Modeling of a stand-alone liquid air energy storage

Abstract

The aim of this project was to create a model of the stand-alone LAES for use in future work at Siemens Industrial Turbomachinery (SIT). The model was created in IPSEpro with components developed from the software's standard library of power plant components. Required fluid properties were obtained from the Refprop DLL. This was accessed through the development of a DLL, functioning as a link between IPSEpro and the Refprop DLL. The model of the LAES was created from the plant layout proposed by Guizzi et al. (2015), along with presented stream data.

Simulations with the final model showed relatively small deviations in stream data and round-trip efficiency when compared to the reference. A test case was conducted to evaluate the model's capability of handling an off-design scenario with boil-off in the liquid air tank. The result showed that to compensate for the lost mass of liquid air the round-trip efficiency would be reduced from 53,23% to 50% over a stand-by duration of approximately ten days. The way the system compensated for the limited amount of cold energy by increasing the total compression ratio to maintain the rated capacity was considered reasonable. It could be concluded that the model could be useful for further evaluation of the energy storage system, but depending on the scenarios of interest, more development of the model may be necessary.

Popular Abstract (Swedish)

Ett problem som uppstår med ökningen av förnybara energikällor är att det oregelbundna beteendet, hos framförallt sol och vindkraft, gör det svårt att styra produktionen utifrån efterfrågan på energi. En potentiell lösning på detta problem är att lagra energin i flytande luft. För att undersöka hur denna metod lämpar sig för energilagring har en modell av ett fristående energilagringssystem med flytande luft skapats.

Den varierande energiproduktion som ges av förnybara energikällor behöver kompletteras med storskalig energilagring. De huvudsakliga lagringsmetoderna för detta ändamål är i dagsläget pumpkraftverk med vatten, och komprimering av luft. Problemet med dessa metoder är att de är geografisk begränsade då pumpkraftverket kräver en höjdskillnad mellan två reservoarer, och komprimerad luft behöver ett stort underjordiskt utrymme för lagring. En annan lovande lösning på detta problem, som inte är lika begränsad som de tidigare nämnda metoderna, är energilagring med flytande luft, som tillhör lagringskategorin kryogenisk energilagring.

Fördelaktigt med denna typ av lagring är att den bygger på redan existerande teknologi, där en av de viktigaste delarna i systemet är en implementering av teknologi kring förvätskning av gas. Systemets funktioner kan delas upp i tre steg. Det första steget utgörs av själva laddningsfasen. Genom tillförandet av överskottsenergi komprimeras och förvätskas luft som sedan separeras som gas och vätska. Det andra steget består av själva lagringen där den flytande luften lagras i en tank vid ungefär -194\degree C och atmosfärstryck. I det sista steget sker urladdningen där energin frigörs genom pumpning, återuppvärmning och expansion i ett turbinled.

I samarbete med Siemens Industrial Turbomachinery (SIT) har en modell skapats för denna typ av lagringssystem. Denna modell gjordes med hjälp av programvaran IPSEpro, där utgörande komponenter var designade utifrån programmets standardbibliotek för kraftverkskomponenter. Nödvändiga fluid-egenskaper erhölls från Refprop, som gjordes tillgänglig genom skapandet av en DLL. Denna fungerade som en länk mellan IPSEpro och Refprop. Resultatet från simuleringar för den slutliga modellen visade på små avvikelser jäntemot referensdata, och en verkningsgrad för systemet, utan mekaniska förluster i kompressorer och turbiner, uppmättes till 54.4\%. Efter att den sammansatta modellen validerats mot referensdata testades modellens förmåga att hantera ett off-design scenario med avkokning i lagringstanken för flytande luft. Resultatet visade på att en förlust av vätska hade en stor inverkan systemets prestanda. Med införandet av mekanisk verkningsgrad reducerades systemets totala verkningsgrad från 53.2\% till 50\% redan efter tio dagars standby-tid. Systemet tilläts kompensera för förlusten av flytande luft genom att framförallt höja det totala trycket under laddningfasen, och på sätt uppnå en större mängd vätska vid separeringen. Detta förklarar den ökade åtgången av tillfört arbete, och det ansågs därför att sättet modellen kompenserade för förlusten var rimligt. Slutsatsen kunde dras att modellen kan vara användbar för fortsatta utvärdering av systemet, men beroende på vad som ska undersökas kan mer utveckling av modellen vara nödvändig.

• author: Andersson, Fabian
• supervisor: Magnus Genrup
• organization: Department of Energy Sciences
• course: MVKM01 20201
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• report number: LUTMDN/TMHP-20/5457-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: English
• id: 9019227
• date added to LUP: 2020-06-17 13:22:52
• date last changed: 2020-06-17 13:22:52