Sammenligning av ulike energilagringsteknologier for bruk på Gløshaugen

Abstract

Verden vil trenge mer og mer energi i tiden som kommer. Kombinert med en klimakrise som krever omstilling til fornybare energikilder som er vanskelig å regulere, er det behov for smarte energiløsninger. Å bruke et ESS til å utføre peak shaving er et eksempel på en slik løsning. Gløshaugen med sitt samlede energiforbruk på nesten 100 GWh vil kunne utgjøre en stor forskjell for energinettet i Trondheim ved å ta i bruk et ESS. Det gjelder da å finne hvilket system som er mest energi-, kostnads- og arealeffektivt.

Det finnes en rekke ulike ESS, men ikke alle er like egnet for å utføre peak shaving. I denne oppgaven fire teknologier bli undersøkt i ulike scenarioer: Litium-ionbatteri (LIB), vanadium redoks flytbatteri (VRFB), hydrogen og sensibel termisk energilagring (STES). Alle teknologiene har ulike fordeler og ulemper, og de har også noe varierende bruksområder. De to førstnevnte vil kunne redusere effekttoppene i strømnettet, og STES vil kunne redusere toppene i fjernvarmenettet. Hydrogen kan brukes i en phosphoric acid fuel cell (PAFC) som både produserer elektrisitet og varme.

Metoden for å beregne energi-, kostnads- og arealeffektivitet tar utgangspunkt i energiforbruket til Gløshaugen for 2023. Virkningsgraden til de ulike teknologiene legger grunnlaget for simulering av såkalt \say{optimal peak shaving}, der målet er å trekke en konstant last fra strøm- eller fjernvarmenettet på daglig basis. Dette beregnes ved bruk av et script i Python. Det utarbeides så grafer og verdier for nødvendig lagringskapasitet, kostnader og effekt- og plassbehov.

Resultatene viser tydelige forskjeller mellom teknologiene. Disse skyldes flere faktorer, som de ulike virkningsgrader og ulik teknologisk modenhet. Antagelsene som er blitt gjort påvirker også resultatene, og det er flere interessante faktorer tett opp mot problemstillingen som ikke er diskutert i denne oppgaven og kan undersøkes i videre arbeid.

Det konkluderes med at samtlige teknologier har potensiale til å utføre peak shaving. LIB peker seg frem som det jevnt over beste alternativet for elektrisk peak shaving. LIB og VRFB er de eneste teknologiene som vil ha årlige besparelser, men grunnet høye investeringskostnader vil også disse teknologiene få negative levetidskostnader. STES har de klart laveste investeringskostnadene av alle teknologiene, og utkonkurrerer også hydrogen på arealeffektivitet. Det anses derfor som det beste alternativet for termisk peak shaving. Økonomisk sett vil ikke installasjon av et ESS på Gløshaugen være lønnsomt, men det vil likevel ha en verdi for energisystemet i Trondheim.

The world will need more and more energy in the future. Combined with a climate crisis that requires a transition to renewable energy sources that are difficult to regulate, there is a need for smart energy solutions. Using an ESS to perform peak shaving is an example of such a solution. Gløshaugen, with its total energy consumption of almost 100 GWh, will be able to make a big difference to the energy grid in Trondheim by adopting an ESS. The clue is to find which system is the most energy-, cost- and area-efficient.

There are a number of different ESS, but not all are equally suitable for performing peak shaving. In this thesis four technologies are investigated in different scenarios: Lithium-ion battery (LIB), vanadium redox flow battery (VRFB), hydrogen and sensitive thermal energy storage (STES). All the technologies have different advantages and disadvantages, and they also have somewhat varying areas of application. The two former will be able to reduce power peaks in the power grid, and STES will be able to reduce peaks in the district heating network. Hydrogen can be used in a phosphoric acid fuel cell (PAFC) that produces both electricity and heat.

The method for calculating energy, cost and area efficiency is based on the energy consumption of Gløshaugen for 2023. The efficiency of the different technologies lays the basis for the simulation of so-called \say{optimal peak shaving}, where the goal is to draw a constant load from the electricity- or district heating network on a daily basis. This is calculated using a script in Python. Graphs and values are then prepared for the necessary storage capacity, costs and power and space requirements.

The results show clear differences between the technologies. These are due to several factors, such as the different efficiencies and different technological maturity. The assumptions that have been made also affect the results, and there are several interesting factors connected to the problem that are not discussed in this thesis and can be investigated in further work.

It is concluded that all technologies have the potential to perform peak shaving. LIB stands out as the best alternative for electric peak shaving. LIB and VRFB are the only technologies that will have annual savings, but due to high investment costs, these technologies will also have negative lifetime costs. STES has by far the lowest investment costs of all the technologies, and also outperforms hydrogen in area efficiency. It is therefore considered the best option for thermal peak shaving. From an economic point of view, installing an ESS at Gløshaugen will not be profitable, but it will still have value for the energy system in Trondheim.