Δυναμική προσομοίωση αδιαβατικού συστήματος αποθήκευσης ενέργειας συμπιεσμένου αέρα (AA-CAES)

Ηλιόπουλος, Φραγκίσκος; Iliopoulos, Fragkiskos

dc.contributor.author	Ηλιόπουλος, Φραγκίσκος	el
dc.contributor.author	Iliopoulos, Fragkiskos	en
dc.date.accessioned	2017-09-11T11:37:47Z
dc.date.available	2017-09-11T11:37:47Z
dc.date.issued	2017-09-11
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/45571
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14291
dc.rights	Default License
dc.subject	Αποθήκευση ενέργειας	el
dc.subject	Συμπιεσμένος αέρας	el
dc.subject	Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας	el
dc.subject	Δυναμική προσομοίωση	el
dc.subject	Υπόγεια κοιλότητα	el
dc.subject	AA-CAES	en
dc.subject	Energy storage	el
dc.subject	Dynamic simulation	el
dc.subject	Compressed air	el
dc.subject	Renewable energy	el
dc.title	Δυναμική προσομοίωση αδιαβατικού συστήματος αποθήκευσης ενέργειας συμπιεσμένου αέρα (AA-CAES)	el
dc.title	Dynamic simulation of an advanced adiabatic compressed air energy storage (AA-CAES) system	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Αποθήκευση ενέργειας	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/2a75c7c11dda19ee244692472c10e684108c9d3d
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-07-05
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε η κατασκευή ενός μοντέλου δυναμικής προσομοίωσης της λειτουργίας ενός αδιαβατικού συστήματος αποθήκευσης ενέργειας συμπιεσμένου αέρα (AA-CAES), μελετήθηκε η συμπεριφορά του συστήματος καθ’ όλη τη διάρκεια του κύκλου λειτουργίας του και καθορίστηκαν οι παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοσή του. Στα τρία πρώτα κεφάλαια παρουσιάζεται στον αναγνώστη, κατά σειρά, βιβλιογραφική έρευνα περί των τρόπων αποθήκευσης ενέργειας γενικά, και στη συνέχεια ειδικότερα περί των συμβατικών συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας συμπιεσμένου αέρα (CAES), και των αδιαβατικών συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας συμπιεσμένου αέρα (AA-CAES). Στη συνέχεια, περιγράφεται η κατασκευή του μοντέλου, το οποίο δημιουργήθηκε σε περιβάλλον Matlab/Simulink, και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσής του. Το σύστημα AA-CAES που μελετήθηκε φορτίζεται συμπιέζοντας αέρα μέσω μιας διάταξης συμπίεσης τεσσάρων συμπιεστών. Ο αέρας στη συνέχεια αποθηκεύεται σε υπόγεια κοιλότητα, αφού πρώτα μεταφέρει τη θερμότητα που απέκτησε λόγω της συμπίεσής του σε ένα βιομηχανικό έλαιο, το οποίο ρέει από μια ψυχρή προς μία θερμή δεξαμενή. Η εκτόνωση του συμπιεσμένου αέρα για την παραγωγή ηλεκτρική ενέργειας πραγματοποιείται σε μια διάταξη τριών στροβίλων, αφού προηγουμένως του αποδοθεί η αποθηκευμένη στο έλαιο θερμότητα συμπίεσης. Το σύστημα, του οποίου ο κύκλος λειτουργίας ήταν επιθυμητό να διαρκεί περίπου ένα 24ωρο, φορτίζεται σε οκτώ ώρες, καταναλώνοντας κατά μέσο όρο ηλεκτρική ισχύ 55 MW, ενώ εκφορτίζεται σε περίπου τέσσερις, παράγοντας 73 MW ηλεκτρικής ισχύος. Μεταξύ συμπίεσης και εκτόνωσης μεσολαβεί ένα διάστημα αναμονής 12 ωρών. Ο βαθμός απόδοσης του μοντέλου που προσομοιώθηκε είναι 60,73% και συμφωνεί με τις αναφερόμενες τιμές της βιβλιογραφίας. Οι κύριες απώλειες του συστήματος είναι οι απώλειες θερμότητας από τον αέρα εντός της υπόγειας κοιλότητας προς τα τοιχώματά της, και οι απώλειες λόγω εξόδου του θερμού αέρα από τους στροβίλους στην ατμόσφαιρα. Επίσης, διερευνήθηκε η επίδραση πέντε παραμέτρων στο βαθμό απόδοσης του συστήματος, οι οποίοι, κατά φθίνουσα σειρά επιρροής, είναι: ο χρόνος αναμονής, η θερμοκρασία περιβάλλοντος, η παροχή αέρα των συμπιεστών, ο όγκος της κοιλότητας αποθήκευσης και η παροχή αέρα των στροβίλων. Τέλος, πραγματοποιήθηκε επέκταση του μοντέλου, μέσω προσθήκης θαλάμου καύσης φυσικού αερίου πριν τον τελευταίο στρόβιλο, ώστε το σύστημα να μπορεί, σε περιπτώσεις ανάγκης, να ανταποκριθεί σε αυξημένες απαιτήσεις ηλεκτροπαραγωγής. Το γενικό συμπέρασμα που εξήχθηκε είναι ότι τα συστήματα AA-CAES, συνδυάζοντας υψηλή απόδοση και σεβασμό στο περιβάλλον, αποτελούν μια άκρως ελκυστική επιλογή για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας, και όλα δείχνουν πως η επικείμενη βιομηχανοποίησή τους θα αποτελέσει ένα ακόμα βήμα προς την αναγκαία σταδιακή απαγκίστρωση της ενεργειακής βιομηχανίας από την καύση ορυκτών καυσίμων.	el
heal.abstract	The objective of this diploma thesis is the construction of a dynamic model that simulates the operation of an Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage (AA-CAES) system, in order to study the behavior of the system throughout its operating cycle and to define the parameters that affect its efficiency. In the first three chapters, a bibliographic research on energy storage systems in general, Compressed Air Energy Storage (CAES) systems, and Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage (AA-CAES) systems is presented successively. In the next chapters, the mathematical modeling of the system, which was implemented in a Matlab/Simulink environment, is described, and finally, the results of the simulation are presented. The AA-CAES system is charged by the compression of ambient air in a four stage compression train. The air is then stored in an underground cavern, after transferring its compression heat in an industrial oil, which flows from a cold to a hot tank. In the expansion phase, the air expands through an arrangement of three turbines, after compression heat stored in the oil is returned to the air through heat exchangers. The system, whose cycle of operation was intended to last about 24 hours, is charged in eight hours, consuming an average of 55 MW of electricity, and it is discharged in about four hours, producing 73 MW of electrical power. Between compression and expansion, the system remains idle for a 12-hour time period. The efficiency of the simulated model is 60.73%, which agrees with the reported literature values. The main energy losses of the system are due to the heat transfer from the air in the underground cavern to its walls, and due to the exit of the expanded hot air in the turbine outlet to the atmosphere. This thesis also investigates the effect of five parameters on the system's performance. These parameters, in descending order of influence, are: the idle time, the ambient temperature, the air mass flow of compressors, the storage cavern volume and the air mass flow of turbines. Finally, the model was expanded by adding a natural gas combustion chamber before the last turbine, so that the system could, in cases of emergency, respond to increased electrical power production demand. The general conclusion is that AA-CAES systems, combining high efficiency and respect for the environment, are an extremely attractive option for electrical energy storage, and it is clear that their forthcoming industrialization will be another step towards the necessary gradual disengagement of the energy industry from the combustion of fossil fuels.	en
heal.advisorName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.committeeMemberName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας. Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	112 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true