Elsystemet måste vara i balans mellan den el som produceras och den el som konsumeras, i varje sekund året om, för att undvika effektbrist. Risken för obalans i elsystemet ökar dock, delvis på grund av en ökad andel förnybar och intermittent elproduktion. Energilager kan vara avgörande i att balansera produktion och konsumtion, genom att spara energi när det finns överskott och använda den när behovet är större. Energilager möjliggör även att energisystem kan kopplas bort från nätet och verka i så kallade off-grid system. Ett sådant system kan exempelvis bestå av solceller som tillgodoser elproduktion, batterier som möjliggör energilaging på kort sikt, upp till dygn, och vätgaslagring som möjliggör energilagring på längre sikt, över säsonger. I detta arbete utformades ett tvådelat syfte. Dels syftade det till att undersöka hur olika energilagringstekniker som är kompatibla med solel presterar i förhållande till varandra, dels syftade det till att utforma ett dimensioneringsverktyg för off-grid system med solceller, batterier och vätgaslagring. Med hjälp av verktyget skulle dessutom verkliga verksamheter undersökas. Insamlad data från flertalet olika studier lade grunden till en mjuk multikriterieanalys som utvärderar 11 olika energilagringstekniker, utifrån en femgradig normativ skala. Dessa mekaniska, elektriska, elektrokemiska och kemiska tekniker utvärderades utifrån 17 olika tekniska, ekonomiska och miljömässiga kriterier. Dimensioneringsverktyget utformades i Microsoft Excel och baseras på produktionsdata från solceller, som erhålls från två standardfall. Genom inmatning av elkonsumtionsdata och optimal solcellsyta genererar verktyget rekommenderade storlekar på batteri och vätgastank. Detta genom att verktyget beräknar alla energiflöden inom systemet på timbasis. Den optimala solcellsytan behöver beräknas fram genom iterativt användning av verktyget, tills inköpt vätgas elimineras. Med hjälp av verktyget undersöktes ett lantbruk, ett gårdshotell och en verkstad utifrån historisk konsumtionsdata. Resultatet från multikriterieanalysen visar att de undersökta energilagringsteknikerna har för- och nackdelar, där ingen teknik utmärker sig som bäst eller sämst i samtliga kriterier. Pumpvattenkraft, tryckluft och vätgassystem har hög effekt- och energilagringskapacitet. Svänghjul, superkondensatorer och SMES har hög round-trip efficiency, effekttäthet och cykelkapacitet. Batterier fick flest medelbetyg, där de undersökta var bly-syra, litiumjon, natriumsvavel, vandain redox och zink-brom. Arbetet har även resulterat i ett användarvänligt dimensioneringsverktyg. Tillämpning av verktyget visar att de undersökta verksamheterna kräver mer elproduktion från solceller än vad den tillgängliga takytan tillåter, för att kunna verka off-grid. Resultatet visar också på behov av stora batterier och vätgastankar, vilket leder till stora kostnader. Då konsumtionsdata från lantbruket modifieras för att exkludera avvikande toppar behövs däremot inte hela takytan, utan mindre system kan erhållas. Några slutsatser som kan dras från multikriterieanalysen är att vid val av lämplig energilagringsteknik bör hänsyn tas till var tekniken ska implementeras, samt att det kan vara fördelaktigt att kombinera flera olika tekniker för att kombinera deras respektive fördelar. Några slutsatser från användningen av dimensioneringsverktyget är att det krävs ökad elproduktion, minskad elkonsumtion, förbättrad round-trip efficiency på systemet samt lägre kostnader för att dessa system ska bli lönsamma att implementera i liknande befintliga verksamheter. / The electricity system must be balanced between the produced electricity and the consumed electricity, every second of the year, in order to avoid power shortage. However, the risk of imbalance in the electricity system is increasing, partly due to an increased share of electricity production from renewable and intermittent sources. Energy storage can be crucial in balancing production and consumption, by saving energy when there is a surplus and using it when the demand is higher. Furthermore, the use of energy storage enables energy systems to be disconnected from the grid and operate in so-called off-grid systems. Such a system can, for example, consist of photovoltaic (PV) cells that produces the electricity, batteries that enable energy storage short term up to a day, and hydrogen storage that facilitates energy storage in the longer term across seasons. In this project, a two-parted aim was formed. Partly, it aimed to investigate how different energy storage technologies that are compatible with PV cells perform in relation to each other and partly, it aimed to create a sizing tool for off-grid systems with PV cells, batteries, and hydrogen storage. Moreover, different existing facilities would be investigated with the tool. Collected data from several different studies formed the foundation for a soft multi-criteria analysis that evaluates 11 different energy storage technologies, based on a five-point normative scale. These mechanical, electrical, electrochemical, and chemical energy storage technologies were evaluated based on 17 different technical, economic, and environmental criteria. The sizing tool was created in Microsoft Excel and is based on production data from PV cells, obtained from two standard cases. By inserting electricity consumption data and optimal roof area with PV cells, the tool generates recommended sizes on battery and hydrogen tank. The tool obtains this by calculating all energy flows hourly within the system. The optimal PV-cell area needs to be calculated through iterative use of the tool, until purchased hydrogen is eliminated. With help from the tool, an agricultural farm, a farmhouse hotel, and a truck repair shop were investigated based on historical consumption data. The multi-criteria analysis result shows that the investigated energy storage technologies have advantages and disadvantages, where no particular technology stands out as the best or the worst in every criterion. Pumped hydro energy storage, compressed air energy storage, and hydrogen storage have high power and energy storage capacity. Flywheels, supercapacitors, and SMES have high round-trip efficiency, power density, and cycling capability. Batteries received the most number of average ratings, where the investigated batteries were lead-acid, lithium-ion, sodium-sulfur, vanadium redox, and zinc-bromine. The project has also resulted in a user-friendly sizing tool. Usage of the tool shows that the investigated facilities require more electricity production from PV cells compared to what the available roof area allows, to operate off-grid. Further, the result shows the need for large batteries and hydrogen tanks, which causes high costs. However, when the consumption data from the agricultural farm is modified to exclude deviant peaks, the entire roof area is not needed and thus a smaller system can be obtained. Some conclusions that can be drawn from the multi-criteria analysis are that when choosing appropriate energy storage technology, it is important to consider where the technology should be implemented. It could also be beneficial to combine several different technologies to combine their advantages, respectively. Some conclusions from using the sizing tool are that increased electricity production, reduced electricity consumption, improved round-trip efficiency of the system, and lower costs are required for these systems to be profitable to implement in similar existing facilities.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:liu-194537 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Stenholm, Vendela, Sjödin, Sara |
| Publisher | Linköpings universitet, Energisystem |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | Swedish |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0031 seconds