Σύγκριση συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας με πεπιεσμένο αέρα και υδρογόνο

Abstract

Στην πρώτη ενότητα της παρούσας διπλωματικής εργασίας γίνεται αναφορά στην ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και τα προβλήματα που προκύπτουν από τη χρήση αυτών, τα οποία σε συνδυασμό με ένα άλλο πλήθος λόγων οδηγούν στην ανάγκη για ενεργειακή αποθήκευση. Στη δεύτερη ενότητα αναλύεται η τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας υπό τη μορφή πεπιεσμένου αέρα, ενώ αναφέρονται τα υπάρχοντα συστήματα και τυπικά στοιχεία κόστους επένδυσης και λειτουργίας αυτών. Στην τρίτη ενότητα περιλαμβάνεται περιγραφή της διαμόρφωσης και των χαρακτηριστικών των υπέργειων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας υπό τη μορφή πεπιεσμένου αέρα και παρατίθενται επιλεγμένα συστήματα αποθήκευσης, τα οποία αποσκοπούν στη βέλτιστη ενσωμάτωση της αιολικής ενέργειας στο δίκτυο. Η τέταρτη ενότητα πραγματεύεται την τεχνολογία υβριδικών συστημάτων παραγωγής ενέργειας με αποθήκευση σε μορφή υδρογόνου, παρουσιάζεται το επίπεδο ανάπτυξης των επιμέρους συνιστωσών που τα αποτελούν και τέλος, γίνεται αναφορά των υπαρχόντων πιλοτικών σταθμών. Στην πέμπτη ενότητα γίνεται προσομοίωση διαφόρων υπέργειων συστημάτων αποθήκευσης πεπιεσμένου αέρα στο υπολογιστικό πρόγραμμα IPSE-pro. Στη συνέχεια, ακολουθεί ενεργειακή και εξεργειακή ανάλυση αυτών με σκοπό την προβολή και αντιπαράθεση των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών τους. Η έκτη ενότητα εξετάζει την περίπτωση αποθήκευσης ενέργειας υπό τη μορφή υδρογόνου προσομοιώνοντας το σχετικό σύστημα στο υπολογιστικό πρόγραμμα HOMER με χρήση ανεμολογικών στοιχείων και στοιχείων φορτίου για τη νήσο Κάρπαθο. Εν συνεχεία, γίνεται αποτίμηση των αποτελεσμάτων και εκτέλεση του προγράμματος για οικισμό με φορτίο ίσο με το 5% του αντίστοιχου της Καρπάθου. Στην τελευταία ενότητα αναλύεται δυναμικά το διβάθμιο σύστημα αποθήκευσης πεπιεσμένου αέρα χωρίς προθέρμανση με χρήση των στοιχείων φορτίου του οικισμού της Καρπάθου. Τέλος, ακολουθεί σύγκριση του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας υπό τη μορφή υδρογόνου με το σύστημα πεπιεσμένου αέρα από ενεργειακής και οικονομικής πλευράς.

The first chapter of the present diploma thesis refers to the development of renewable energy sources and the problems that come from their use, which lead us to the need for energy storage. The second chapter includes analysis of the energy storage technology by means of compressed air (CAES systems), existing plants are mentioned and investment and O&M costs are provided. In the third chapter, there is a description of the configuration and the characteristics of microCAES systems. Particular microCAES systems are mentioned, which aim to the best possible integration of wind power to the electrical grid. As far as the fourth chapter is concerned, it refers to the stand-alone hybrid renewable energy / hydrogen power systems. Specifically, there is an analysis of the components of such a system and existing demonstration plants are mentioned. In the fifth chapter of the diploma thesis, particular microCAES systems are simulated through the simulation software IPSEpro. The simulation of these systems is followed by energy and exergy analysis in order to emphasize the particular characteristics of each system. In the sixth chapter, a stand-alone hybrid renewable energy / hydrogen power system is simulated by use of the simulation software HOMER. To be more specific, the system is simulated for load and wind profiles of Karpathos island, results are evaluated and there is another simulation concerning a settlement in the same island with electric demands that are equal to 5% of the island's demands. In the final chapter of the diploma thesis, there is a dynamic analysis of the two-staged microCAES system without preheating of the stored air before its expansion using the load profile of Karpathos' settlement of the previous chapter. Finally, there is an efficiency and cost comparison between energy storage systems by means of compressed air and hydrogen.