Integrated energy storage tank for large scale power-to-gas applications

Abstract

The global interest towards renewable energy production such as wind and solar energy is increasing, which in turn calls for new energy storage concepts due to the larger share of intermittent energy production. Power-to-gas solutions can be utilized to convert surplus electricity to chemical energy which can be stored for extended periods of time. The energy storage concept explored in this thesis is an integrated energy storage tank connected to an oxy-fuel combustion plant. Using this approach, flue gases from the plant could be fed directly into the storage tank and later converted into synthetic natural gas by utilizing electrolysis-methanation route.

This work utilizes computational fluid dynamics to model the desublimation of carbon dioxide inside a storage tank containing cryogenic liquid, such as liquefied natural gas. Numerical modelling enables the evaluation of the transient flow patterns caused by the desublimation, as well as general fluid behaviour inside the tank. Based on simulations the stability of the cryogenic storage and the magnitude of the key parameters can be evaluated.

Maailmalla nouseva kiinnostus uusiutuvia energiamuotoja kohtaan kasvattaa tuuli- ja aurinkovoiman suhteellista osuutta energiantuotannosta, mikä puolestaan lisää tarvetta kehittää uusia energian varastointimuotoja tasaamaan vaihtelevaa sähköntuotantoa. Kaasumaiseen muotoon muunnettua sähköenergiaa voidaan säilöä kustannustehokkaasti pidempiäkin aikoja. Tässä työssä tutkitaan integroitua kaasuenergiavarastoa, joka on liitetty happipolttolaitokseen. Tällaisella ratkaisulla voimalaitoksen savukaasut voitaisiin ohjata suoraan varastosäiliöön, ja myöhempänä ajankohtana muuntaa synteettiseksi maakaasuksi elektrolyysi-metanointiprosessin kautta.

Tässä työssä käytetään numeerista virtauslaskentaa mallintamaan hiilidioksidin härmistymistä säiliössä, kun se on kosketuksissa kryogeenisen nesteen (kuten nesteytetyn maakaasun) kanssa. Numeerisen mallinnuksen avulla voidaan arvioida säiliössä härmistymisen johdosta syntyvää virtauskenttää sekä nesteen ja kaasujen yleistä käyttäytymistä. Simulaatioiden avulla voidaan arvioida tällaisen integroidun energiavaraston stabiiliutta, ja samalla saada käsitystä tärkeimpien parametrien suuruusluokasta.