• Energy Research
• Royal Institute of Technology close

Energy storages take a key role in electrical energy balancing in our power grid in respect to the increasing utilization of renewable energies. Assessing the effectiveness of energy storages and f ...

In recent years, driven by global environmental issues, a growing number of renewable energy sources (RESs) have been developed. Microgrids have been confirmed as an important part in the increasing penetrations of renewable energy and the shift from a centralized paradigm to decentralized electricity production. The energy storage system (ESS) is a critical component that affects the development of microgrids. Combining advantages from different energy storage technologies, a hybrid energy storage system (HESS) can satisfy multiple requirements in microgrids. This paper compares the single battery system with the battery-supercapacitor (SC) HESS and the battery-flywheel HESS in an isolated photovoltaic (PV) power microgrid. Results show that both the SC and the flywheel distinctly reduce the battery charging and discharging powers and the required capacity of the battery. Therefore, the stresses and the needed size of the battery are reduced and the battery lifetime is extended.

Abstract Current challenges in the electric grid progression demand energy storages to cope with any imbalances between supply and demand side. Application possibilities of energy storages are numerous, but the requirements vary from case to case. However, not every storage technology operates equally to be useful in any situation. In fact, the feasibility of energy storages depend on their technical characteristics, i.e., for example efficiency, response times, power rating and capacity for a selected application. Comparing and assessing different storage options is imperative for decision-making, which requires an in-depth understanding of the technology and its dynamics. Hence, a general model approach of energy storages as equivalent circuit models has been proposed to unify and analyze storages of different physical backgrounds. This allows a more direct and intuitive evaluation of energy storages tested in a specific application. This paper focuses on the experimental validation of energy storages (ultra-capacitor, li-ion battery, lead-acid battery and flywheel) to be uniformly described in one general model. A simple and budget friendly experimental setup to test the storages is designed.

Energy storages are indispensable in regard to the development of the smart grid with increasing fluctuating power generation. A valid choice of energy storages is important to ensure the efficiency of the system and selected application. This study describes an initial approach to model energy storage systems as an equivalent circuit. This model is capable of analyzing different load scenarios and simulating the storage's behavior in dependence of three circuit components, i.e., resistance, inductance and capacitance. These model parameters define the storage system and can be used to test existing storage devices or find an optimal setting for selected load conditions. The model is tested in a load scenario with a residential building supported by photovoltaic generation.

