Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Battery energy storage for intermittent renewable electricity production: A review and demonstration of energy storage applications permitting higher penetration of renewables
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Applied Physics and Electronics.
2015 (English)Independent thesis Advanced level (professional degree), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Batterienergilager för intermittent förnyelsebar elproduktion : Litteraturöversikt och demonstrering av användingsområden för att möjliggöra en högre andel förnyelsebar energikällor (Swedish)
Abstract [en]

Driven by resource politics and climate change, the transition from conventional fossil fuel based and centralized energy generation to distributed renewables is increasing rapidly. Wind and solar power generation offer carbon dioxide neutral electricity but also present some integration difficulties for energy system operators and planners due to intermittent power output. A promising way of dealing with the intermittency from renewables is energy storage.

The method of storing energy in the electricity grid, especially by the means of electrochemical storage, has gained a lot of attention over the last years in the energy sector. While most utilities and energy market stakeholders have the basic understanding of energy storage, a more profound knowledge of grid storage applications is often lacking. This thesis aims to highlight and explain possible energy storage applications with focus on renewables integration.

Battery energy storage can allow higher amounts of renewable electricity generation to be integrated by smoothening power output, time shifting generated energy to follow demand and increase hosting capacities through peak shaving. Power quality related issues due to intermittency can be mitigated by controlling the storage’s charging patterns to respond to grid variables. For optimal utilization and maximum storage value, several applications should be within the operational repertoire of the storage unit. Other applications including arbitrage, grid investment deferral and load following are discussed.

Several battery technologies which have been developed and tested for such applications including lead acid, sodium sulfate and lithium-ion are presented. The most promising battery energy storage technology is lithium-ion with exceptional storage characteristics and most importantly a favorable near term price development.

Two case studies on two of Umeå Energy’s low voltage networks simulating high penetrations of solar generation have been carried out to demonstrate mitigation of overvoltage and peak shaving with battery energy storage systems. The simulations show that energy storage systems can successfully be used to aid the integration of renewables in the electricity grid. Present capital costs are still too high for energy storage to be feasible but falling pricing and a developing market is foreseen to lower the hurdles. 

The main obstacle for energy storage at grid scale besides high capital costs are, in principle, non-existing legal frameworks regulating the ownership of energy storage systems and system technology standardization. Further discussions on the matter in combination with testing and pilot projects are needed to gain national and international experience with battery energy storage for the successful high share integration of renewables.

Abstract [sv]

Sinande naturresurser och växthuseffekten driver på övergången från centraliserad kraftproduktion baserad på fossila bränslen till distribuerad förnyelsebar energiproduktion i rask takt. Vind- och solkraft levererar koldioxidneutral el men ställer samtidigt balansansvariga och elnätsplanerare inför en rad problem på grund av periodiskt återkommande och tidvis ostabil effektgenerering. Energilager presenteras som en lovande lösning på problemen orsakade av förnyelsebara energikällor

Att lagra energi i elnätet, i synnerhet med batterier, har fått en hel del uppmärksamhet de senaste åren i energibranschen. De flesta elnätsbolag och intressenter på energimarknaden har en grundläggande förståelse kring energilagring i elnätet men saknar ofta mer djupgående kunskap. Detta examensarbete syftar att belysa och förklara användningsområden och potentialer för energilagring med fokus på integreringen av förnyelsebara energikällor.

Teorin beskriver hur batterilager kan användas för tillåta integreringen av en hög andel förnyelsebar elproduktion. Några tillämpningar är; effektutjämning, lagring av producerad energi för senare bruk samt ökad nätkapacitet genom att kapa toppar. Problem relaterade till försämrad elkvalité orsakad av varierande kraftproduktion visas kunna pareras med hjälp av programmerbara energilagringssystem som läser av storheter på elnätet såsom spänning och frekvens. För att utnyttja energilagret optimalt och komma åt dess maximala värde bör flera användningsområden kombineras. Därför diskuteras även andra användningsområden såsom arbitrage, lagringskapacitet för att skjuta upp eller undvika förstärkning av elnätet och lastföljning.

Ett flertal batteriteknologier aktuella för de diskuterade användningsområdena såsom bly-, natriumsulfat- och litium-jonbatterier presenteras. Den mest lovande teknologin är litium-jon tack vare dess utmärkta egenskaper och framförallt mycket gynnsamma förväntade prisutveckling.

Två fallstudier av två av Umeå Energi´s nätområden med hög simulerad andel solenergiproduktion har utförts för att demonstrera utnyttjandet av energilager för reglering av överspänning och kapning av toppar. Simuleringarna visar att energilagringssystem med framgång kan underlätta integreringen av förnyelsebara energikällor. Dagens kapitalkostnader är fortfarande för höga för att energilagring ska vara ekonomiskt försvarbart men fallande priser och en växande marknad väntas verka till teknikens fördel.

Det visar sig att regelverk gällande ägandeskapet och standardiseringen av energilager är i det närmaste obefintliga vilket utgör ytterligare hinder för tekniken. Fortsatta diskussioner gällande dessa punkter i kombinationen med test- och pilotanläggningar för att införskaffa erfarenhet av energilagring i elnätet krävs.

Place, publisher, year, edition, pages
2015. , 81 p.
Keyword [en]
Energy storage, Renewable electricity
National Category
Energy Systems
Identifiers
URN: urn:nbn:se:umu:diva-104285OAI: oai:DiVA.org:umu-104285DiVA: diva2:818683
External cooperation
Umeå Energi Elnät AB
Subject / course
Energiteknik
Educational program
Master of Science Programme in Energy Engineering
Supervisors
Examiners
Available from: 2015-06-09 Created: 2015-06-09 Last updated: 2015-06-09Bibliographically approved

Open Access in DiVA