Μελέτη αποθήκευσης ενέργειας με τεχνολογία υγροποιημένου αέρα

Ευστρατιάδη, Μαρία-Αλίκη; Efstratiadi, Maria-Aliki

dc.contributor.author	Ευστρατιάδη, Μαρία-Αλίκη	el
dc.contributor.author	Efstratiadi, Maria-Aliki	en
dc.date.accessioned	2016-04-18T08:20:16Z
dc.date.available	2016-04-18T08:20:16Z
dc.date.issued	2016-04-18
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/42407
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.12148
dc.rights	Default License
dc.subject	Yγροποιημένος αέρας	el
dc.subject	Aποθήκευση ενέργειας	el
dc.subject	Eνεργειακή απόδοση	el
dc.subject	Aνάλυση κόστους	el
dc.subject	Bαθμός αποθήκευσης ενέργειας	el
dc.subject	Liquid air	en
dc.subject	Energy storage	en
dc.subject	Round-trip efficiency	en
dc.subject	Storage efficiency	en
dc.subject	Economical analysis	en
dc.title	Μελέτη αποθήκευσης ενέργειας με τεχνολογία υγροποιημένου αέρα	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Αποθήκευση ενέργειας	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-07-22
heal.abstract	Η ολοένα αυξανόμενη διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στα δίκτυα ηλεκτροπαραγωγής ανά τον κόσμο, έχει οδηγήσει στην ανάγκη δέσμευσης ενέργειας όταν η παραγωγή της ξεπερνάει τα επίπεδα ζήτησης, αποθήκευσής της και επαναπρόσδοσής της στο δίκτυο στην αντίστροφη περίπτωση. Μια ιδανική τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας πρέπει να έχει μεγάλη δυνατότητα αποθήκευσης, να είναι απαλλαγμένη από γεωγραφικούς περιορισμούς και να έχει χαμηλό κόστος και μεγάλη διάρκεια ζωής. Η τεχνολογία υγροποιημένου αέρα που βρίσκεται στα πρώτα στάδια μελέτης και ανάπτυξης, αναμένεται ότι πληρεί τις παραπάνω απαιτήσεις και επιλέγεται να μελετηθεί ως αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Μια εγκατάσταση αποθήκευσης ενέργειας με υγροποιημένο αέρα, αποτελείται κυρίως από τρία επιμέρους τμήματα, ένα σύστημα υγροποίησης αέρα όπου καταναλώνεται ενέργεια, μια διάταξη αποθήκευσης του υγρού αέρα και ένα σύστημα εκτόνωσής του σε στρόβιλο στον οποίον παράγεται τελικά ένα ποσοστό της ενέργειας που καταναλώνεται στο πρώτο σύστημα. Με τη χρήση του προγράμματος ASPEN plus, σχεδιάστηκε μοντέλο προσομοίωσης μιας τέτοιας διάταξης ώστε να μελετηθεί ως προς την απόδοσή της και την ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας. Διατηρώντας τον κύκλο υγροποίησης αέρα, σχεδιάστηκαν διαφορετικά μοντέλα του κύκλου παραγωγής ενέργειας, με επιπλέον πρόσδοση ισχύος κατά την αποτόνωση και με συνδυασμένο κύκλο με αεριοστρόβιλο. Χρησιμοποιώντας ενδεικτικές τιμές για τα στοιχεία που απαρτίζουν τα παραπάνω συστήματα, έγινε και μια προσεγγιστική ανάλυση του κόστους τους ώστε να είναι πληρέστερη η τελική σύγκριση των διαφορετικών μοντέλων που σχεδιάστηκαν. Σχεδιάστηκε αρχικά, κύκλος εγκατεστημένης ισχύος φόρτισης 1 MW περίπου, με δυνατότητα παραγωγής 7 ΜWh κατά την αποφόρτιση του συστήματος. Ο βαθμός απόδοσης του συστήματος αυτού, υπολογίστηκε περίπου 45 % με δυνατότητα ανάκτησης 11 % της ενέργειας που καταναλώνεται κατά τη φόρτιση. Τα ποσοστά αυτά αν και συμφωνούν με τη βιβλιογραφία θεωρήθηκαν αρκετά χαμηλά για ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας. Με την επιπλέον πρόσδοση ισχύος κατά την αποτόνωση του αέρα ο βαθμός απόδοσης του συστήματος προσεγγίζει το 55 % ενώ το ποσοστό αποθήκευσης το 15 %. Εξετάζοντας τέλος το συνδυασμό του κύκλου υγροποίησης και αποτόνωσης αέρα με αεριοστρόβιλο και με την παράλληλη εκμετάλλευση της θερμότητας των καυσαερίων αυτού, διαπιστώνεται ότι τα ποσοστά αυτά εκτοξεύονται. Χρησιμοποιώντας τυπικό αεριοστρόβιλο υψηλής ισχύος, ο βαθμός απόδοσης του συνδυασμένου κύκλου ξεπερνά ακόμα και το 90 % με δυνατότητα ανάκτησης ενέργειας σε ποσοστό κοντά στο 60 %. Το ύψος της απαιτούμενης επένδυσης για την κατασκευή των παραπάνω συστημάτων εκτιμήθηκε στα (650-900)€/kW για τους απλούς κύκλους ενώ το ποσό αυτό αγγίζει τα 1300 €/kW στους συνδυασμένους κύκλους με αεριοστρόβιλο. Αντίστοιχα, το κόστος ηλεκτροπαραγωγής από τα παραπάνω συστήματα κυμαίνεται στα (20-40)€/ΜWh ποσό που ανταγωνίζεται τις ήδη υπάρχουσες τεχνολογίες. Τα παραπάνω κόστη δίνουν μετά από ανάλυση ικανοποιητικές τιμές στους οικονομικούς δείκτες IRR και NPV καθιστώντας τα συστήματα ικανά να θεωρηθούν βιώσιμα. Με την παρούσα εργασία παρουσιάζεται ολοκληρωμένα η τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας με υγροποιημένο αέρα, τόσο όσον αφορά την ενεργειακή της ανάλυση όσο και τη βιωσιμότητα μιας ανάλογης επένδυσης. Ωστόσο θεωρείται απαραίτητη μια πιο αναλυτική μελέτη κάθε στοιχείου ξεχωριστά ώστε να είναι εφικτή η πρακτική εφαρμογή των κύκλων που μελετήθηκαν.	el
