Top Banner
Opslagtechnieken voor het net Frederik Geth (Johan Driesen) [email protected] KU Leuven Electa Studiedag: Energieopslag en Smart Grids “Een visie op het net van morgen”
61

Frederik Geth | Opslagtechnieken voor het net

Jun 24, 2015

Download

Engineering

Greenbridge nv

Academische case KULeuven - "Opslagtechnieken voor het net"
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Opslagtechnieken voor het net

Frederik Geth (Johan Driesen)[email protected]

KU Leuven ElectaStudiedag: Energieopslag en Smart Grids

“Een visie op het net van morgen”

Page 2: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Energy Storage in the Electric Power System

• Intermittent and difficult-to-predict renewables pose challenges to design and operation of power system

• Increased flexibility needs• Generation-consumption

• Localized grid issues

• No single flexibility source is indispensable, but all are part of a cost-effective solution

Space Time

Page 3: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Electricity Storage Definition

• Electricity storage systems, connected to the grid, perform three functions:• Consuming electric power• Accumulating the energy• Generating electric power

• Implies • Conversion of energy• Losses

• Causality between generation and consumption

Page 4: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Decourt, B., & Debarre, R. (2013). Factbook Electricity Storage (p. 98). ’s-Gravenhage, Netherlands.

>99%

Worldwide installed capacity

Page 5: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Decourt, B., & Debarre, R. (2013). Factbook Electricity Storage (p. 98). ’s-Gravenhage, Netherlands.

Most Common Technologies

Page 6: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Technology Comparison

Page 7: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Storage Plant Ratings

Gruber, K. H. Mit der Kraft des Wassers.

MWh

Page 8: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Large-Scale Electricity Storage

• Two most economical options:• Pumped Hydro Storage (PHS)• Compressed Air Energy Storage (CAES) (+ Natural gas?)

• Both depend on geological/geographical features, typically far from population (load centers)• Hydro: elevation difference & water storage• CAES: salt dome cavity for compressed gas storage

Page 9: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Overview Storage Technologies

Conversion ‘Direct’

Page 10: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Overview Storage Technologies

Page 11: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

SMES

http://www.bruker-est.com/bas_special_applications.html

Superconducting Magnet Energy Storage

• Cooling!• High power, low energy• Stores energy in

electromagnetic field• Power quality support

Page 12: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Overview Storage Technologies

Page 13: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›Electricity Storage /

Storage techniquesSupercapacitors - Concept

• A supercapacitor or an ultracapacitor is an electrochemical capacitor that has an unusually large amount of energy storage capability compared to common capacitors

• Stores energy in electric field

• High-power• Long cycle-life• High roundtrip efficiency

Source: Maxwell Technologies

Page 14: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Overview Storage Technologies

Page 15: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Pumped Hydro Storage (PHS)

• Position of body of water in gravitational field

• Pure and mixed

• Power pumping ≠ turbine

• Roundtrip efficiency 65-85%

• Most often in HV grid

• Asset of producers in liberalized market

Turbine-generator

Motor-pump

Frederik Geth
But in flexibility markets the value is not high enough
Page 16: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

PHS in Belgium

La centrale d’ accumulation par pompage de Coo – Trois-ponts. (2012). Electrabel. Retrieved from https://www.electrabel.com/assets/be/corporate/documents/12018_Coo_Folder_FR_LR.pdfThe hydroelectric power station of la Plate Taille. (n.d.). Retrieved from http://services-techniques.met.wallonie.be/en/waterways/the_hydroelectric_power_s/

Page 17: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Page 18: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Energy Island

Offshore PHS storage off the Belgian coast• Recently proposed project• Proven (mature) technology in a new innovative

context• Facilitating the integration of offshore wind power• Future offshore Supergrid building block?

