• Energy Research
• UK Research and Innovation close

Este documento presenta un estudio realizado como parte de la puesta en marcha y prueba del primer sistema de demostración de almacenamiento de energía de calor bombeado (PHES) a escala de red de 150 kWe del mundo. El sistema emplea dos nuevos almacenes térmicos de lecho compacto en capas. El presente estudio investiga experimentalmente uno de los almacenes designados como "almacén térmico caliente", que tiene una densidad de almacenamiento de energía de 1072 MJ/m3 y almacena calor a 500 °C y 12 bar. El almacén en capas es una mejora de un almacén normal de camas compactas y ofrece un mayor grado de estratificación térmica. Los experimentos muestran que la estratificación da como resultado una reducción de aproximadamente el 64 % en la pérdida de presión junto con un rendimiento de termoclina considerablemente más estrecho. La eficiencia de ida y vuelta, la capacidad de almacenamiento y la utilización se calcularon en función del análisis de la primera ley, considerando la operación en modo simple y en capas en condiciones de diseño nominales. Se consideraron dos escenarios de control de ciclo: basado en el tiempo y basado en la temperatura. En el escenario basado en el tiempo, la tienda muestra un rendimiento casi similar en ambos modos. Sin embargo, en un escenario basado en la temperatura, el modo en capas supera. Durante la operación cíclica, el modo en capas supera a medida que alcanza el estado estacionario en simplemente el tercer ciclo, sin ninguna pérdida de eficiencia, capacidad y utilización; el modo simple produce eficiencia competitiva, pero la capacidad y la utilización se deterioran después de cada ciclo sucesivo y el estado estacionario se logra en el ciclo 20. Además, se realizó un análisis de la segunda ley para obtener información sobre varias pérdidas y su impacto en el rendimiento. Ce document présente une étude réalisée dans le cadre de la mise en service et des essais du premier système de démonstration de stockage d'énergie thermique par pompage (PHES) au monde à l'échelle du réseau de 150 kWe. Le système utilise deux nouveaux magasins thermiques à lit superposé. La présente étude étudie expérimentalement l'un des magasins désignés comme « magasin thermique chaud », qui a une densité de stockage d'énergie de 1072 MJ/m3 et stocke la chaleur à 500 °C et 12 bars. Le magasin à couches est une amélioration d'un magasin à lit emballé normal et offre un degré plus élevé de stratification thermique. Les expériences montrent que la superposition entraîne une réduction d'environ 64 % de la perte de pression et donne une thermocline considérablement plus étroite. L'efficacité aller-retour, la capacité de stockage et l'utilisation ont été calculées sur la base de l'analyse de la 1ère loi en considérant à la fois le fonctionnement en mode simple et en couches dans des conditions de conception nominales. Deux scénarios de contrôle du cycle ont été envisagés : basé sur le temps et basé sur la température. Dans le scénario basé sur le temps, le magasin affiche des performances presque similaires dans les deux modes. Cependant, dans un scénario basé sur la température, le mode en couches est plus performant. Pendant le fonctionnement cyclique, le mode en couches