst wirtschaftlichen Betrieb werden Beladeleistungen in der Größenordnung von 10 MW mit Be- und Entladezeiten von 4 h kombiniert. Aufbauend auf Joule und Rankine Prozessen werden SWS Systeme bestehend aus kommerziell verfügbaren oder dem Stand der Technik entsprechenden Komponenten konzipiert. Außerdem werden Design-Parameter optimiert, um hohe Strom-zu-Strom Gesamtwirkungsgrade zu erzielen. Unter Verwendung der im Zuge dieser Arbeit entwickelten Modelle wird der transiente Betrieb entsprechend der charakteristischen Einsatzszenarien simuliert. Eine detaillierte exergoökonomische Analyse, die Kombination aus exergetischer und ökonomischer Analyse, wird für die auf Joule Prozessen aufbauenden SWS Systeme durchgeführt. Mit einer vereinfachten Sensitivitätsanalyse wird der Einfluss der ökonomischen Eingangsparameter auf die Ergebnisse abgeschätzt. Abhängig von Design-Parametern erzielen die analysierten SWS Systeme Strom-zu-Strom Gesamtwirkungsgrade zwischen 36 % und 43 %. Bei geringeren Wirkungsgraden als etablierte Speichertechnologien haben SWS Systeme den Vorteil der lokalen Unabhängigkeit. Die exergoökonomische Analyse zeigt, dass ein wirtschaftlicher Betrieb von SWS Systemen derzeit nicht möglich ist. Dies liegt jedoch zumindest teilweise an den derzeitigen Bedingungen am Deutschen Energiemarkt, welche keine guten Voraussetzungen für den Betrieb von elektrischen Energiespeichern schaffen. Die im Zuge dieser Arbeit konzipierten SWS Systeme und entwickelten numerischen Modelle erlauben die exergoökonomische Analyse und Bewertung dieser Speichersysteme. Dabei wurden insbesondere verfügbare Technologien und ein realistisches Einsatzszenario berücksichtigt.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD) > Analysis of Thermal Energy Systems
Date Deposited: 27 Nov 2017 11:19
Last Modified: 29 Nov 2017 13:40
Related URLs:
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-67520
Referees: Stephan, Prof. Dr. Peter and Thess, Prof. Dr. André
Refereed: 21 August 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6752
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year