Energy and exergy analysis of the power station at Huntorf as an example of compressed-air energy storage

The demand in energy sources is highly increasing and the urge for usage of renewable sources of energy is increasing which motivates engineers day after day to develop different ways to store energy as it`s the main difficulty that face renewable sources dependency between all the resources and CAES can be used as one of the means of electric energy storage. In this thesis simulation and modelling of compressed air and energy storage (CAES) Huntorf Power Plant is being discussed. The thesis work begins with the literature review of Compressed air energy storage technologies and goes more specifically about Huntorf Power Plant, collection of information about the plant specifics, layout, and components dynamic. In this thesis, MATLAB-CANTERA software tool is employed to create a simulation model of the Huntorf compressed-air energy storage power plant based on measured steady-state values. The state variable of the actual state of the plant in Huntorf are Reproduced by the model in a realistic manner. The primary task of this thesis is to create a model of the plant with high flexibility to change the plant configuration to study different scenarios which in turn increase the output efficiency of the power plant and optimize the plant losses which can be determined through Energy and Exergy analysis of the power plant which give us the tools to develop different scenarios by adding different components to enhance the plant overall efficiency and the potential of development of the current components which can be optimized to reduce the high losses. Modeling of the entire unit using MATLAB tool has been conducted by importing Cantera thermodynamic module for modelling of power plants. Previously it was conducted by using another software tool STEAG's EBSILON Professional software and applying different scenarios such as increase in the the accumulator pressure from the current maximum pressure of 66 bar in the actual state to 100 bar which lead to an approximate doubling of the possible operating time of the power plant ( from 6.7 hours to 12 hours in relation to the discharging operation). Since Huntorf power plant has been established in 1978 it has high potential of development as the technologies used at this time is somehow old-technology in comparison with the current development done for the new power plants. Compressed air energy storage power plants usually works with a dynamic operation conditions since the accumulator pressure varies with time therefore steady-state model is not satisfying the realistic operation conditions and that`s why IEVB needed a model based on steady-state operation to develop in the future to suit all the dynamics of the power plant and studying the effect of the cavern accumulator in the air properties.

La richiesta di fonti energetiche è in forte aumento e aumenta la necessità di utilizzare fonti energetiche rinnovabili che motiva gli ingegneri giorno dopo giorno a sviluppare diversi modi per immagazzinare energia in quanto è la principale difficoltà che deve affrontare la dipendenza da fonti rinnovabili tra tutte le risorse e CAES può essere utilizzato come uno dei mezzi di accumulo di energia elettrica. In questa tesi viene discussa la simulazione e la modellizzazione dell'aria compressa e dello stoccaggio di energia (CAES) della centrale elettrica di Huntorf. Il lavoro di tesi inizia con la revisione della letteratura sulle tecnologie di accumulo dell'energia dell'aria compressa e riguarda più specificamente la centrale di Huntorf, la raccolta di informazioni su specifiche dell'impianto, layout e dinamica dei componenti. In questa tesi, viene utilizzato lo strumento software MATLAB-CANTERA per creare un modello di simulazione della centrale di accumulo dell'energia ad aria compressa di Huntorf basata su valori di stato stazionario misurati. Le variabili di stato dello stato attuale dell'impianto di Huntorf sono riprodotte dal modello in modo realistico. Il compito principale di questa tesi è quello di creare un modello di impianto con elevata flessibilità per modificare la configurazione dell'impianto per studiare diversi scenari che a loro volta aumentano l'efficienza di produzione della centrale e ottimizzano le perdite dell'impianto che possono essere determinate attraverso Energia ed Exergy analisi della centrale che ci fornisce gli strumenti per sviluppare diversi scenari aggiungendo componenti diversi per migliorare l'efficienza complessiva dell'impianto e il potenziale di sviluppo dei componenti attuali che possono essere ottimizzati per ridurre le perdite elevate. La modellazione dell'intera unità utilizzando lo strumento MATLAB è stata condotta importando il modulo termodinamico Cantera per la modellazione di centrali elettriche. In precedenza era stato condotto utilizzando un altro strumento software il software EBSILON Professional di STEAG e applicando diversi scenari come l'aumento della pressione dell'accumulatore dalla pressione massima corrente di 66 bar nello stato attuale a 100 bar che porta a un raddoppio approssimativo del possibile funzionamento tempo della centrale (da 6,7 ​​ore a 12 ore in relazione all'operazione di scarico). Da quando la centrale di Huntorf è stata fondata nel 1978 ha un alto potenziale di sviluppo in quanto le tecnologie utilizzate in questo momento sono in qualche modo vecchie tecnologie rispetto all'attuale sviluppo fatto per le nuove centrali. Le centrali elettriche ad accumulo di energia ad aria compressa di solito funzionano con condizioni operative dinamiche poiché la pressione dell'accumulatore varia nel tempo, quindi il modello a stato stazionario non soddisfa le condizioni operative realistiche ed è per questo che IEVB aveva bisogno di un modello basato su un funzionamento a regime stazionario per svilupparsi in il futuro per soddisfare tutte le dinamiche della centrale elettrica e studiare l'effetto dell'accumulatore della caverna nelle proprietà dell'aria.