surperforme car il atteint l'état d'équilibre en seulement 3ème cycle, sans aucune perte d'efficacité, de capacité et d'utilisation ; le mode simple donne une efficacité compétitive mais la capacité et l'utilisation se détériorent après chaque cycle successif et l'état d'équilibre est atteint en 20ème cycle. L'analyse de la 2ème loi a en outre été effectuée pour mieux comprendre les diverses pertes et leur impact sur la performance. This paper presents a study carried out as part of commissioning and testing of world's first grid-scale 150 kWe Pumped Heat Energy Storage (PHES) demonstration system. The system employs two novel layered packed-bed thermal stores. The present study experimentally investigates one of the stores designated as "hot thermal store", which has an energy storage density of 1072 MJ/m3 and stores heat at 500 °C and 12 bar. The layered store is an enhancement of a normal packed-bed store and offers a higher degree of thermal stratification. Experiments show that layering results in about 64 % reduction in pressure loss along with yielding considerably narrower thermocline. Round-trip efficiency, storage capacity and utilisation were calculated based on 1st Law analysis considering both simple and layered mode operation at nominal design conditions. Two cycle control scenarios were considered: time-based and temperature-based. In the time-based scenario, the store shows nearly similar performance in both modes. However, in temperature-based scenario, layered mode outperforms. During cyclic operation, layered mode outperforms as it reaches steady-state in merely 3rd cycle, without any loss in efficiency, capacity and utilisation; simple mode yields competitive efficiency but capacity and utilisation deteriorate after each successive cycle and steady-state is achieved in 20th cycle. 2nd Law analysis was additionally performed to gain insight into various losses and their impact on the performance. تقدم هذه الورقة دراسة أجريت كجزء من تشغيل واختبار أول نظام توضيحي لتخزين الطاقة الحرارية المضخة (PHES) على نطاق الشبكة في العالم بقدرة 150 كيلو واط. يستخدم النظام مستودعين حراريين جديدين معبأين بطبقات. تبحث الدراسة الحالية تجريبياً في أحد المخازن المعينة على أنها "مخزن حراري ساخن"، والذي تبلغ كثافة تخزين الطاقة فيه 1072 مللي جول/م 3 ويخزن الحرارة عند 500 درجة مئوية و 12 بار. المخزن متعدد الطبقات هو تعزيز لمخزن سرير معبأ عادي ويوفر درجة أعلى من التقسيم الطبقي الحراري. تظهر التجارب أن الطبقات تؤدي إلى انخفاض حوالي 64 ٪ في فقدان الضغط جنبًا إلى جنب مع إنتاج خط حراري أضيق بكثير. تم حساب كفاءة الرحلة ذهابًا وإيابًا وسعة التخزين والاستخدام بناءً على تحليل القانون الأول مع مراعاة كل من التشغيل البسيط والطبقي في ظروف التصميم الاسمية. تم النظر في سيناريوهين للتحكم في الدورة: قائم على الوقت وقائم على درجة الحرارة. في السيناريو القائم على الوقت، يُظهر المتجر أداءً مشابهًا تقريبًا في كلا الوضعين. ومع ذلك، في السيناريو القائم على درجة الحرارة، يتفوق الوضع الطبقي. أثناء التشغيل الدوري، يتفوق الوضع متعدد الطبقات حيث يصل إلى حالة مستقرة في الدورة الثالثة فقط، دون أي خسارة في الكفاءة والقدرة والاستخدام ؛ ينتج عن الوضع البسيط كفاءة تنافسية ولكن القدرة والاستخدام يتدهوران بعد كل دورة متتالية ويتم تحقيق حالة ثابتة في الدورة العشرين. تم إجراء تحليل القانون الثاني بالإضافة إلى ذلك لاكتساب نظرة ثاقبة للخسائر المختلفة وتأثيرها على الأداء.

