Comparative Analysis of Electrical Energy Storage Technologies on a Scale of 10 MW

Abstract

Stromspeichertechnologien, die die Integration der diskontinuierlich zur Verfügung stehenden erneuerbaren Energien (d. h. Wind- und Solarenergie) in das Stromnetz sichern und somit die Entkarbonisierung in Stromerzeugung gewährleisten, sind in den letzten Jahrzehnten hinsictlich der F&E in Schwung gekommen und stellen die Schlüsselelemente dar, die die Flexiblität zwischen Angebot und Nachfrage für die nachhaltige Stromerzeugung ermöglichen. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, eine vergleichende Analyse von Stromspeichertechnologien durchzuführen, die den Strom durch die Umwandlung in thermische Energie, mechanische Energie,thermomechanische Energie, chemische Energie und elektrochemische Energie speichern können. In diesem Zusammenhang werden Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) als einer der fortgeschrittenen Vertreter elektrochemischer Energiespeicher als Benchmark dienen. Die vergleichende Analyse auf der Grundlage der technischen und wirtschaftlichen Kennwerten wird unter Berücksichtigung nicht nur der allgemeinen Situation, sondern auch der führenden Projekten in Strom-Wärme-Strom Energiespeicher, Druckluft-Energiespeicher, kryogener Energiespeicher, Pumpspeicher für Wasserkraft, Durchflussbatterien und Power-to-Gas-to-Power durchgeführt. In Übereinstimmung mit dem aktuellen Stand der Stromspeichertechnologien zeigen die überprüfte 28 Projekte unterschiedliche Ansätze für verschiedene Speicheranwendungen auf und geben die Auskunft über den Wirkungsgrad, den Druck- und Temperaturbereich, angewandte Materialien, Speicher- und Entladungsdauer, Lebensdauer etc. und erläutern je nach Reifegrad der Speichertechnologie (sofern vorhanden), die Kapitalkosten, Betriebskosten und gewichtete Kosten des Speichers.

Electrical energy storage (EES) technologies securing the integration of the intermittent renewable energies (i.e., wind and solar energy) into the power grid and thus ensuring the decarbonisation in electricity production have gained great momentum in R&D over the last decade and present the key elements facilitating the flexibility in supply and demand for sustainable power generation. The aim of this thesis is to provide a comparative analysis of EES technologies that can store electricity by means of conversion into thermal energy, mechanical energy, thermomechanical energy, chemical energy and electrochemical energy. Within this context, lithium-ion batteries (LIBs) as one of the advanced representatives of electrochemical energy storage will serve as the benchmark. The comparative analysis based on the technical and economical characteristics is performed by considering not only the general situation, but also the leading projects that have been or will be conducted in pumped thermal energy storage, compressed air energy storage, cryogenic energy storage, pumped hydroelectric energy storage, flow batteries and power-to-gas-to-power. In accordance with the present condition of EES technologies, the reviewed 28 projects show different approaches for various storage applications and provide information about the round trip efficiency, pressure and temperature range, applied materials, storage and discharge durations, lifetime etc. and clarify depending on the maturity level of the storage technology (if available), the capital expenditure, operational expenditure and levelized cost of storage.