Thermodynamic modeling and techno-economic assessment of diabatic compressed air energy storage configurations

Avgerinou, Charis; Αυγερινού, Χάρις

dc.contributor.author	Avgerinou, Charis	en
dc.contributor.author	Αυγερινού, Χάρις	el
dc.date.accessioned	2025-02-26T07:56:57Z
dc.date.available	2025-02-26T07:56:57Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61171
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.28867
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Compressed air	en
dc.subject	Energy storage	en
dc.subject	Green hydrogen	en
dc.subject	Steady-state simulation	en
dc.subject	Διαβατική συμπίέση αέρα	el
dc.subject	Αποθήκευση ενέργειας	el
dc.subject	Πράσινο υδρογόνο	el
dc.subject	Σπήλαια αλατούχου ορίζοντα	el
dc.subject	Θερμοδυναμική μοντελοποίηση	el
dc.subject	Salt caverns	en
dc.subject	AspenPlus	en
dc.title	Thermodynamic modeling and techno-economic assessment of diabatic compressed air energy storage configurations	en
dc.title	Θερμοδυναμική μοντελοποίηση και τεχνο-οικονομική αξιολόγηση διατάξεων αποθήκευσης ενέργειας με διαβατική συμπίεση αέρα	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Compressed air energy storage	en
heal.classification	Thermodynamic modeling	en
heal.classification	Techno-economic analysis	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-10-09
heal.abstract	The goal of the present work is to systematically evaluate and compare the performance of different diabatic compressed air energy storage (D-CAES) architectures, via numerical steady-state modelling in AspenPlus software. A parametric analysis is carried out, to evaluate the influence of key thermodynamic design variables on the performance of the system. A techno-economic analysis of selected configurations is subsequently conducted, to evaluate the economic feasibility and assess the cost-related implications of thermodynamic parameter design modifications. Regarding the charging process, three different compression system configurations are investigated, based on the use of two (C2), three (C3) and four (C4) compressors. The intermediate discharge pressures of the compressors are also investigated, considering their effect on the total compression power. Regarding the discharging process, both a recuperative (rec) and a non-recuperative (non-rec) expansion configuration are considered, in which green hydrogen is provided as fuel input. Specifically, the turbine inlet temperatures (TITs) of the high- and low-pressure expansion stages, as well as the intermediate expansion pressure (pint,exp) are investigated. The techno-economic analysis is conducted under the assumption of energy arbitrage operation, in the context of European market conditions. Special attention is given to the calculation of the storage cavern development and the capital investment costs, as well as to the sensitivity of selected economic performance assessment indexes to different charging/discharging durations, on- and off-peak electricity prices, as well as green hydrogen prices. The conclusions regarding the charging process include that an increased number of compressors and an equal distribution of pressure ratios among the same type of compressors minimize the compression power consumption and maximize the roundtrip efficiency (ηrt). The design parameters of the discharging process ultimately have a much greater impact on the full-cycle thermodynamic performance. The ηrt is dramatically improved by the installation of a recuperator, as well as by high values of the turbine inlet temperatures and the intermediate expansion pressure. The most and least attractive among the investigated design modifications correspond to increments of the turbine inlet temperatures and the omission of a recuperator, respectively, from both a thermodynamic and financial approach. The maximum roundtrip efficiency of 60.1% is achieved for a C4, recuperated architecture, featuring the maximum TITs and pint,exp. The results indicate a decline in investment profitability for lower charging to discharging duration ratios and smaller differences between the on and off-peak electricity prices. Significant decrements in the current green H2 prices are necessary for the financial viability of the proposed CAES design. The break-even prices of the off-peak electricity, on-peak electricity and hydrogen are calculated as 63 €/MWhel, 113 €/MWhel and 1.57 €/kg, respectively. The construction of a recuperated D-CAES system, designed based on the thermodynamic optimization results, is ultimately deemed profitable for performing energy arbitrage, considering the near-future price estimates of electricity and green H2.	en
