Innovative energy storage concepts based on power-to-power solutions using micro gas turbines

Abstract

Power-to-Power is a process whereby the surplus of renewable power is stored as chemical energy in the formof hydrogen. Hydrogen can be used in situ or transported to the consumption node. When power is needed again, hydrogen can be consumed for power generation. Each of these processes incurs energy losses, leading to a certain round-trip efficiency (Energy Out/Energy In). Round-trip efficiency is calculated considering the following processes: water electrolysis for hydrogen production, compression, liquefaction or use of metal-hydride for hydrogen storage, fuel-cell-electric-truck for hydrogen distribution and micro-gas turbine for hydrogen power generation. From a first analysis of the commercial technologies available in the market, the achievable round-trip efficiency of the power-to-power energy storage system proposed is 29% when considering solid oxide electrolysis andmetal hydride storage. This number decreases sharply when using alkaline or proton exchange membrane electrolysers, 22.2% and 21.8% respectively. Round-trip efficiency is further reduced if considering other storage media, such as compressed- or liquefied-H2. Even if this is not positive, this thesis shows that there is a large margin to increase round-trip efficiency again, mostly through improvements in the hydrogen production process and the thermo-mechanical energy conversion step, which could lead to round-trip efficiencies of around 40%–42% in the next decade, for power-to-power energy storage systems based on micro gas turbines. By prioritising the development of a rapid techno-economic assessment tool, accuratemodels for the various components of the system have been successfully created and incorporated into a Python-based tool. The models encompass renewable energy sources such as PV Solar andWind Turbines, electrolyser technologies including proton-exchange membrane and solid oxide, a high-pressure storage system comprising volumetric compressors and high-pressure vessels, and the power block featuring a micro gas turbine. After completing the design modelling, a thorough examination of the economic aspects of each system is conducted. This involves conducting an extensive literature review and extracting relevant information regarding the capital and operational expenditures associated with renewable energy sources, electrolysers, compression systems, storage media, and micro-gas turbines. Additionally, various metrics are reported to assess the economic impact, including the levelised cost of hydrogen and energy, as well as the payback period and internal rate of return. The techno-economic assessment tool is put into practice for analysing an off-grid application with a continuous demand of 30 kWe for three European cities: Palermo, Frankfurt, and Newcastle. In the first part of the analysis, the results show that the latitude of the location is a very strong driver in determining the size of the system (footprint) and the amount of seasonal storage. The rated capacity of the PV plant and electrolyser is 37%/41% and 58%/64% higher in Frankfurt and Newcastle, respectively, as compared to the original design for Palermo. And not only this, but seasonal storage also increases largely from 3125 kg H2 to 5023 and 5920 kg H2. As a consequence of this, LCOE takes values of 0.86 €/kWh, 1.26 €/kWh, and 1.5 €/kWh for the three cities, respectively, whilst round-trip efficiency is approximately 15.7% for the three designs at the said cities. With the aim to reduce the footprint and rating of the different systems, two strategies are followed: hybridisation with other storage technologies and improvement of the electric efficiency of the power conversion unit. For the former, the system is hybridised with a battery energy storage system, leading to 20% LCOE reduction and 10% higher round-trip efficiency. For the latter, the incorporation of an ORC system as a waste-heat recovery system using the exhaust gases of the micro gas turbine is investigated. It is shown that a 30 kWe micro gas turbine can see efficiency rising from 27% to 42%. Analysing again the system with the incorporation of the battery storage system and the upgraded micro gas turbine yields 50% reduction of the PV solar system footprint, 60% reduction in the rated capacity of the electrolyser, and 40% reduction in the levelised cost of electricity. The present thesis effectively makes strides towards implementing power-to-power energy storage systems utilising micro gas turbines for off-grid applications. Moreover, by developing designmodels for each system component and integrating themwith an economic assessment, the thesis successfully identifies crucial parameters to be considered during the design process. Importantly, it highlightsweak areas that require further research and development to facilitate the successful deployment of the technology. This progress aims to achieve a minimal footprint and low LCOE while contributing to the wider adoption of renewable energy sources and the global fight against climate change.

