Global electrical energy demand is growing periodically, stemming from an increase in the population and expansion of access to electricity in the developing countries. To meet this demand, usage of fossil fuels is increased leading to pollution and subsequently global warming. Renewable energy is a solution to such problems, but it has some technical difficulties matching the requirements of the grid. Energy storage technologies are promising to overcome the mismatching in the supply/demand period of the renewables by storing and load shifting the energy. Although there are a couple of energy storage methods such as electrochemical, flywheels, capacitors, hydrogen or super magnets, this thesis focuses on one of the most promising method for grid scale long-term energy storage system which is the Liquid Air Energy Storage (LAES) system. LAES systems utilize the excess energy in the off-peak period to liquefy the air while storing the hot and cold thermal energy. During on-peak period, stored liquid air is pressurized, superheated and expanded in the turbines to produce electricity. The LAES systems employ mature technologies thus very reliable and cost efficient. Even though the technologies are mature, the LAES system requires optimizations and configuration analysis since they combine various sub systems. This thesis introduces the energy storage methods and the state-of-the-art LAES subsystems in the first two chapters. Then, in the third chapter, a standalone LAES cycle is modelled by using Aspen Plus software and the model is through published benchmark work. In the fourth chapter, sensitivity analyses for the operating pressures, temperatures and cycle configuration is performed. Thermodynamic and mechanical improvements are presented to increase round trip efficiency of the cycle by 4-6%. Finally, the potential of the LAES technology to combine with ORC is displayed and further analyzes are suggested for the future work.
La domanda globale di energia elettrica sta crescendo periodicamente, a causa di un aumento della popolazione e dell'espansione dell'accesso all'elettricità nei paesi in via di sviluppo. Per soddisfare questa domanda, l'utilizzo di combustibili fossili viene aumentato portando all'inquinamento e successivamente al riscaldamento globale. L'energia rinnovabile è una soluzione a tali problemi, ma presenta alcune difficoltà tecniche che soddisfano i requisiti della rete. Le tecnologie di accumulo dell'energia promettono di superare la discrepanza nel periodo di domanda / offerta delle energie rinnovabili immagazzinando e spostando il carico di energia. Sebbene esistano un paio di metodi di accumulo di energia come elettrochimici, volani, condensatori, idrogeno o super magneti, questa tesi si concentra su uno dei metodi più promettenti per il sistema di accumulo di energia a lungo termine su scala di rete che è il Liquid Air Energy Storage (LAES ) sistema. I sistemi LAES utilizzano l'energia in eccesso nel periodo non di punta per liquefare l'aria mentre immagazzina l'energia termica calda e fredda. Durante il periodo di punta, l'aria liquida immagazzinata viene pressurizzata, surriscaldata ed espansa nelle turbine per produrre elettricità. I sistemi LAES impiegano tecnologie mature quindi molto affidabili ed economiche. Anche se le tecnologie sono mature, il sistema LAES richiede ottimizzazioni e analisi della configurazione poiché combinano vari sottosistemi. Questa tesi introduce i metodi di accumulo dell'energia e i sottosistemi LAES all'avanguardia nei primi due capitoli. Quindi, nel terzo capitolo, un ciclo LAES autonomo è modellato utilizzando il software Aspen Plus e il modello è attraverso il lavoro di benchmark pubblicato. Nel quarto capitolo, vengono eseguite analisi di sensibilità per le pressioni operative, le temperature e la configurazione del ciclo. Vengono presentati miglioramenti termodinamici e meccanici per aumentare l'efficienza del ciclo di andata e ritorno del ciclo del 4-6%. Infine, viene visualizzato il potenziale della tecnologia LAES da combinare con ORC e vengono suggerite ulteriori analisi per il lavoro futuro.
Modeling, analysis and development of a liquid air energy storage system
AYDOGAN, CEM
2019/2020
Abstract
Global electrical energy demand is growing periodically, stemming from an increase in the population and expansion of access to electricity in the developing countries. To meet this demand, usage of fossil fuels is increased leading to pollution and subsequently global warming. Renewable energy is a solution to such problems, but it has some technical difficulties matching the requirements of the grid. Energy storage technologies are promising to overcome the mismatching in the supply/demand period of the renewables by storing and load shifting the energy. Although there are a couple of energy storage methods such as electrochemical, flywheels, capacitors, hydrogen or super magnets, this thesis focuses on one of the most promising method for grid scale long-term energy storage system which is the Liquid Air Energy Storage (LAES) system. LAES systems utilize the excess energy in the off-peak period to liquefy the air while storing the hot and cold thermal energy. During on-peak period, stored liquid air is pressurized, superheated and expanded in the turbines to produce electricity. The LAES systems employ mature technologies thus very reliable and cost efficient. Even though the technologies are mature, the LAES system requires optimizations and configuration analysis since they combine various sub systems. This thesis introduces the energy storage methods and the state-of-the-art LAES subsystems in the first two chapters. Then, in the third chapter, a standalone LAES cycle is modelled by using Aspen Plus software and the model is through published benchmark work. In the fourth chapter, sensitivity analyses for the operating pressures, temperatures and cycle configuration is performed. Thermodynamic and mechanical improvements are presented to increase round trip efficiency of the cycle by 4-6%. Finally, the potential of the LAES technology to combine with ORC is displayed and further analyzes are suggested for the future work.| File | Dimensione | Formato | |
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