Electrochemical Energy Storage for an HVDC transmission system connected to an offshore wind farm

Abstract

Formålet med denne oppgaven, skrevet for Equinor, er å gjennomgå og vurdere løsninger for elektrokjemisk energilagring for et HVDC transmisjonssystem tilkoblet en offshore havvindpark. Både med hensyn på å velge teknologi for elektrokjemisk energilagring, omformerteknologi for tilkobling til systemet og punktet for tilkobling til HVDC-systemet.

Denne Bachelor-oppgaven er basert på et litteraturstudium. Litteratur er gjennomgått for å identifisere de nødvendige funksjonalitetene for kraftsystembalansering, for å identifisere dimensjonerende kriterier og for å identifisere tekniske løsninger og tilgjengeligheten av disse. Videre så er de identifiserte tekniske løsningene vurdert av studenten. Basert på litteraturstudiet og vurderingene, så er anbefalinger blitt gitt og begrunnet.

Lithium-ion er den batteriteknologien som er identifisert til å være den mest lovende teknologien for elektrokjemisk energilagring. Både med bakgrunn i de tekniske egenskapene til lithium-ion, men også med bakgrunn i resultatene bevist i flere ferdigstilte prosjekter, der lithium-ion er anvendt i stor-skala energilagringsanlegg for nettstabilisering. Underkategorien lithium-iron-phosphate (LFP) er valgt som anbefalt batteriteknologi. Dette for å redusere avhengigheten av knappe eller sjeldne mineraler, men også pga. at LFP er ansett å ville utgjøre en økende andel av lithium-ion batteriteknologiene satt i drift i de kommende årene.

Det er anbefalt å bruke en kommersielt tilgjengelig BESS pakkeløsning, tilkoblet AC-nett-siden av HVDC-omformeren på land. Både siden BESS-løsningene er tilgjengelige på markedet, men også med bakgrunn i bevist resultat fra storskala energilagring som overgår behovet identifisert i denne oppgaven. Dette vil ha en lavere prosjektrisiko og trolig en lavere kostnad, enn alternativene. Bruken av større BESS-enheter er interessant og bør følges opp tett i årene som kommer. Storskala HVDC-MMC-BESS-enheter kan være et konkurransedyktig alternativ dersom en stor andel av de tradisjonelle kraftkildene anses å bli fortrengt av inverter-baserte ressurser i transmisjonsnettet.

The objective of this thesis, written for Equinor, is to review and assess solutions for electrochemical energy storage for an HVDC transmission system connected to an offshore wind farm. Both with regards to the selection of the electrochemical storage technology, the converter technology for connection to the system and the point of connection to the HVDC system.

This Bachelor thesis is based upon a literature review. Literature is reviewed to identify the power system stability services needed, to identify the dimensioning criteria, and to identify possible technological solutions and the availability of these. Furthermore, are the identified solutions assessed by the student. Based on the literature review and the assessments, recommendations are provided and justified.

The lithium-ion battery technology is identified to be the most promising technology for electrochemical energy storage, due to its technical properties and proven result from deployments in large-scale power system stabilizing energy storage plants. The sub-category lithium iron phosphate (LFP) is selected as the recommended battery chemistry. This to reduce the reliance on scarce minerals and as the LFP deployment is considered to increase in the years to come.

It is recommended to use a commercially available BESS solution connected to the AC grid side, as these are both available and have proven their functionalities in large-scale plants which exceeds the need identified in this thesis. This will have less project risks and probably a lower cost. The usage of larger BESS units is interesting and should be followed up closely in the years to come. Large scale HVDC-MMC-BESS’s may be a competitive option if a significant amount of the traditional power sources is to be displaced by inverter-based resources in the bulk power system.