Entre las tecnologías conocidas de almacenamiento de energía con el objetivo de aumentar la eficiencia y la estabilidad de las redes eléctricas, el almacenamiento de energía por calor bombeado (PHES) es considerado por muchos como un candidato prometedor debido a su flexibilidad, potencial de ampliación y bajo costo por unidad de almacenamiento de energía. Si bien hay numerosos sistemas de demostración en desarrollo, tal como se encuentra, el único sistema de demostración de PHES que se realizará a escala se encuentra en Hampshire, Reino Unido. Este trabajo tiene como objetivo presentar los resultados y análisis obtenidos de su puesta en marcha y pruebas como parte de un estudio en curso. El sistema fue diseñado para ofrecer un tamaño de potencia nominal de 150 kWe y una capacidad de almacenamiento de energía de 600 kWhe para un ciclo de almacenamiento de 8 horas. Este trabajo presenta evidencia del sistema de eficiencia de ida y vuelta (RTE), que se considera una métrica de rendimiento fundamental para las tecnologías de almacenamiento de energía a gran escala. Las mediciones registradas de presión-volumen (P-V) de las pruebas recientes de bomba de calor/motor a carga parcial ofrecen información útil en términos de rendimiento general. También se desarrollan modelos para simular el sistema para predecir finalmente el rendimiento en condiciones de carga completa. El sistema y el principio de funcionamiento se describen primero, seguidos de modelos matemáticos que describen el mecanismo de transferencia de calor y las pérdidas clave asociadas involucradas en los procesos termodinámicos dentro de los componentes, y finalmente los resultados se presentan y comparan en diferentes condiciones de funcionamiento utilizando diferentes gases de trabajo. Los resultados muestran un buen acuerdo con estudios anteriores, que indican que el RTE esperado de electricidad a electricidad es bastante comparable a otras tecnologías maduras como el almacenamiento de energía hidroeléctrica por bombeo y el almacenamiento de energía de aire comprimido. También se analiza el funcionamiento cíclico del sistema. El ciclo de almacenamiento único da como resultado RTE más bajos en comparación con una operación cíclica de nivelación de carga donde la eficiencia se mejora significativamente debido al comportamiento estable del lecho compacto y una mejor utilización después de un estado transitorio inicial. Parmi les technologies de stockage d'énergie connues visant à augmenter l'efficacité et la stabilité des réseaux électriques, le stockage d'énergie thermique par pompage (PHES) est considéré par beaucoup comme un candidat prometteur en raison de sa flexibilité, de son potentiel de mise à l'échelle et de son faible coût par unité de stockage d'énergie. Bien qu'il existe de nombreux systèmes de démonstration en cours de développement, en l'état, le seul système de démonstration PHES à être réalisé à grande échelle est situé dans le Hampshire, au Royaume-Uni. Cet article vise à présenter les résultats et l'analyse obtenus lors de sa mise en service et de ses essais dans le cadre d'une étude en cours. Le système a été conçu pour offrir une puissance nominale de 150 kWe et une capacité de stockage d'énergie de 600 kWhe pour un cycle de stockage de 8 heures. Ce travail présente des preuves de l'efficacité du système Round-trip (RTE), qui est considéré comme une mesure de performance fondamentale pour les technologies de stockage d'énergie à grande échelle. Les mesures de pression-volume (P-V) enregistrées lors des récents essais de pompe à chaleur/moteur à charge partielle offrent des informations utiles en termes de performances globales. Des modèles sont également développés pour simuler le système afin de prédire finalement les performances à pleine charge. Le système et le principe de fonctionnement sont d'abord décrits, suivis d'une modélisation mathématique décrivant le mécanisme de transfert de chaleur et les pertes clés associées impliquées dans les processus thermodynamiques au sein des composants, et enfin les résultats sont présentés et comparés à différentes conditions de fonctionnement en utilisant différents gaz de travail. Les résultats montrent un bon