Steady state and time dependent compressed air energy storage model validated with Huntorf operational data and investigation of hydrogen options for a sustainable energy supply

Kaiser, Friederike GND

Wind power and photovoltaic energy play a significant role in sustainable energy systems. However, these two renewable energy sources do not generate electrical energy on demand and are subject to natural fluctuations. Thus, the need for compensatory measures arises. Compressed air energy storage power plants (CAES) are a possible solution to providing negative and positive control energy in the electric grid. However, in contrast to other energy storage devices such as pumped hydro energy storage or batteries, the storage medium compressed air hardly contains any energy (or more precisely: enthalpy). Yet, compressed air storage allows the operation of highly efficient gas turbines, which are not only particularly fast available but also achieve better efficiency than combined cycle power plants used today, as illustrated by the example of the modern gas and steam power plant Irsching with ηtc = 60 % from 2011 compared to the 20 years older McIntosh CAES with ηtc = 82.4 %. In this thesis, the calculation methods for the thermodynamics of the CAES process are presented and validated by measured data from the operations of the CAES power plant Huntorf. Both the steady state and the dynamic (time-dependent) analyses of the process take place. The characteristic value efficiency is discussed in detail, since numerous different interpretations for CAES exist in the literature. A new calculation method for the electric energy storage efficiency is presented, and a method for the calculation of an economically equivalent electricity storage efficiency is developed. Consideration is given to the transformation of the CAES process into a hydrogen-driven and, thus, greenhouse gas-free process. Finally, a model CAES system is tested in a 100 % renewable model environment. Consequently, it can be stated that in the steady-state thermodynamic calculation in particular, the consideration of realistic isentropic efficiencies of compressors and turbines is essential to correctly estimate the characteristic values of the process. Furthermore, a steadystate view should always be accompanied by dynamic considerations, since some process characteristics are always time-dependent. The simulation shows that by mapping transient operating conditions, the overall efficiency of the system must be corrected downwards. Nevertheless, in the model environment of a 100 % renewable energy system, it has beenshown that a CAES is a useful addition that can provide long-term energy storage.

In einer nachhaltigen Energiewirtschaft nehmen Windkraft und Photovoltaik eine wichtige Stellung ein. Diese beiden erneuerbaren Energiequellen erzeugen elektrische Energie jedoch nicht bedarfsorientiert, sondern unterliegen natürlichen Schwankungen. Somit steigt der Bedarf an Ausgleichsmaßnahmen. Druckluftspeicherkraftwerke (CAES, vom Englischen "Compressed Air Energy Storage") sind eine Möglichkeit negative und positive Regelenergie im Netz bereit zu stellen. Im Gegensatz zu klassischen elektrischen Energiespeichern, wie Pumpspeichern und Batterien, enthält das Speichermedium Druckluft jedoch kaum Energie. Dennoch ermöglicht die Speicherung von Druckluft den Betrieb von höchst effizienten Gasturbinen, die nicht nur besonders schnell verfügbar sind, sondern auch bereits vor über 25 Jahren eine bessere Effizienz erreicht hatten, als modernste heutige Kombikraftwerke. In dieser Arbeit werden Berechnungsmethoden für die Thermodynamik des CAES Prozesses vorgestellt und mittels Messdaten aus dem Betrieb des CAES Kraftwerkes Huntorf validiert. Dabei erfolgt sowohl die stationäre als auch dynamische Analyse des Prozesses. Die charakteristische Größe Wirkungsgrad wird ausführlich diskutiert, da in der Literatur zahlreiche unterschiedliche Interpretationen existieren. Eine neue Berechnungsmethode für den elektrischen Speicherwirkungsgrad wird vorgestellt sowie eine Methode zur Berechnung eines ökonomisch äquivalenten Stromspeicherwirkungsgrades entwickelt. Es werden Überlegungen zur Umgestaltung des CAES Prozesses in einen Wasserstoff-getriebenen und somit Treibhausgas-freien Prozess angestellt. Schließlich wird ein Beispiel CAES System in einer 100 % erneuerbaren Modell Umgebung getestet. Im Ergebnis ist festzustellen, dass bei der stationären thermodynamischen Berechnung insbesondere die Berücksichtigung von realistischen isentropen Wirkungsgraden von Kompressor und Turbine wesentlich ist um die charakteristischen Werte des Prozesses korrekt einzuschätzen. Weiterhin sollte eine stationäre Betrachtung immer auch von dynamischen Betrachtungen begleitet werden, da einige Prozesscharakteristiken stets zeitabhängig sind. In der Simulation zeigt sich, dass durch die Abbildung von instationären Betriebszuständen, der Gesamtwirkungsgrad der Anlage nach unten korrigiert werden muss. Dennoch konnte in der Modellumgebung eines 100 % erneuerbaren Energiesystems gezeigt werden, dass ein CAES eine sinnvolle Ergänzung darstellt, um Energie zu speichern.

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Kaiser, Friederike: Steady state and time dependent compressed air energy storage model validated with Huntorf operational data and investigation of hydrogen options for a sustainable energy supply. Clausthal-Zellerfeld 2021. TU Clausthal.

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