Technical, Economic and Environmental Feasibility of an Innovative Small-Scale Pumped Storage Hydropower Plant in the Urban Built Environment

Abstract

The energy transition in Germany requires new ways to integrate renewable power generation technologies into the energy system. Due to the intermittent nature of wind and solar power, new measures are needed to balance demand and supply. Power system flexibility can be provided by energy storage systems that store energy when supply exceeds the demand, and feed power back into the grid when demand exceeds the supply. Many different energy storage technologies are available. The oldest, most mature, and only large-scale technology that has been operational for decades, is pumped hydro energy storage. While the potential for large-scale systems has become scarce in Germany, due to space restrictions and lack of public acceptance, there has been an increasing interest in small-scale systems.The current study lays a focus on the development of a new innovative approach to store energy in a small-scale pumped hydro energy storage plant that can be integrated into the urban built environment, namely in a building. Therefore, a product development approach was conducted, followed by an analysis of the economic and environmental viability of the plant. In a final step, the proposed system was compared to lithium-ion battery systems and power-to-gas-to-power systems in terms of economic and environmental feasibility.The study finds that the proposed small-scale pumped hydro energy storage system has considerable potential, whereas serious competition comes from the lithium-ion battery system with its predicted future developments. However, the implementation of the proposed system comprises major technical challenges due to its considerable size.

Orkuskiptin í Þýskalandi krefjast nýrra leiða til að samþætta endurnýjanlega orkuframleiðslutækni í raforkukerfinu. Vegna eðlis vind- og sólarorku þarf nýjar ráðstafanir til að koma á jafnvægi milli eftirspurnar og framboðs. Hægt er að veita sveigjanleika í raforkukerfinu með geymslukerfum sem geyma orku þegar framboð er meira en eftirspurnin, og skilar afli aftur í kerfið þegar eftirspurn er meiri en framboðið. Margar mismunandi tæknilausnir til að geyma orku eru til. Elsta, þróaðasta og ein stærsta tæknin sem hefur verið starfrækt í áratugi, er vatnsorkudælimiðlun. Þrátt fyrir að möguleikar á stórfelldum kerfum hafi verið af skornum skammti í Þýskalandi, vegna takmarkana á rými og skorts á samþykki almennings, hefur vaxandi áhugi verið fyrir smáskalakerfi.Þessi rannsókn leggur áherslu á þróun nýrrar nýstárlegrar aðferðar til að geyma orku í smáskala vatnsorkudælimiðlun sem hægt er að samþætta í þéttbýlu umhverfi, aðallega í byggingu. Þess vegna var vöruþróunaraðferð beitt, í kjölfar greiningar á hagkvæmni og umhverfisvænni stöðvarinnar. Að lokum var fyrirhugaða kerfið borið saman við liþínrafgeyma og afl í gas í raforkukerfi hvað varðar hagkvæmni í efnahags- og umhverfismálum.Rannsóknin leiðir í ljós að smáskala vatnsorkudælimiðlun hefur talsverða möguleika en mikil samkeppni kemur frá liþínrafgeymum miðað við framtíðarþróun þeirra. Hins vegar felur útfærsla fyrirhugaðs kerfis í sér miklar tæknilegar áskoranir vegna talsverðrar stærðar.