Patent analysis and thermodynamic evaluation of sand thermal energy storage integration into liquid air energy storage

Abstract

Within the scope of this work, the storage of energy utilizing liquid air is investigated. Intermediate energy storage can balance the supply and demand of electricity. Inthe charging phase, ambient air is liquefied and stored in storage tanks, while in the discharging phase, the pressure and temperature of the air are increased to generate electricity from the compressed air flow with turbines. Heat storage tanks are therefore required between the charging and discharging phase for the intermediate thermal energy storage. The work focuses on developing an electro-thermal energy storage (ETES) system using sandTES technology as a heat storage device in the liquid-air energy storage system (LAES). SandTES is a concept of an active counter current fluidized bed heat exchanger developed at the Institute of Energy Systems and Thermodynamics of TU Vienna. The storage and heat transport medium is sand.Furthermore, in the course of the work, a patent analysis in the field of LAES with solid material in thermal energy storage (TES) systems is conducted. Based on this research, it is as certained that the method of using solid material as a direct heat transport medium for the heat exchanger in the LAES system is not yet present in any patent claim. The aim of this analysis is to patent the method of sandTES technology integrated into the LAES system as a new invention.Therefore, the described design is modeled in the simulation program EBSILON and investigated on a thermodynamic level. A system without any TES was simulated first to determine the performance of a pure LAES system without heat recovery and heat storage. For comparison, the LAES system is modeled with sandTESHEX, which has a much higher efficiency of just over 60%. For the evaluation of the system, a thermodynamic analysis is performed, considering values such as exergylosses or round-trip efficiency. The result shows that the optimization of the LAESsystem with sandTES has the potential to replace the conventional LAES system.

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Speicherung von Energie mittels flüssiger Luft untersucht. Durch die Zwischenspeicherung von Energie können Angebot und Nachfrage von Strom ausgeglichen werden. In der Einspeicherphase wird Luft aus der Umgebung verflüssigt und in Speichertanks gelagert, während in der Ausspeicherphase Druck und Temperatur der Luft erhöht werden, um danach aus dem Druckluftstrom mithilfe von Turbinen Strom zu generieren. Zwischen der Ein- und Ausspeicherphase werden Wärmespeicher für die Zwischenspeicherung der thermischen Energie benötigt. Der Fokus dieser Arbeit liegt in der Weiterentwicklung eines elektro-thermischen Energiespeichers (ETES), bei dem die sandTES-Technologie als Wärmespeicher im Flüssig-Luft-Energiespeichersystem eingesetzt wird. SandTES ist ein am Institut der Thermodynamik und Energietechnik der TU Wien entwickeltes Konzept eines aktiven Gegenstrom-Wirbelschicht-Wärmetauschers, bei dem das Speicher- und Wärmetransportmittel aus Sand besteht. Im Zuge der Arbeit wird weiters eine Patentanalyse im Bereich LAES mit festen Materialien im thermischen Wärmespeicher durchgeführt. Anhand dieser Recherche soll festgestellt werden, ob die Methode, Feststoffe als direkte Wärmetransportmittel für den Wärmetauscher im LAES-System einzusetzen, bislang noch in keinem Patentanspruch vorhanden ist. Das Ziel ist es nämlich am Ende, diese Innovation der sandTES-Technologie integriert im LAES-System als neue Erfindung zu patentieren. Es wird daher die beschriebene Erfindung im Simulationsprogramm EBSILON modelliert und auf thermodynamischer Ebene untersucht. Ein System ohne jeglicheTES wurde als erstes simuliert, um die Leistungsfähigkeit eines reinen LAES-Systems ohne Wärmerückgewinnung und Wärmespeicherung zu ermitteln. Zum Vergleich dazu, wird das LAES-System mit sandTES HEX modelliert, das einen deutlich höheren Wirkungsgrad von knapp über 60% aufweist. Für die Bewertung des Systems wird eine thermodynamische Analyse durchgeführt, bei dem Werte, wie Exergieverluste oder Umlaufwirkungsgrad, in Betracht gezogen werden. Das Ergebnis zeigt, dass die Optimierung des LAES-Systems mit sandTES Potential besitzt, das herkömmliche LAES-System zu ersetzen.