Project

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Design and Optimization of High-Temperature Combined Sensible/Latent-Heat Storage

English title Design and Optimization of High-Temperature Combined Sensible/Latent-Heat Storage
Applicant Haselbacher Andreas
Number 153776
Funding scheme NRP 70 Energy Turnaround
Research institution Departement für Maschinenbau und Verfahrenstechnik ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Mechanical Engineering
Start/End 01.12.2014 - 30.11.2018
Approved amount 465'455.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Mechanical Engineering
Material Sciences

Keywords (4)

Compressed air energy storage; Sensible heat storage; Electricity storage; Latent heat storage

Lay Summary (German)

Lead
Pumpspeicherkraftwerke (PSKW) leisten einen wichtigen Beitrag zur umweltfreundlichen Energieversorgung. Als Teil der Energiestrategie 2050 hat der Bundesrat vorgeschlagen, dass die Gesamtleistung der PSKW in der Schweiz erhöht werden soll. Wegen der stark fluktuierenden Strompreise, verursacht durch Überfluss an billigem Solar- und Windstrom, ist nicht klar, ob die hohen Konstruktionskosten von im Bau befindlichen und geplanten PSKW amortisiert werden können. Eine mögliche alternative oder ergänzende Speichertechnologie ist die Speicherung von Elektrizität in Form komprimierter Luft. Diverse Studien besagen, dass die Konstruktions- und Betriebskosten von komprimierten Luftspeicherkraftwerken (KLSKW) geringer sein sollen als bei PSKW. Ein wichtige Komponenten von KLSKW ist der Speicher, in welchem die durch die Komprimierung entstandene Wärme gespeichert wird. Die Entwicklung und Demonstration eines effizienten Wärmespeichers ist das Hauptziel dieses Projekts.
Lay summary

Bei komprimierten Luftspeicherkraftwerken (KLSKW) wird zu Zeiten von billigem Strom, verursacht durch zeitweiligen Überfluss an billigem Solar- und Windstrom, durch einen elektrischen Motors ein Kompressor angetrieben, der Luft aus der Umgebung komprimiert. Die komprimierte Luft wird gespeichert und zu Zeiten von teurem Strom, verursacht durch fehlende Sonneneinstrahlung oder Windflauten, in einer Turbine expandiert, die einen Generator antreibt und so wieder Strom erzeugt. Durch die Komprimierung werden nicht nur hohe Drücke, sondern auch hohe Temperaturen von etwa 600 C erzeugt. Die Speicherung komprimierter heisser Luft stellt hohe Anforderungen an die Struktur und Isolierung des Speichers, da ein Entweichen oder Abkühlen der Luft die Effizienz des Gesamtprozesses negativ beeinflusst. Ein rasches Entweichen der komprimierten Luft durch allfällige Risse im Speicher muss aus Sicherheitsgründen vermieden werden. Aus diesen Gründen ist es besser, die in der komprimierten Luft enthaltene Wärme separat in einem Wärmespeicher und die abgekühlte Luft in einem Druckspeicher zu speichern. Die Entwicklung und Demonstration eines effizienten Wärmespeichers für KLSKW ist das Hauptziel des Projekts. Damit der gesamte Prozess eine hohe Effizienz erzielen kann, muss der Wärmespeicher insbesondere während des Entladens, wenn durch die Turbine ein Generator betrieben wird, möglichst konstante Ausströmbedingungen sicherstellen. Dafür soll in diesem Projekt ein Speicher sorgen, der Wärme in Form von sensibler und latenter Wärme speichert. Da latente Wärme bei konstanter Temperatur gespeichert und freigesetzt wird, ermöglicht ein solcher Speicher eine konstante Ausströmtemperatur während des Entladens, was der effizienten Operation der Turbine entgegenkommt. Die Entwicklung des Wärmespeichers wird  in Zusammenarbeit mit Airlight Energy Ltd. in Biasca erfolgen. 