Power-to-Power es la denominación habitual para sistemas en los que el excedente de energía renovable se almacena como energía química en forma de hidrógeno. El hidrógeno se puede utilizar in situ o transportarse al punto de consumo. Cuando se necesita energía nuevamente, se puede consumir hidrógeno para generar energía eléctrica y térmica. Cada uno de estos procesos incurre en pérdidas de energía, lo que lleva a una cierta eficiencia de almacenamiento (Energía Eléctrica Salida / Energía Eléctrica Entrada). La eficiencia de almacenamiento se calcula teniendo en cuenta los siguientes procesos: electrólisis del agua para la producción de hidrógeno, almacenamiento de hidrógeno comprimido, licuado o en forma de hidruros metálicos, distribución de hidrógeno mediante camiones eléctricos con pila de combustible y generación de energía mediante microturbina de gas operando con hidrógeno. En un primer análisis de las tecnologías comerciales disponibles en elmercado, la eficiencia de almacenamiento alcanzable es del 29%, al considerar la electrólisis de óxido sólido y el almacenamiento en hidruros metálicos. Este número disminuye drásticamente al utilizar electrolizadores alcalinos o de membrana de intercambio de protones, 22.2% y 21.8% respectivamente. La eficiencia de almacenamiento se reduce aún más si se consideran otros medios de almacenamiento, como H2 comprimido o licuado. Sin embargo, el objetivo de la tesis es resaltar que todavía hay un margen amplio para aumentar la eficiencia de almacenamiento del sistema power-to-power, principalmente en los bloques de producción de hidrógeno y generación de energía, lo que podría llevar a eficiencias de almacenamiento de alrededor del 40% -42% en la próxima década, para sistemas de almacenamiento de energía power-to-power basados en microturbinas de gas. Al priorizar el desarrollo de una herramienta de evaluación tecnoeconómica rápida, se han creado con éxito modelos robustos para los diversos componentes del sistema y se han incorporado en una herramienta basada en Python. Los modelos abarcan fuentes de energía renovable como paneles solares fotovoltaicos y turbinas eólicas, tecnologías de electrolizadores que incluyen membrana de intercambio de protones y óxido sólido, un sistema de almacenamiento a alta presión que comprende compresores volumétricos y depósitos de alta presión, y el bloque de potencia basado en microturbina de gas. Después de completar el modelado del diseño, se realiza un examen exhaustivo de los aspectos económicos de cada sistema. Esto implica llevar a cabo una extensa revisión bibliográfica y extraer información relevante sobre los costes de capital y operativos asociados con fuentes de energía renovable, electrolizadores, sistemas de compresión, medios de almacenamiento y microturbina de gas. Además, se proporcionan diversos indicadores para evaluar el impacto económico, incluido el coste nivelado del hidrógeno y la energía, así como el período de retorno de la inversión y la tasa interna de retorno. La herramienta de evaluación tecnoeconómica se pone en práctica para analizar una aplicación autónoma para un usuario con una demanda continua de 30 kWe, considerando tres localizaciones en Europa: Palermo, Frankfurt y Newcastle. En la primera parte del análisis, los resultados muestran que la latitud de la localización es un factor determinante en el tamaño del sistema y en la capacidad de almacenamiento estacional. La capacidad nominal de la planta fotovoltaica y el electrolizador es un 37%/41% y un 58%/64% más alta en Frankfurt y Newcastle, respectivamente, en comparación con el diseño original para Palermo. Y no solo eso, sino que el almacenamiento estacional también aumenta considerablemente, de 3125 kg de H2 a 5023 kg y 5920 kg de H2 respectivamente. Como consecuencia de esto, el coste nivelado de electricidad toma valores de 0.86 €/kWh, 1.26 €/kWh y 1.5 €/kWh para las tres ciudades, respectivamente, mientras que la eficiencia de almacenamiento es aproximadamente del 15.7% para los tres diseños, independientemente de la ciudad. Con el objetivo de reducir el tamaño y la potencia de los diferentes sistemas, se siguen dos estrategias: la hibridación con otras tecnologías de almacenamiento y la mejora de la eficiencia eléctrica del bloque de potencia. Para lo primero, el sistema se hibrida con un sistema de baterías eléctricas, lo que conduce a una reducción del 20% en el coste nivelado de la electricidad y una eficiencia de almancemiento un 10%más alta. Para lo segundo, se investiga la incorporación de un sistema ORC como un sistema de recuperación del calor residual en los gases de escape de la microturbina de gas. Se muestra que es factible aumentar el rendimiento eléctrico de una microturbina de gas de 30 kWe del 26.9% al 42.1%. Al analizar nuevamente el sistema con la incorporación de las baterías y lamicroturbina de gas de alto rendimiento, se logra una reducción del 50% en el tamaño del sistema solar fotovoltaico, una reducción del 60% en la potencia nominal del electrolizador y una reducción del 40% en el coste nivelado de la electricidad. La tesis presenta avances en la implementación de sistemas de almacenamiento de energía power-to-power utilizando microturbina de gas para aplicaciones autónomas. Además, al desarrollar modelos de diseño para cada componente del sistema e integrarlos con una evaluación económica, la tesis identifica con éxito parámetros críticos que deben tenerse en cuenta durante el proceso de diseño. Es importante destacar que se señalan áreas de debilidad que requieren más investigación y desarrollo para facilitar la implementación exitosa de la tecnología. Este progreso tiene como objetivo lograr minimizar el tamaño y coste de estos sistemas, al tiempo que contribuir a lamayor presencia de fuentes de energía renovable y, de manera general, a la lucha global contra el cambio climático.