Modelling of a large scale High-Temperature Thermal Energy Storage System
Authors
Kristensen, Kristian ; Batz, Søren Søndergaard
Term
4. term
Education
Publication year
2017
Submitted on
2017-06-14
Pages
111
Abstract
Siden 1990’erne dækker vedvarende energi en stadig større del af Danmarks energiforbrug. Det gør energilagring attraktivt til at udjævne spidsbelastninger og håndtere den svingende produktion fra især vind. Termisk energilagring (TES) lagrer højtemperaturvarme i et stenleje. Når der er brug for strøm, omdannes varmen til elektricitet med en dampbaseret Rankine-cyklus, en udbredt proces med dampturbine. I dette arbejde udvikles en dynamisk model af et TES udformet som en keglesektion for at undersøge varmeoverførsel gennem stenene og tryktab, når der strømmer et medium gennem lejet. Vi gennemfører en parameterundersøgelse for at identificere, hvilke designvalg der har størst betydning for ydelsen. Derudover modelleres to dampbaserede Rankine-cyklusser i hjælpesystemet for at estimere virkningsgrader og nødvendige varmevekslerarealer. Resultaterne viser, at et lager på 175,000 m3 effektivt kun udnytter 40.5% af volumen. En stendiameter på 3 cm giver den bedste samlede ydelse. Under opladning og afladning er energi- og exergivirkningsgrader i de fleste tilfælde over 98%; exergi angiver energiens anvendelige kvalitet. Med en enkelttryks damp-Rankine-cyklus kan systemet levere 35.34 MW elektricitet ved en afladningshastighed på 221.2 kg/s og en temperatur på 873 K, med en energivirkningsgrad på 32.2%.
Since the 1990s, renewables have covered a steadily growing share of Denmark’s energy use. This makes energy storage an attractive way to smooth demand peaks and to handle the variability of wind and other renewable sources. Thermal Energy Storage (TES) stores high-temperature heat in a bed of rocks. When electricity is needed, the stored heat is converted to power using a steam Rankine cycle, a common process that drives a steam turbine. Here, we develop a dynamic model of a TES shaped like a cone section to study how heat moves through the rocks (heat transfer) and how much pressure is lost as a medium flows through the bed (pressure drop). We run a parametric study to see which design choices most strongly affect performance. We also model two steam Rankine cycles in the auxiliary system to estimate efficiencies and the required heat-exchanger areas. Our results show that a 175,000 m3 storage effectively uses only 40.5% of its volume. A rock diameter of 3 cm gives the best overall performance. During charging and discharging, energy and exergy efficiencies are above 98% in most cases; exergy indicates the usable quality of energy. With a single-pressure steam Rankine cycle, the system can produce 35.34 MW of electricity at a discharge rate of 221.2 kg/s and a temperature of 873 K, with an energy efficiency of 32.2%.
[This abstract was generated with the help of AI]
Keywords
Documents