 

Direct link to Lay Summary Last update: 25.09.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Pilot-scale demonstration of advanced adiabatic compressed air energy storage, Part 2: Tests with combined sensible/latent thermal-energy storage
Becattini V., Geissbühler L., Zanganeh G., Haselbacher A., Steinfeld A. (2018), Pilot-scale demonstration of advanced adiabatic compressed air energy storage, Part 2: Tests with combined sensible/latent thermal-energy storage, in Journal of Energy Storage, 17, 140-152.
Experimental investigation of the thermal and mechanical stability of rocks for high-temperature thermal-energy storage
Becattini Viola, Motmans Thomas, Zappone Alba, Madonna Claudio, Haselbacher Andreas, Steinfeld Aldo (2017), Experimental investigation of the thermal and mechanical stability of rocks for high-temperature thermal-energy storage, in Applied Energy, 203, 373-389.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Prof. R. Galler, Montanuniversität Leoben Austria (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Prof. S. Haussener, EPFL Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Prof. M. Barbato, SUPSI Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Scientific events



Self-organised

Title Date Place
Symposium on AA-CAES projects in Switzerland, Germany, and Austria 15.05.2018 Biasca/Bellinzona, Switzerland

Knowledge transfer events

Active participation

Title Type of contribution Date Place Persons involved


Self-organised

Title Date Place
First stakeholder meeting 26.11.2015 Biasca, Switzerland

Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Media relations: print media, online media Speichertechnik – unverzichtbarer Bestandteil der Energiewende Naturwissenschaftliche Rundschau International 2018
Media relations: print media, online media Strom als Druckluft speichern Strom German-speaking Switzerland 2018
Media relations: radio, television A Battery made of air BBC World International 2017
Media relations: print media, online media Adiabatischer Druckluftspeicher: Der Gotthard hält dicht EE News International 2017
Media relations: print media, online media Druckluftspeicher als Lösung Deutsche Welle International 2017
Media relations: print media, online media Druckluftspeicher in den Schweizer Alpen Energie - Das Fachmagazin der Schweizer Energiewirtschaft Rhaeto-Romanic Switzerland German-speaking Switzerland 2017
Media relations: print media, online media Electricity storage through air compression in the Swiss Alps ETH Energy Science Center International 2017
Media relations: radio, television Energie speichern mit Druckluft SRF Western Switzerland 2017
Media relations: print media, online media So wollen Forscher das ungelöste Energie- Problem lösen Tages-Anzeiger German-speaking Switzerland 2017
Media relations: print media, online media Un progetto futuristico in Ticino Azione Italian-speaking Switzerland 2017
Media relations: print media, online media Wie das Grundproblem der Energiewende gelöst werden könnte NZZ German-speaking Switzerland 2017
Media relations: radio, television Wind Arte Xenius International 2017
Media relations: print media, online media Druckluftbatterie in den Alpen Tages-Anzeiger German-speaking Switzerland 2016
Media relations: print media, online media Wie die Schweizer Druckluft in Tunnel am Gotthard als Energiespeicher nutzen Ingenieur.de International 2016

Abstract

The topic of this research project is the storage of high-temperature heat as a combination of sensible and latent heat. The objective of the project is to design and optimize the combined sensible/latent heat storage subject to constraints imposed by its eventual use in a highly efficient advanced adiabatic compressed air energy storage (AA-CAES) plant to store electricity. AA-CAES holds particular promise as an alternative to pumped hydro energy storage, which is widely used in Switzerland. Preliminary results obtained with a laboratory-scale prototype storage have confirmed the promise of combined sensible/latent heat storage. The primary benefit is improved efficiency of a AA-CAES plant that operates with a combined sensible/latent heat storage. We propose to further investigate this concept in collaboration with industrial partner Airlight Energy Ltd. The project is based on an approach that combines experiments and simulations. Experiments will be carried out with an upgraded lab-scale storage and a full-scale storage currently under construction at Airlight Energy (and therefore not funded from this project).
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