accord avec les études antérieures, qui indiquent que le RTE électricité-électricité attendu est tout à fait comparable à d'autres technologies matures telles que le stockage hydroélectrique par pompage et le stockage d'énergie par air comprimé. Le fonctionnement cyclique du système est également discuté. Un cycle de stockage unique entraîne des RTE plus faibles par rapport à un fonctionnement cyclique de nivellement de charge où l'efficacité est considérablement améliorée en raison d'un comportement stable en lit tassé et d'une meilleure utilisation après un état transitoire initial. Among the known energy storage technologies aiming to increase the efficiency and stability of power grids, Pumped Heat Energy Storage (PHES) is considered by many as a promising candidate because of its flexibility, potential for scale-up and low cost per energy storage unit. Whilst there are numerous demonstration systems under development, as it stands the only PHES demonstration system to be realised at scale is located in Hampshire, UK. This paper aims to present the results and analysis obtained from its commissioning and testing as part of an on-going study. The system was designed to offer a nominal power size of 150 kWe and energy storage capacity of 600 kWhe for an 8-hour storage cycle. This work presents evidence of the system Round-trip efficiency (RTE), which is considered as a fundamental performance metric for large-scale energy storage technologies. Recorded Pressure-Volume (P-V) measurements from recent heat pump/engine testing at part-load offers useful insight in terms of overall performance. Models are also developed to simulate the system to finally predict the performance at full-load conditions. The system and principle of operation are described first, followed by mathematical modelling outlining heat transfer mechanism and associated key losses involved in thermodynamic processes within components, and finally results are presented and compared at different operating conditions using different working gases. The results show good agreement with earlier studies, which indicate that expected electricity-to-electricity RTE is quite comparable to other mature technologies such as Pumped Hydropower Storage and Compressed Air Energy Storage. The cyclic operation of the system is also discussed. One-off storage cycle results in lower RTEs compared to a load-levelling cyclic operation where the efficiency is significantly improved due to stable packed-bed behaviour and better utilisation after an initial transient state. من بين تقنيات تخزين الطاقة المعروفة التي تهدف إلى زيادة كفاءة واستقرار شبكات الطاقة، يعتبر الكثيرون تخزين الطاقة الحرارية المضخة (PHES) مرشحًا واعدًا بسبب مرونته وإمكانية توسيعه وتكلفته المنخفضة لكل وحدة تخزين طاقة. في حين أن هناك العديد من أنظمة العرض قيد التطوير، حيث أنه يمثل نظام عرض PHES الوحيد الذي يتم تحقيقه على نطاق واسع ويقع في هامبشاير، المملكة المتحدة. تهدف هذه الورقة إلى تقديم النتائج والتحليلات التي تم الحصول عليها من التكليف والاختبار كجزء من دراسة مستمرة. تم تصميم النظام لتوفير حجم طاقة اسمي يبلغ 150 كيلو واط وسعة تخزين طاقة تبلغ 600 كيلو واط في الساعة لدورة تخزين مدتها 8 ساعات. يقدم هذا العمل دليلاً على كفاءة النظام ذهابًا وإيابًا (RTE)، والذي يعتبر مقياسًا أساسيًا للأداء لتقنيات تخزين الطاقة على نطاق واسع. توفر قياسات الضغط والحجم المسجلة (P - V) من اختبار المضخة الحرارية/المحرك الأخير عند التحميل الجزئي رؤية مفيدة من حيث الأداء العام. كما يتم تطوير نماذج لمحاكاة النظام للتنبؤ أخيرًا بالأداء في ظروف التحميل الكامل. يتم وصف نظام ومبدأ التشغيل أولاً، متبوعًا بالنمذجة الرياضية التي تحدد آلية نقل الحرارة والخسائر الرئيسية المرتبطة بها التي تنطوي عليها العمليات الديناميكية الحرارية داخل المكونات، وأخيرًا يتم تقديم النتائج ومقارنتها في ظروف تشغيل مختلفة باستخدام غازات عمل مختلفة. تظهر النتائج توافقًا جيدًا مع الدراسات السابقة، والتي تشير إلى أن RTE المتوقعة من الكهرباء إلى الكهرباء قابلة للمقارنة تمامًا مع التقنيات الناضجة الأخرى مثل تخزين الطاقة الكهرومائية المضخة وتخزين طاقة الهواء المضغوط. كما تمت مناقشة التشغيل الدوري للنظام. تؤدي دورة التخزين لمرة واحدة إلى انخفاض RTEs مقارنةً بالتشغيل الدوري لمستوى الحمل حيث يتم تحسين الكفاءة بشكل كبير بسبب سلوك السرير المعبأ المستقر والاستخدام الأفضل بعد حالة عابرة أولية.