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High-Temperature Combined Sensible/Latent-Heat Storage Based on Novel Materials for Electricity Storage Using Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage

English title High-Temperature Combined Sensible/Latent-Heat Storage Based on Novel Materials for Electricity Storage Using Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage
Applicant Steinfeld Aldo
Number 153793
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 - 31.12.2018
Approved amount 35'804.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Mechanical Engineering
Material Sciences

Keywords (6)

Electricity storage; Heat storage; Compressed air energy storage; Cycle analysis; Phase change materials; Pumped hydro energy 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. Die Hauptziele des Projekts sind die Entwicklung und Demonstration eines effizienten Wärmespeichers für KLSKW und die Untersuchung der Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit von KLSKW in der Schweiz.
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 Entwicklung und Demonstration eines effizienten Wärmespeichers für KLSKW ist das erste Ziel 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. Verschiedene Materialien zur Speicherung von latenter Wärme werden in Zusammenarbeit mit der EPFL entwickelt und getestet. Die Integration des Speichers in das KLSKW wird mit SUPSI bearbeitet. Das zweite Ziel des Projekts ist die Untersuchung der Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit von KLSKW in der Schweiz. 

Direct link to Lay Summary Last update: 23.10.2014

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
ETH, SUPSI, EPFL, PSI 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
Stromspeicherung über adiabatische Luftkompression Talk 22.01.2019 Lions-Club Winterthur Wyland, Switzerland Haselbacher Andreas;


Self-organised

Title Date Place
First Stakeholder Meeting 26.11.2015 Biasca, TI, 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 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 German-speaking Switzerland 2017
Media relations: radio, television Energie speichern mit Druckluft SRF German-speaking 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: print media, online media Druckluftbatterie in den Alpen Tages-Anzeiger German-speaking Switzerland 2016
Media relations: print media, online media Stromspeicherung über adiabatische Luftkompression SNF Youtube video Italian-speaking Switzerland Western Switzerland International German-speaking Switzerland Rhaeto-Romanic 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 increased reliance on renewable energy sources as part of the Energy Strategy 2050 requires energy storage to reconcile their availability and the demands of society and industry. Pumped hydro energy storage (PHES) is an efficient storage technology that is widely used in Switzerland. To meet the goals of the Energy Strategy 2050, further PHES plants must be built. This requires surmounting significant obstacles such as very high cost and environmental impact. An alternative to PHES is advanced adiabatic compressed air energy storage (AA-CAES). Plants based on AA-CAES use low-cost electricity to power an electric motor that drives a compressor. The heat contained in the compressed air is extracted and stored. The working fluid is thereby cooled and stored in a hermetically sealed reservoir. To generate CO2-neutral electricity during periods of high demand, the air is released from the reservoir, absorbs heat from the storage, and expanded through a turbine that drives a generator. With an efficient heat-storage design, the efficiency of an AA-CAES plant is projected to be around 75%. This project argues that AA-CAES is a particularly attractive storage technology for Switzerland because by using unused tunnels and military caverns as high-pressure reservoirs, the environmental impact is reduced. Furthermore, the projected costs of AA-CAES plants are lower than those of PHES plants. This project focuses on the thermal storage, which is key to a highly efficient AA-CAES plant. It is proposed that the storage is based on combined sensible/latent heat storage to keep the temperature leaving the storage and entering the turbine constant. Preliminary results obtained with a laboratory-scale prototype storage have confirmed the promise of combined sensible/latent heat storage. The project is composed of three technical projects: design and optimization of the combined sensible/latent heat storage, cycle analysis, and development of advanced phase-change materials. Close collaboration with industrial partner Airlight Energy Ltd. will ensure industrial relevance.
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