Page 19: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Overview Storage Technologies

Page 20: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

CAES + Gas - Concept

Page 21: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Huntorf CAES

• Single commercial CAES in Europe Huntorf, Germany

• Low storage efficiency

Page 22: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

CAES + Gas - Pro’s and con’s

• Advantages:

– Low capital cost (integrated in CCGT plant)• Disdavantages:

– Need for natural cavity (typically salt cavern)– Lower round trip efficiency– Needs natural gas – Depends on presence of gas turbines and natural

gas pipeline

Page 23: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Adiabatic Compressed Air Storage

• Heat storage + pressure storage separated• Heat storage in oil, rocks, molten salt or

concrete• Efficiency target 70 %• Prototype under construction in Germany

(Adele project)

Page 24: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

AA-CAES

RWE project ADELE

Page 25: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Overview Storage Technologies

Page 26: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Flywheel development

Page 27: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Overview Storage Technologies

Page 28: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›Electricity Storage /

Storage techniquesBatteries - Comparison

Page 29: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Techno-economic parameters

• Averaged values over a given cycle depth• Assuming normal operation

envelope

• How to match technology to an application

• Develop cycling strategies to support a service

Page 30: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Safe operating conditions

• Envelope of – Voltage– Current– Temperature

• Failure mode depends on how envelope is breached– Cell use outside of normal envelope

may not have immediate consequences

– Damage is initiated by (a set of) abuse events

– Damage may then grow from operation within the safety envelope!

– Causes failure over time

Page 31: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Overview Battery Technologies

Normal

Pb

Gel VRLA

AGM VRLA

Open cell

Ni

NiCd

NiMH

NiZn

Li

LiCoO2

LiMn2O4

LiFePO4

Li4Ti5O12

Metal-air

High temperature

NaS

NaNiCl

Flow-type

PSB

VRB

ZnBr

CeZn

Page 32: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Overview Battery Technologies

Normal

Pb

Gel VRLA

AGM VRLA

Open cell

Ni

NiCd

NiMH

NiZn

Li

LiCoO2

LiMn2O4

LiFePO4

Li4Ti5O12

Metal-air

High temperature

NaS

NaNiCl

Flow-type

PSB

VRB

ZnBr

CeZn

Page 33: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Sodium Sulfur

• “NAS” by NGK insulators (Tepco)

• > 316 MW deployed @ > 200 locations

• 1 MW - 7.2 MWh units

– 20 x 50 kW modules

– 300 - 350 degrees C

– 15 a, 300 cycles / a, >75 % roundtrip

Page 34: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Page 35: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

BESS: Battery Energy Storage System

Page 36: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Sodium Sulfur

Page 37: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Overview Battery Technologies

Normal

Pb

Gel VRLA

AGM VRLA

Open cell

Ni

NiCd

NiMH

NiZn

Li

LiCoO2

LiMn2O4

LiFePO4

Li4Ti5O12

Metal-air

High temperature

NaS

NaNiCl

Flow-type

PSB

VRB

ZnBr

CeZn

Page 38: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

NaNiCl

• Manufacturers FIAMM and GE• High temperature• Sometimes called ZEBRA

Page 39: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Overview Battery Technologies

Normal

Pb

Gel VRLA

AGM VRLA

Open cell

Ni

NiCd

NiMH

NiZn

Li

LiCoO2

LiMn2O4

LiFePO4

Li4Ti5O12

Metal-air

High temperature

NaS

NaNiCl

Flow-type

PSB

VRB

ZnBr

CeZn

Page 40: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Li-ion Family

Negative electrode

Positive electrode

Page 41: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Li-ion Family

• Mass-production ramping up with rollout of electric vehicles• Different chemistries have different features• Long lifetime and high efficiency achievable, cost coming down

Page 42: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Containerized solutions

• NEC(A123)

Page 43: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Overview Battery Technologies

Normal

Pb

Gel VRLA

AGM VRLA

Open cell

Ni

NiCd

NiMH

NiZn

Li

LiCoO2

LiMn2O4

LiFePO4

Li4Ti5O12

Metal-air

High temperature

NaS

NaNiCl

Flow-type

PSB

VRB

ZnBr

CeZn

Page 44: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

PbAcid and NiCd/NiMH

• Well-known technologies• PbAcid a little more efficient than NiMH/NiCd• NiCd not to be used in Europe anymore• Low(er) energy and power densities relative to NaS and Li-ion

Page 45: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Overview Battery Technologies

