Study of compressed air energy storage (CAES) for domestic photovoltaic system's

• Author(s): Raible, Moritz
• Date: 2016
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.26/16896
• Origin: Instituto Politécnico de Setúbal
• Subject(s): ME
• Document Type: Master thesis
• Language: English
• Advisor(s): Fontes, Paulo
• Contributor(s): Repositório Comum

Description

A Thesis submitted for the degree Master of Science

Este trabalho é o projeto final do Mestrado em Energia. A mudança de combustíveis fósseis para energias renováveis é uma grande tarefa para a nossa e as futuras gerações de modo a parar o aquecimento global e impedir mudanças drásticas no ambiente no nosso planeta. Como o armazenamento de energia é um parâmetro muito importante na utilização de energia renovável, este estudo tem por objetivo estudar em termos termodinâmicos um destes sistemas. Para a implementação de um sistema de armazenamento de energia por ar comprimido este trabalho permite também fornecer uma base para o estudo económico e de rentabilidade. Neste trabalho é calculado e dimensionado um sistema adiabático de armazenamento de energia por ar comprimido (AA-CAES) para um sistema fotovoltaico doméstico localizado em Lisboa, Portugal. Apresenta-se uma breve história sobre a compressão de ar, estado da arte científico e os desenvolvimentos atuais. O contexto teórico para a compressão de ar é explicado com base num sistema AA-CAES, sendo apresentadas as fórmulas usadas para dimensionar um sistema doméstico e apresentadas e explicadas as suposições assumidas. O sistema é dimensionado numa folha de cálculo Microsoft Excel tendo sido selecionado um compressor de mergulho e estudado o seu funcionamento com temperaturas ambiente entre 0 _C e 50 _C. As possibilidades de armazenamento de calor são explicadas e o processo de expansão na válvula de redução de pressão selecionada é simulado através de CFD.

This work is the final Thesis for the Mestrado em Energia study. Changing from fossil fuels to renewable energy is a big task for our and for future generations. Stop global warming to prevent our planet from drastic changes in the environment. As energy storage is a big challenge in Renewable Energy, this study is made to estimate the thermodynamic sense of such a system. In order to set up the system, this work also gives a basis on which to make a rough economic calculation of the rentability of such a system. Because of this, a possibility to store energy when it is produced for example from photovoltaic cells until it is required is necessary. Does it make sense to sell energy to the grid? Is the possibility to store energy in pressurised air meaningful? To compress air with a compressor when there is energy to run it, and re-use the pressure energy via a turbine when it is required sounds a little bit like a pump storage power plant with air instead of water and without a mountain to get the potential energy. Air compressors produce heat compared to water pumps which work almost isotherm because water is incompressible. How can the waste heat of air compression be used to increase the system efficiency - an adiabatic system? This study is made to estimate the thermodynamic frame of such a system. How does the compression of air work? Which components are required for the full system? Which would be the size of such a system for one person? Does it fit in a cellar and how much Photovoltaic area does it need to be fed? How high is the temperature, density, pressure in the different stages? An Advanced Adiabatic - Compressed Air Energy Storage for a domestic photovoltaic system in the Lisbon area, Portugal, is calculated and given dimensions in this work. A brief overview over the history of air compression is given, actual scientific works and developments are shown. The theoretical background for air compression is explained with focus on an AA-CAES system. The formulas used to plan the dimensions of a domestic system and all assumptions are shown and explained. The system is calculated in Microsoft’s Excel for one chosen scuba dive compressor with surrounding temperatures from 0 to 50 ◦C. The heat storage possibilities are explained. The expansion process in the pressure reduction valve is calculated and simulated with CFD.