heal.abstract	Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η συστηματική αξιολόγηση και η σύγκριση της απόδοσης διατάξεων αποθήκευσης ενέργειας με διαβατική συμπίεση αέρα (D-CAES), μέσω αριθμητικής μοντελοποίησης σταθερής κατάστασης στο λογισμικό AspenPlus. Πραγματοποιείται παραμετρική ανάλυση για την αξιολόγηση της επίδρασης βασικών μεταβλητών θερμοδυναμικού σχεδιασμού στην απόδοση του συστήματος. Στη συνέχεια διεξάγεται μια τεχνο-οικονομική ανάλυση, για την μελέτη της βιωσιμότητας της επένδυσης επιλεγμένων συστημάτων και την αξιολόγηση των οικονομικών επιπτώσεων που σχετίζονται με διαφοροποιήσεις σε επιλεγμένες σχεδιαστικές παραμέτρους. Εξετάζονται τρεις διαφορετικές διαμορφώσεις του υποσυστήματος συμπίεσης, βασισμένες στη χρήση δύο (C2), τριών (C3) και τεσσάρων (C4) συμπιεστών. Διερευνώνται επίσης οι ενδιάμεσες πιέσεις στην έξοδο των συμπιεστών, ως προς την επίδρασή τους στην καταναλισκόμενη ισχύ συμπίεσης. Εξετάζονται υποσυστήματα εκτόνωσης με (rec) και χωρίς (non-rec) προθερμαντήρα ανάκτησης θερμότητας από τα καυσαέρια. Οι παράμετροι που διερευνώνται περιλαμβάνουν τις θερμοκρασίες εισόδου στους στροβίλους υψηλής και χαμηλής πίεσης (TITs), καθώς και την ενδιάμεση πίεση εκτόνωσης μεταξύ των στροβίλων (pint,exp). Για την απαλλαγή του συστήματος από εκπομπές διοξειδίου, ως καύσιμο θεωρείται το πράσινο υδρογόνο. Η τεχνο-οικονομική ανάλυση διεξάγεται για λειτουργία ενεργειακού αρμπιτράζ, σε συνθήκες ευρωπαϊκής αγοράς ενέργειας. Ιδιαίτερη προσοχή δίνεται στην ανάπτυξη του σπηλαίου αποθήκευσης αλατούχου ορίζοντα, στο συνολικό κόστος επένδυσης, καθώς και στην ανάλυση ευαισθησίας επιλεγμένων δεικτών αξιολόγησης της επένδυσης σε διαφορετικούς λόγους διάρκειας φόρτισης/εκφόρτισης (τratio) και διαφορετικές τιμές ηλεκτρικής ενέργειας και πράσινου υδρογόνου. Τα συμπεράσματα συμπεριλαμβάνουν πως η αύξηση του πλήθους των συμπιεστών και η ίση κατανομή του λόγου πίεσης, μεταξύ ίδιου τύπου συμπιεστών, ελαχιστοποιούν την ισχύ συμπίεσης, ευνοώντας τον κυκλικό βαθμό απόδοσης του συστήματος (ηrt). Η θερμοδυναμική συμπεριφορά του πλήρους κύκλου λειτουργίας δέχεται εν τέλει εντονότερη επιρροή από το σχεδιασμό του υποσυστήματος εκτόνωσης. Ο ηrt μεγιστοποιείται με την χρήση προθερμαντήρα και για υψηλές τιμές TITs και pint,exp. Ως βέλτιστη και χείριστη σχεδιαστική διαφοροποίηση κρίνονται η αύξηση των θερμοκρασιών και η παράλειψη του προθερμαντήρα, αντίστοιχα, τόσο από θερμοδυναμική όσο και από οικονομική προσέγγιση. Ο μέγιστος κυκλικός βαθμός απόδοσης (60,1%) επιτυγχάνεται για διάταξη C4, rec και για τις μέγιστες τιμές TIT και pint,exp. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν μείωση της κερδοφορίας για χαμηλότερους τratio και μικρότερες διαφορές μεταξύ των τιμών της ηλεκτρικής ενέργειας. Οι οριακές τιμές της υψηλής και χαμηλής τιμής ηλεκτρικής ενέργειας υπολογίζονται σε 63 €/MWhel, 113 €/MWhel, αντίστοιχα. Απαραίτητη προϋπόθεση για την οικονομική βιωσιμότητα του προτεινόμενου συστήματος CAES αποτελούν οι προβλεπόμενες μειώσεις στις τρέχουσες τιμές πράσινου υδρογόνου, με οριακή τιμή το 1,57 €/kg. Ένα σύστημα D-CAES, με τις σχεδιαστικές προδιαγραφές που προτείνονται βάσει των αποτελεσμάτων της θερμοδυναμικής βελτιστοποίησης, τελικά κρίνεται κερδοφόρο για εφαρμογή ενεργειακού αρμπιτράζ, στο πλαίσιο των προβλεπόμενων εκτιμήσεων για τις τιμές της ηλεκτρικής ενέργειας και του πράσινου υδρογόνου.	el
heal.advisorName	Braimakis, Konstantinos	en
heal.committeeMemberName	Karellas, Sotirios	en
heal.committeeMemberName	Kakaras, Emmanuel	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας. Εργαστήριο Ψύξης και Κλιματισμού	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	220 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false