Normal

Pb

Gel VRLA

AGM VRLA

Open cell

Ni

NiCd

NiMH

NiZn

Li

LiCoO2

LiMn2O4

LiFePO4

Li4Ti5O12

Metal-air

High temperature

NaS

NaNiCl

Flow-type

PSB

VRB

ZnBr

CeZn

Page 46: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Electrochemical storage with circulation

• Decoupling between power and energy– Power: number of cells– Capacity: storage tank volume

• High cycling and misuse tolerance• No auto-discharge once the

electrolytes have been charged• Liquid electrodes

• Complex: • circulation system,

infrastructure, command, maintenance, sensitive membranes

• Consumption of the auxiliaries: • 5-10% impact on the

efficiency in case of PSB • 3% of equivalent auto-

discharge per day (VRB 45kW/2h technology)

Page 47: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Zinc Bromide

Page 48: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Overview Battery Technologies

Normal

Pb

Gel VRLA

AGM VRLA

Open cell

Ni

NiCd

NiMH

NiZn

Li

LiCoO2

LiMn2O4

LiFePO4

Li4Ti5O12

Metal-air

High temperature

NaS

NaNiCl

Flow-type

PSB

VRB

ZnBr

CeZn

Page 49: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Li-air

G. Girishkumar, B. McCloskey, a. C. Luntz, S. Swanson, and W. Wilcke, Lithium Air Battery: Promise and Challenges, The Journal of Physical Chemistry Letters, vol. 1, no. 14, pp. 2193-2203, Jul. 2010.

“… have to solve the difficult problem of developing

a high throughput air-breathing system that passes

O2 and keeps out environmental contaminants.”“The oxidation of 1kg of lithium metal

releases 11680Wh/kg, not much lower than

that of gasoline.”

“Prototype aprotic Li-air cells deliver current densities in the order of 1 mA/cm2. It will be critical to increase this current density by at least 1 order of magnitude”

Page 50: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Overview Storage Technologies

Page 51: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›Electricity Storage /

Storage techniquesFuel Cells - Concept

• By definition, the process of any fuel cell could be reversed.

• However, a given device is usually maximized for operating in one modus and may not be built in such a way that it can be operated backwards.

• Fuel cells operated backwards generally do not make very efficient systems

• Designs for different fuels: hydrogen, natural gas

Page 52: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Converting electricity to fuel?Power-to-gas

Specht, M., Zuberbühler, U., Baumgart, F., Feigl, B., Frick, V., Stüurmer, B., Sterner, N., Waldstein, G., Storing Renewable Energy in the Natural Gas Grid. Methane via Power-to-Gas (P2G): A Renewable Fuel for Mobility, http://www.solar-fuel.net/

Efficiency?

Page 53: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Comparing storage quantities

M. Specht, F. Baumgart, B. Feigl, V. Frick, B. Stürmer, U. Zuberbühler, M. Sterner, G. Waldstein, Themen 2009, Forschungsverbund Erneuerbare Energien, S. 69, Berlin (2010)

Page 54: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Applications

Page 55: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

EPRI, “Electricity Energy Storage Technology Options,” 2010.

Location in the Power System

Page 56: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Self-consumption of PV?

German Federal Law: “Gesetz zur Neuregelung des Rechts der Erneuerbaren Energien im Strombereich und zur Anderung damit zusammenhangender Vorschriften (EEG)“ (English translation), Federal Law Gazette (Bundesgesetzblatt) 2008 I No. 49, Bonn, Germany, October 2008.

Page 57: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Developing Business Cases

Page 59: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Electricity Storage

Electric power input

Electric power output

Consuming + accumulating GeneratingWaiting

Charging Discharging

Roundtrip efficiency includes all losses over a charge-discharge cycle!

Page 60: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Zinc Air

Stored sealedOnce opened, oxidation will occur, whether or not current is used (self-discharge)Energy density high Slow discharge (air flow!)Small cells commercialized

Page 61: Frederik Geth  |  Opslagtechnieken voor het net

Energieopslag en Smart Grids4 & 5 september 2014 p. ‹#›

Self-consumption favoring tariff?