Economic and operational analysis of compressed air energy storage systems

Abstract

A Compressed Air Energy Storage System (CAES) is a way to store energy to be used when the demand for energy is high. in this system the air is pumped into a cavern when the power price is low and the air is used in a natural gas fired turbine to generate power when the price is high aiming to make profit from this price difference. The system can pump or generate or do both. Typically the power price is low at nights and high during the daytime. However the power and natural gas price along with the heat rate of the turbine should be included to the model to determine when the air should be pumped and when the power should be generated to maximize the revenue. in this research a mixed integer programming method is developed to determine a pumping-generation schedule for the CAES given that market and natural gas price for each hour can be forecasted. Appropriate forecasting methods are used to simulate the power and natural gas prices for the analysis. The model is coded in General Algebraic Modeling System (GAMS) and a case study is presented to validate the model. in addition to scheduling of the CAES another important contribution of this research is to develop a framework for investor companies who wish to build a CAES system. We develop 30-years long market price and natural gas price scenarios and we find annual profits through optimum scheduling of the CAES plant given that market price and natural gas prices are variable. Then we use appropriate engineering economics tools to estimate a Net Present Worth value of each different scenario for the decision makers of the investment companies.

Enerji, basınçlı hava enerji depolama sistemiyle talebin fazla olduğu zamanlarda kullanılmak üzere depolanır. Bu sistem ile hava elektrik fiyatının düşük olduğu zamanlarda depoya pompalanır ve elektrik fiyatının pahalı olduğu zamanlarda doğal gaz ile yakılarak elektrik enerjisine çevrilir. Havanın pompalanması ve elektrik enerjisinin üretimi sırasında elektrik fiyatı farklıdır. Elektrik fiyatındaki bu fark ile kar elde etmek amaçlanır. Basınçlı Hava Enerji Depolama sisteminde havanın pompalanması işlemi ve elektriğin üretimi farklı zamanlarda yapılabileceği gibi her iki işlemde aynı zamanda yapılabilir. Genellikle elektrik fiyatları gece saatlerinde ucuz olurken gün içerisinde pahalı olur. Doğal gaz ve elektrik fiyatlarıyla birlikte türbin ısı oranının modele dahil edilmesi geliri maksimize edebilmek için gerekmektedir. Bu çalışmada tahmin edilen elektrik ve doğal gaz fiyatlarıyla pompalama ve üretim zamanlarını belirleyebilmek için uygun karışık tamsayılı bir programlama yöntemi geliştirildi. Uygun tahmin modelleri elektrik ve doğal gaz fiyatlarını tahmin etmek için kullanılır. Model Genel Cebirsel Modelleme Sistemi (GAMS) programında kodlandı ve modeli doğrulamak için bir örnek çalışması sunuldu. Bu araştırmada CAES planlamasının yanı sıra CAES sistemi kurmak isteyen yatırımcılar için de önemli katkılar sağlandı. Araştırmamızda 30 yıllık elektrik ve doğal gaz senaryoları geliştirildi. Piyasa ve doğal gaz fiyat değişkenlerini göz önüne alarak CAES tesisi için optimum zamanlama ile yıllık kar bulundu. Daha sonra mühendislik ekonomisi araçlarını kullanarak yatırım şirketlerinin karar vericileri için her bir farklı senaryonun Net Bugünkü Değerlerini hesaplandı.