Design and simulation of a CAES plant using former oil storage caverns
(2024) MVKM01 20242Department of Energy Sciences
- Abstract
- The subject of energy storage is of increasingly more research interest with a larger share of unpredictable and cheap renewable energy entering the grid. Behind only batteries and pumped hydro in technological maturity, compressed air energy storage stands as a possibility in balancing the grid of the future, with its main benefits being highly efficient utilisation of fuel energy and high flexibility.
This thesis has investigated the conversion of oil storage caverns at an existing power plant into compressed air storage for CAES. To start with, a theoretical overview is given, along with some methods for gauging the later performance on the spot market. The work was then continued with analysis of the caverns and local conditions,... (More) - The subject of energy storage is of increasingly more research interest with a larger share of unpredictable and cheap renewable energy entering the grid. Behind only batteries and pumped hydro in technological maturity, compressed air energy storage stands as a possibility in balancing the grid of the future, with its main benefits being highly efficient utilisation of fuel energy and high flexibility.
This thesis has investigated the conversion of oil storage caverns at an existing power plant into compressed air storage for CAES. To start with, a theoretical overview is given, along with some methods for gauging the later performance on the spot market. The work was then continued with analysis of the caverns and local conditions, the results of which were fed into a modelling of the thermal process to estimate performance. These results were then transferred into a system-level model, where a few different CAES configurations were operated on the spot market using a relatively simple trading algorithm.
The previously used technology of lined rock caverns is proposed as the most viable option in sealing the rock caverns for CAES operation. The process simulation results show excellent thermal performance, being able to utilise over 75 \% of the fuel's LHV during discharging. All CAES layouts show negative IRR for operation only on the spot market, suggesting intra-day trading, ancillary grid services and synergy with other parties or power plants are vital to the investment's viability, though all uncertain to quantify. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Omvandling av energi har spelat en stor roll i samhällets utveckling: från eldens upptäckt via vatten- och väderkvarnar till kol och olja under industriella revolutionen. Gemensamt för alla dessa energiformer är att de antingen går att lagra, som i bränslenas fall, eller att variationer i vatten- eller väderförhållanden inte har någon stor påverkan på resultatet. I elnätet, däremot, måste det råda ständig balans mellan ut- och inflöden för systemets fortsatta funktion. Elektricitet är en på många sätt bra energiform, och färdas i ljusets hastighet med små förluster, men i takt med att väderberoende energiomvandlare, främst i form av vind- och solkraft, står för en stadigt ökande andel av elförsörjningen ökar behovet av flexibla producenter... (More)
- Omvandling av energi har spelat en stor roll i samhällets utveckling: från eldens upptäckt via vatten- och väderkvarnar till kol och olja under industriella revolutionen. Gemensamt för alla dessa energiformer är att de antingen går att lagra, som i bränslenas fall, eller att variationer i vatten- eller väderförhållanden inte har någon stor påverkan på resultatet. I elnätet, däremot, måste det råda ständig balans mellan ut- och inflöden för systemets fortsatta funktion. Elektricitet är en på många sätt bra energiform, och färdas i ljusets hastighet med små förluster, men i takt med att väderberoende energiomvandlare, främst i form av vind- och solkraft, står för en stadigt ökande andel av elförsörjningen ökar behovet av flexibla producenter i elsystemet. I dagsläget fylls denna roll i Sverige av vattenkraften, och på global skala till stor del av gasturbiner, i princip förstorade flygmotorer anpassade för elproduktion.
Genom de prissvängningar som uppstår finns nya möjligheter för lönsam energilagring, där billig elektricitet omvandlas till en annan energiform för att sedan omvandlas tillbaka när behovet, och priset, är som störst. Pumpkraftverk och batterier är kanske de mest välkända exemplen på denna teknik, men i det här arbetet undersöks en annan teknik: nämligen lagring av tryckluft genom stora kompressorer. Tryckluften lagras i stora bergrum för användning i en gasturbin, och kan möjliggöra avsevärt högre flexibilitet och bränsleeffektivitet än normalt. Särskilt spelar detta roll i en framtid med dyrare och förnybara bränslen, där tryckluftslagring alltså har förutsättningar att bidra med effektivast möjliga användning av exempelvis biobränslen. I arbetet har en omvandling av bergrum för oljelagring undersökts, vilket kan ha förutsättning att sänka investeringskostnaderna avsevärt. Anläggningens prestanda har sedan simulerats, och denna data har i sin tur använts för att simulera hur lönsam en sådan anläggning hade varit under 2023. Resultatet visar att det blir svårt att få lönsamhet för en sådan anläggning genom att bara använda fluktuationer i elpris, men möjligheten att bidra med andra tjänster till elnätet, exempelvis genom handel med kortsiktiga obalanser, gör att tryckluftslagring kvarstår som en intressant teknik för framtidens energilagring. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9178945
- author
- Carlsson, Axel LU
- supervisor
- organization
- course
- MVKM01 20242
- year
- 2024
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Compressed air energy storage, CAES, oil caverns, gas turbine, biofuel, MFA, compression train, expansion train, market model, lined rock cavern
- report number
- LUTMDN/TMHP-24/5607-SE
- ISSN
- 0282-1990
- language
- English
- id
- 9178945
- date added to LUP
- 2024-12-20 09:26:31
- date last changed
- 2024-12-20 09:26:31
@misc{9178945,
abstract = {{The subject of energy storage is of increasingly more research interest with a larger share of unpredictable and cheap renewable energy entering the grid. Behind only batteries and pumped hydro in technological maturity, compressed air energy storage stands as a possibility in balancing the grid of the future, with its main benefits being highly efficient utilisation of fuel energy and high flexibility.
This thesis has investigated the conversion of oil storage caverns at an existing power plant into compressed air storage for CAES. To start with, a theoretical overview is given, along with some methods for gauging the later performance on the spot market. The work was then continued with analysis of the caverns and local conditions, the results of which were fed into a modelling of the thermal process to estimate performance. These results were then transferred into a system-level model, where a few different CAES configurations were operated on the spot market using a relatively simple trading algorithm.
The previously used technology of lined rock caverns is proposed as the most viable option in sealing the rock caverns for CAES operation. The process simulation results show excellent thermal performance, being able to utilise over 75 \% of the fuel's LHV during discharging. All CAES layouts show negative IRR for operation only on the spot market, suggesting intra-day trading, ancillary grid services and synergy with other parties or power plants are vital to the investment's viability, though all uncertain to quantify.}},
author = {{Carlsson, Axel}},
issn = {{0282-1990}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Design and simulation of a CAES plant using former oil storage caverns}},
year = {{2024}},
}