The project Austerland Energi at the eastern tip of the island of Gotland called Östergarnslandet was started as a response to the larger project Omställning Gotland funded by the Swedish government as an effort for a pilot project to convert to renewable energy to reach zero CO2-emissions for the country in 2045. The current plan for the Austerland energy system is a solar PV and wind production base with energy storage in the form of batteries and hydrogen which also can be used as vehicle fuel. The system will also continue to be connected to the grid and the annual electricity consumption for the area is 3.4 GWh, including both households and agricultural activities. The energy system has been modeled by Energenious, a company based in Berlin, Germany, who recommended a battery storage and electrically driven vehicles. The total investment cost of which was 30.099 MSEK and the operation and maintenance cost was 2,780 kSEK/year and the emission rate was 138 ton/year. The yearly global horizontal irradiance is approximately 1,060 kWh/m2 at the location, the average wind speed is 7.5-8.5 m/s at 100 m hub height, but the wind turbine would have to be lower because of the Östergarnslandet being a protected area for the beautiful scenery. The heat production is mostly individual for each household or farm with either heat pumps or biomass boilers. There are no options for hydropower at the location and there is a desalination plant and a water treatment facility which provides the households and farms with drinking and irrigation water. The alternative energy storage solutions investigated in this thesis includes Flywheel, Redox flow battery, Pumped hydro, Deep Sea pumped hydro, Supercapacitors, Compressed air energy storage and Thermal energy storage. The first three of which were included in the models of the system. For the Future scenario changes of the energy consumption, the patterns of change for the households were based on national and regional trends the last 25 years. The Austerland energy system was modeled using the software Homer Pro, where the base case of using batteries and batteries together with hydrogen storage was analyzed. The batteries were then switched to flywheels, a redox flow battery and a pumped hydro system respectively and analyzed with and without the hydrogen storage. The results showed that the recommended storage solution was still the batteries since the flywheel storage has too short storage duration, the flow battery storage is more expensive, and the pumped hydro storage has a complicated installation process. However, the recommended size of the batteries was half that of the recommended size provided by the Energenious models and the results also showed that the system would be suitable for a future change of the consumption patterns. Lastly, the sustainability analysis showed that all the alternative energy storage devices have a slightly less CO2-emission rate, but none of the systems had a emission rate as low as that calculated by Energenious. However, when considering any of the components in an energy system, a more thorough investigation of environmental and social issues of the production process should be made. The investigation should include studying working conditions, wages, suspicions about child labour, process waste streams and other emissions streams and ethical values at the production company. Projektet Austerland Energi är lokaliserat på ön Gotlands östra spets kallat Östergarnslandet. Projektet startades som ett efterfrågat initiativ genom det större projektet Omställning Gotland vilket är finansierat av den svenska regeringen. Omställning Gotland är för ett pilotprojekt för att ställa om till förnybar energi i landet och för att nå netto noll CO2-utsläpp i landet år 2045. Den nuvarande planen för Östergarns energisystem är en solcells- och vind produktions bas med energilagring i form av batterier och vätgas vilket också kan användas som fordonsbränsle. Systemet kommer även fortsättningsvis att vara anslutet till det lokala elnätet och den årliga elförbrukningen för området är 3.4 GWh inklusive både hushåll och lantbruksverksamhet. Energisystemet har modellerats av Energenious, ett företag baserat i Berlin, Tyskland, som rekommenderade batterilagring och elfordon snarare än att använda vätgas. Den totala investeringskostnaden var beräknad till 30,099 MSEK och drift- och underhållskostnaden var 2,780 kSEK/år och CO2-utsläppen var 138 ton/år. Den årliga solinstrålningen på Östergarn är cirka 1,060 kWh/m2, medelvindhastigheten är 7.5-8.5 m/s vid 100 m navhöjd, men vindkraftverket måste vara lägre än så eftersom Östergarnslandet är ett skyddat område på grund av det vackra landskapet. Värme förses mestadels individuellt för varje hushåll eller gård med hjälp av antingen värmepumpar eller värmepannor som använder biomassa. Det finns ingen möjlighet för vattenkraft på denna del av Gotland men det finns en avsaltningsanläggning och en vattenreningsanläggning som förser hushållen och gårdarna med dricksvatten och vatten för bevattnings. De alternativa energilagrings lösningar som undersöks i denna avhandling inkluderar svänghjul, redox flödesbatteri, ett pumpkraftverk antingen på land eller till havs, superkondensatorer, trycklufts lagring och lagring av termisk energi. De tre förstnämnda alternativen ingick i modelleringen utförd i detta arbete. För undersökningen av framtida energiförbruknings förändringar, undersöktes utvecklingen för hushållen på nationella och regional nivå under de senaste 25 åren. Austerlands energisystem modellerades med hjälp av programvaran Homer Pro, där originalmodellen med endast eller batterier tillsammans med vätgaslagring analyserades. Batterierna byttes sedan till svänghjul, ett redox flödesbatteri respektive ett pumpkraftverk och analyserades med och utan vätgaslagringen. Resultaten visade att den rekommenderade lagringslösningen fortfarande var batterierna eftersom svänghjulet har för kort lagringstid, flödesbatteriet är för dyrt och pumpkraftverket har en mycket mer komplicerad installationsprocess. Den rekommenderade storleken på batterierna visade sig dock vara hälften av den rekommenderade storleken från Energenious-modellerna och resultaten visade också att systemet kommer vara lämpligt för den beräknade framtida konsumtionen. Slutligen visade hållbarhetsanalysen att alla alternativa energi lagringstyper har en något lägre koldioxidutsläpp, men inget av systemen hade en så lågt utsläpp som beräknat av Energenious. När någon av komponenterna i ett energisystem övervägs bör dock en mer grundlig undersökning av miljömässiga och sociala frågor i produktionsprocessen göras. Undersökningen bör omfatta arbetsvillkor, löner, misstankar om barnarbete, avfallshantering och andra utsläpp under produktionsprocessen och etiska värderingar hos produktionsföretaget.