Dynamic Modelling of a Compressed Heat Energy Storage System (CHEST)

Abstract

[ES] Uno de los principales retos en el contexto energético actual es la integración de las energías renovables (EERR) en la red eléctrica. Al contrario que los combustibles fósiles, las EERR dependen de las condiciones meteorológicas, lo que dificulta su predicción y añade incertidumbre a la red. Por tanto, el desarrollo de técnicas de almacenamiento a gran escala es de vital importancia, ya que ayudará a garantizar el suministro y la gestión de las EERR, mejorando su integración en el sistema. Este Trabajo de Fin de Máster (TFM) propone una solución a través del almacenamiento de energía mediante calor bombeado, tecnología conocida como CHEST por sus siglas en inglés. Este sistema CHEST está formado por una bomba de calor de alta temperatura, un sistema de almacenamiento térmico (dividido en almacenamiento latente y sensible) y un ciclo de Rankine orgánico. En periodos de baja demanda eléctrica, el exceso de energía es utilizado en la bomba de calor y la energía es almacenada en forma de calor. Después, cuando la demanda de electricidad aumenta, el ciclo Rankine utiliza este calor almacenado para producir electricidad. Este TFM está englobado en el proyecto europeo CHESTER (www.chester-project.eu), el cual propone el desarrollo de una tecnología CHEST con el fin de mejorar la integración de las EERR en la red. Se ha desarrollado un modelo en TRNSYS que permite evaluar el comportamiento del sistema CHEST estudiado cambiando tanto las temperaturas de la fuente y el sumidero como el tamaño del equipo. Se han llevado a cabo diferentes estudios paramétricos modificando los valores de estas temperaturas y para diferentes opciones de optimización relativas al almacenamiento sensible. Además, se ha propuesto un escenario de integración en la red eléctrica española. Los resultados muestran valores elevados para la eficiencia del sistema bajo determinadas condiciones de contorno (para Tfuente =80°C y Tsumidero= 10°C se obtiene una eficiencia de 0.99) y que los sistemas CHEST pueden ser tecno-económicamente posibles siempre y cuando puedan conseguirse suficientes contribuciones de energía con periodos de retorno razonables.

[EN] One on the main challenges in the current energy context is the suitable integration of the renewable energy sources (RES) in the electrical grid. Unlike fossil fuels, RES are affected by meteorological conditions that affect their predictability and reliability, which adds uncertainty in the electrical grid. Thus, the assessment of large-scale energy storage techniques is an up-to-date subject of study: the improvement of the storage technologies will allow the security of supply and dispatchability of RES, enabling their integration in the system. This Master Thesis proposes a solution to this issue by means of a Compressed Heat Energy Storage (CHEST) technology. The CHEST system suggested is composed of a high temperature heat pump (HT-HP), a TES system (divided into latent and sensible heat storage) and an organic Rankine cycle (ORC). In times of low electric demand, surplus energy is used to drive the HT-HP and store energy in the form of heat in the TES. Later, when electricity demand is high, ORC used the heat stored in the TES system to produce electric power. This Thesis is framed within the European CHESTER (Compressed Heat Energy STorage for Energy from Renewable sources; www.chester-project.eu) project, that proposes a large-scale energy storage technology using the CHEST concept to improve the integration of RES in the grid. A model is developed in TRNSYS to evaluate the behavior of a CHEST system by controlling the temperatures of source and sink and the size of the equipment. Parametric studies are performed varying input temperatures and for different optimization options regarding the sensible storage system. Also, a scenario for the integration of a CHEST system in the Spanish electrical grid is proposed. Results indicate that high values of roundtrip efficiency can be achieved under certain boundary conditions (for Tsource =80°C and Tsink= 10°C a roundtrip if 0.99 is reached) and that CHEST systems may be techno-economically possible as long as long shares of energy contribution can be achieved at reasonable payback periods.

[CA] Un dels principals reptes en el context energètic actual és la integració de les energies renovables (EERR) a la xarxa elèctrica. Al contrari que els combustibles fòssils, les EERR depenen de les condiciones meteorològiques, fet que dificulta la seua predicció i afegeix incertesa a la xarxa. Per tant, el desenvolupament de tècniques d’emmagatzematge a gran escala és clau, ja que ajudarà a garantir el subministrament la gestió de les ERR, millorant la seua integració al sistema. Aquest Treball de Fi de Màster (TFM) proposa una solució a través de l’emmagatzematge d’energia mitjançant calor bombejat, tecnologia coneguda com CHEST per les seues sigles en anglès. El sistema CHEST presentat està format per una bomba de calor d’alta temperatura, un sistema d’emmagatzematge tèrmic (dividit entre latent i sensible) i un cicle de Rankine orgànic. En períodes de baixa demanda elèctrica, l’excés d’energia és utilitzat a la bomba de calor i l’energia és emmagatzemada en forma de calor a alta temperatura. Després, quan la demanda augmenta, el cicle Rankine utilitza aquest calor emmagatzemat per a produir electricitat. Aquest TFM està englobat al projecte europeu CHESTER (www.chester-project.eu), el qual proposa el desenvolupament d’una tecnologia CHEST amb l’objectiu de millorar la integració de les EERR a la xarxa. S’ha desenvolupat un model a TRNSYS per tal de determinar el comportament dinàmic del sistema CHEST. El model en qüestió permet l’avaluació de la grandària del sistema, separant els processos de carga i descàrrega i avaluant el comportament a carga parcial dels equips. El model ha estat testat baix diferent condicions de contorn i per a diferents opcions d’optimització relatives a l’emmagatzematge sensible. A més, s’ha proposat un escenari de integració a la xarxa elèctrica espanyola. Els resultats mostres que el sistema proposat pot arribar a eficiències de 0.99 per a temperatures de font i embornal de 80 i 10°C respectivament. Des d’un punt de vista tècnic-econòmic, els sistemes CHEST poden ser viables sempre i quan pugues aconseguir-se suficients contribucions d’energia amb períodes de retorn raonables.