heal.abstract	As the intermittency of renewable energy sources in the energy supply grid continues to grow, there has been a growing demand for a way to capture energy when electricity production exceeds demand, store it, and reuse it when demand is higher than supply. An ideal energy storage technology would have no geographical constraints, a high storage potential and would be of low functional costs and long life cycle. Liquid Air Energy Storage (LAES) technology appears to meet those demands and thus it is studied in the present thesis. A LAES system is mainly composed of three independent systems, an air liquefaction unit, a liquid air storage unit and an evaporation unit where liquid air expands in a cryogenic turbine and energy is produced. The storage efficiency of the system is the amount of energy produced in the expansion cycle, to the energy consumed in the liquefaction cycle. For the present study, a model of a LAES system was designed in the simulation environment of ASPEN plus, in order to acquire sufficient results about the round-trip efficiency and the storage capacity of such a system. In the model the liquefaction cycle that was designed remained unchanged and was combined with several expansion cycles. In the basic evaporation cycle only ambient heat is used whereas in the rest, additional heat is introduced in the evaporation system or else the system is combined with a typical gas turbine. In the latter scenario waste heat from the exhaust gas of the turbine is also used to enhance the efficiency of the expansion cycle. As a basic model, an expansion cycle of 7 MWh approximately was designed, where only ambient heat is used. The round-trip efficiency of the system was 45 % approximately and the storage efficiency didn’t exceed the level of 12 %. When additional heat is introduced in the evaporation cycle, the round-trip efficiency reaches 55 % but the storage efficiency of the system still remains in the level of 15 %. As a final step, a combined cycle of a LAES system with a gas turbine was examined, in order to achieve higher efficiencies. Three different types of gas turbines were introduced in the simulation model, increasing the round-trip efficiency of the combined system to 85 % and improving the storage efficiency which exceeds the percentage of 55 %. The capital cost of the above mentioned systems ranges between (650-900)€/kW for the stand-alone LAES cycles and nearly reaches 1300 €/kWfor the combined cycles. Similarly, the electricity production cost was estimated at (20-40)€/ΜWh, depending on the cycle, making the system comparable to the technologies currently used for electricity production. The above mentioned costs, give high IRR and NPV values for the systems indicating that they also achieve the necessary economical sustainability. In conclusion, the thesis consists of a general approach of Liquid Air Energy Storage Systems in terms of energy and economical analysis. However, a more detailed analysis of each one of the components of the cycles designed in the thesis is considered necessary for them to be practically introduced in the energy network.	en
heal.advisorName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.committeeMemberName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.committeeMemberName	Κακαράς, Εμμανουήλ	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας. Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	99 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true