Feasibility of a Pumped Storage Hydro & Wind-Power Hybrid Setup

Abstract

The introduction of the Renewable Energy Directive 2009, increased the renewable energy sources
(RES) in the European Union (EU) and especially Sweden. Given the uncontrollable nature of weather
patterns, energy generation is likely to become more volatile, thereby elevating the risk of curtailment and
negative energy prices. The electricity demand in Sweden is also poised to rise sharply in the upcoming
years. Implementing a storage technology, in this case, a small-scale pumped storage hydropower
interconnected with a wind power system as a hybrid setup, indicated stability regarding both reliable
and constant generation by reducing idle hours from the Wind Power Systems (WPS). The simulated
model for the projected Pumped Storage Hydropower (PSH) site indicated that spot price optimization
is feasible, allowing for storage opportunities when demand is low and generation when demand is high.
The primary limitation appeared to be the cost elements related to the capital expenditure (CAPEX) and
operational expenditure (OPEX) estimation where EPC, the powerhouse structure, and grid fees had a
significant unfavorable impact on the cost assessment

Popular Abstract (Swedish)

Energilösningen för Framtiden: Vattenpumplagring & Vindkraft

Genom åren har användningen av fossila bränslen minskat, samtidigt som vi sett en ökning av förnybara energikällor som vindoch solkraft. Sverige står dock inför en utmaning: vindens oförutsägbara natur skapar problem för elnätets stabilitet. Denna rapport utforskar möjligheterna kring el-lagring genom vattenpumplagring kopplat till en vindkraftspark för en stabil och effektiv produktion för elen. Studien visar att tekniken kan förbättra nätets stabilitet, men att höga investeringskostnader kan vara ett hinder.

Introduktionen av Europeiska unionens nya energidirektiv 2009 ökade användningen av förnybara energikällor från 12,5% under 2010 till 23% under 2022. Trenden av användningen av förnybara energikällor som t.ex. vindkraft & solkraft, har varit tydlig under de senaste åren. Det preliminära målet är att nå 42,5% under 2030. Studier visar också att 69% av el användningen kommer vara producerad från förnybara energikällor som främst kommer bestå av Vind- & solkraft.

I Sverige har vi också följt med i den här utvecklingen. Men det har också lett till en del problem. Elpriserna har blivit väldigt svajiga – vi har sett allt från skyhöga priser till nästan gratis el, ibland till och med under en krona per kilowattimme. Det beror mycket på att vindkraften är så oförutsägbar – vi kan inte styra när vinden blåser.
Framöver kan det bli ännu svårare. Även med mer förnybar energi kanske det inte räcker om alla vill använda el samtidigt. Vi riskerar att få elbrist när vi behöver den som mest.

Men med olika lagringsteknologier som t.ex. vattenpumplagring & batterier kan denna instabilitet minskas och kanske till och med elimineras. Denna rapport undersöker potentialen för vattenpumplagring kopplad till en vindkraftspark. Studien granskar både om det är tekniskt möjligt att stabilisera elnätet och om det är en ekonomiskt fördelaktig lösning. Detta arbete gjordes i samarbete med BayWa r.e. Nordic AB som är en ledande global aktör inom förnybar energi, fokuserad på vindkraft, solkraft & energilagringslösningar.
Såhär fungerar vattenpumplagringen: Vatten pumpas genom ett rör från en lägre till en högre vattenkälla, vilket motsvarar ellagringen. Elen som används för pumpningen kommer antigen från vindkraftsparken eller från el-marknaden. När den lagrade elen behövs, flödar vattnet tillbaka ner genom samma rör till en turbin som driver elgenerator som sedan skickar ut elen till våra fina elledningar.

Idén bakom teknologin i denna studie är att lagra energi vid låg efterfrågan och sedan leverera el vid hög efterfrågan. Detta sker genom att använda vindkraften vid när elproduktionen är låg eller hög och genom att köpa el på elmarknaden när det behövs.

Studien visar att kombinationen av vattenpumplagringsteknologin & vindkraft har positiva effekter för att stabilisera elnätet, särskilt när vindkraftsproduktionen är låg. Men de höga investeringskostandera är ett hinder, eftersom kostnaderna överstiger intäkterna. Trots detta visar teknologin positiva effekter som kan gynna samhället genom att erbjuda en stabil och säker elförsörjning, särskilt om fler intäktsmöjligheter och kostnadsreduceringar kan identifieras i framtida studier.

• author: Lotfi, Frank
• supervisor: Jens Klingmann
• organization: Department of Energy Sciences
• course: MVKM01 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Pumped Storage Hydropower, Wind Power Systems, Hybrid Setup, Ancillary Markets, Stable Generation, Pumping, Water, Wind, Arbitrage Markets, PSH, WPS, Energy Storage, Renewables, RES, Hydro
• publication/series: Feasibility of a Pumped Storage Hydro & Wind-Power Hybrid Setup
• report number: LUTMDN/TMHP-24/5585-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: English
• id: 9170257
• date added to LUP: 2024-08-14 08:57:25
• date last changed: 2024-08-14 08:57:25