A study of a cryogenic energy storage system for the integration of renewable energy sources
Etude d'un système de stockage cryogénique pour l'intégration des énergies renouvelables
Résumé
As part of the H2020 European strategy of the renewable energy integration perspectives, grid-scale or large-scale Electric Energy Storage solutions have gained strategic role. Their major utility consists on balancing the electric grid by storing the surplus of energy from the renewable source. Liquid Air Energy Storage (LAES) is one of the newly studied storage solutions in this energy transition context.
Consequently, the global objective of the thesis is the comparison of two LAES storage systems: a direct expansion discharge cycle with super-heating process, and a discharge unit with the integration of a combustion process as innovation in this work. To preserve a reduced environmental impact of such a technology, three types of combustion are considered: oxy-biogas combustion, air-biogas combustion and oxy-natural gas combustion. The oxy-fuel combustion allows the reduction of considerable amount of NOx, or their total elimination. Thanks to high concentration in carbon dioxide, flue gases can be subject to a post treatment by means of carbon dioxide transformation into dry ice.
The comparison consists primarily, on the calculation of efficiencies as results of the energy and exergy analysis of four LAES configurations with a particular focus on the combustion modelling and simulation. For this reason, combustion was modeled separately for the rest of the system. This step was achieved by means of GRIMECH reaction scheme including 53 species and 325 reactions; emissions of pollutant gas was also quantified.
The second part of this comparison is related to the environmental performance of the LAES. Environmental impact of three innovative proposed systems are evaluated by a life cycle analysis method for the operational phase of the life cycle. A mass balance for an optimal operating point has been previously selected in the thermodynamic part of the study for the environmental simulation. Three methods are used for the interpretation: “ReCiPe midpoint”, “ReCiPe endpoint” and “Eco-cost”.
In the last step of the comparison, a techno-economic study of a real LAES trial implementation in an industrial site with PV power plant as renewable energy source is performed. The optimization of energy flow scenario based on meteorological parameters of the considered location, the electricity tariff as well as the efficiency of the LAES were considered. Economic performance is therefore evaluated through the payback period considering different investment costs.
Dans le cadre des perspectives européennes H2020 de l’intégration des énergies renouvelables, des solutions de stockage de l’énergie électrique de masse s’imposent. Leur rôle principal est de stocker le surplus de production en électricité des énergies renouvelables en facilitant ainsi l’équilibrage du réseau électrique. Le stockage sous forme d’air liquide est l’une des technologies récemment étudiées répondant à cette problématique.
De ce fait, l’objectif global de cette thèse est de comparer deux systèmes de stockage à air liquéfié : système récupération à surchauffe, solution la plus étudiée, et un principe innovant de stockage d’air liquide mettant en œuvre une combustion lors de la récupération d’énergie. Pour conserver un impact faible sur l’environnement d’une telle technologie, les trois types de combustions dans l’unité de décharge étudiées ici sont : oxy-biogaz, oxy-gaz naturel et air-biogaz. L’oxy-combustion permet de réduire considérablement, voire d’éliminer totalement les émissions des NOx. Grâce à la concentration importante en CO2 dans les produits de combustion, elle facilite également le processus de post traitement des gaz d’échappement et la transformation du CO2 en glace carbonique par la suite.
La comparaison consiste premièrement à établir une analyse thermodynamique incluant analyse énergétique et exergétique pour calculer les différents rendements et efficacités caractérisant le système. Comme il s’agit ici d’un processus de combustion, l’analyse thermodynamique inclue en particulier la modélisation et simulation de la chambre de combustion. Cette étape a été réalisée par la méthode de GRIMECH 3.0 incluant 53 espèces et 325 réactions. Par cette méthode, les émissions des gaz polluants de la combustion sont aussi quantifiées.
La deuxième partie de la comparaison repose sur une analyse de la performance environnementale. Les impacts environnementaux des 3 systèmes proposés sont évalués dans une approche d’Analyse de Cycle de Vie pour la partie opérationnelle (sans prendre en considération les étapes de matériaux/construction et destruction/recyclage). Un bilan de masse pour un point optimal choisi à l’issue de l’étude thermodynamique est établi. Trois méthodes « ReCiPe endpoint», « ReCiPe midpoint » et « Eco-cost » sont utilisées pour l’interprétation des résultats et la proposition des axes d’amélioration.
La dernière partie de la comparaison aborde le volet économique du système de stockage à air liquéfié sous forme d’une étude technico-économique pour un cas concret du système de stockage implanté dans un site industriel ayant des besoins en réfrigération utilisant l’energie photovoltaïque comme source d’énergie renouvelable. Une première partie consiste à proposer une optimisation des scénarios de distribution de l’énergie. Cette optimisation prend en considération le tarif d’électricité variable suivant la région, les données météorologiques ainsi que le rendement électrique du système de stockage. Les performances économiques sont ainsi évaluées à travers le retour sur investissement considérant les différents coûts d’investissement.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)