Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/10316/101678
Title: Compressed Air Energy Storage Potential: Suitable Reservoirs, Economic Analysis, and Investment Assessment
Other Titles: Potencial de Armazenamento de Energia em Ar Comprimido: Reservatórios Adequados, Análise Económica e Avaliação de Investimento
Authors: Matos, Catarina Alexandra Rodrigues
Orientador: Silva, Patrícia Pereira da
Carneiro, Júlio Ferreira
Keywords: Compressed Air Energy Storage; Potential Underground Reservoirs; GIS-MCDA Techniques; Economic Analysis; Monte Carlo Simulation; Armazenamento de energia em ar comprimido; potenciais reservatórios subterrâneos; técnicas GIS-MCDA; análise económica; simulação de Monte Carlo
Issue Date: 9-Jun-2022
Project: info:eu-repo/grantAgreement/FCT/FARH/SFRH/BD/117722/2016/PT/Armazenamento de Energia em Ar Comprimido: o seu Potencial e Viabilidade Económica em Portugal. 
Place of publication or event: Coimbra
Abstract: International targets set to mitigate the effects of climate change include increasing renewable energy production. However, renewable energy sources (RES) represent a global challenge for energy networks. Energy storage (ES) is one of the possible solutions to help manage the grid, balance supply and demand, and increase energy security, playing a crucial role in future energy networks. Portugal is one of the European countries with a larger share of renewable energy and where large-scale ES is essentially ensured by pumped hydro storage. However, attention is turning to other ES technologies. Therefore, Compressed Air Energy Storage (CAES) is a large-scale ES technology that can store hundreds of MW of power capacity for long-term and utility applications. CAES is the selected ES technology to carry out this research. The objective is to assess the potential of CAES for Portugal, its suitable reservoirs, and its economic feasibility in the Portuguese energy context. Considering CAES's state of the art and benchmarking its facilities and projects, it was possible to assess the technology's degree of development and maturity. Furthermore, the importance of the regulatory framework in the decisions of the energy sector is indisputable, so this was studied to support recommendations that enhance the implementation of ES projects, such as CAES. An assessment of the criteria for suitable underground reservoirs was carried out, and the CAES potential reservoirs were identified for Portugal, including the host rocks, salt formations, and saline aquifers. In total, sixty-two potential reservoir sites are mapped in the Portuguese geological framework. After evaluating the suitability of the reservoirs, the most appropriate ones are chosen using the Multi-Criteria Decision Analysis - Geographic Information Systems (MCDA-GIS) methodology and sensitivity analysis, considering the constraints and incentives to CAES. Finally, the best reservoirs are selected as case studies and characterized to be economically evaluated. The objective is to assess whether CAES is a viable and financially profitable storage technology for the Portuguese energy system, especially for RES. Several scenarios are assumed for each case study considering different CAES technologies and different situations of underground caverns. Using the Monte Carlo simulation method, an investment assessment of CAES is carried out. Finally, two business models are established and economically evaluated. The first assumes that CAES facilities are coupled to RES production, and the second assumes that utilities can use CAES for energy arbitrage. The results obtained from the economic analysis allow concluding that CAES can be viable and profitable in specific scenarios. Thus, in certain situations, CAES reveals itself as a good technology coupled with renewable energies. It can facilitate the management of their variability, reduce the dependence on weather and support their integration into the electricity grid. However, X CAES does not seem feasible for energy arbitrage from the grid since it is not profitable in most simulated scenarios for both case studies. The results of this work are pioneering in the empirical study of the potential CAES options available to manage RES. Furthermore, although the methodologies are used for a specific country (Portugal), they can be reproduced and utilized by stakeholders in the electricity sector interested in storage solutions for the energy transition.
As metas internacionais definidas para mitigar os efeitos das alterações climáticas, incluem o aumento da produção de energia renovável. No entanto, as fontes de energia renováveis (FER) representam um desafio global para as redes energéticas. O armazenamento de energia é uma, de entre diversas, soluções possíveis para coadjuvar na gestão da rede, equilibrar a oferta e a procura e aumentar a segurança energética, tendo assim um papel crucial nas redes de energia do futuro. Portugal é um dos países europeus com maior quota de energia renovável, e onde o armazenamento de energia em grande escala é essencialmente assegurado pela bombagem hidroelétrica. No entanto, a atenção está a voltar-se para outras tecnologias de armazenamento de energia. Portanto, o CAES (armazenamento de energia em ar comprimido) é uma tecnologia de armazenamento de energia de grande escala que pode armazenar centenas de MW de capacidade energética para aplicações de longo prazo e de utilities e é o selecionado para desenvolver esta investigação. O objetivo é avaliar o potencial de CAES para Portugal, os seus reservatórios adequados e a sua viabilidade económica no contexto energético Português. Atendendo ao estado da arte do CAES e realizado um benchmarking das instalações e projetos de CAES, foi possível aferir o grau de desenvolvimento e maturidade da tecnologia. Sendo indiscutível a importância do contexto regulatório nas decisões do sector energético, este foi estudado de molde a poder sustentar recomendações que potenciem a implementação de projetos de armazenamento de energia, como o CAES. Foi realizada uma avaliação dos critérios para os reservatórios subterrâneos e identificados os referidos potenciais reservatórios adequados para CAES em Portugal, incluindo as rochas hospedeiras, as formações salinas e os aquíferos salinos do país. No total, sessenta e dois locais de reservatórios potenciais são mapeados no quadro geológico português. Após a avaliação da adequação dos reservatórios, os mais apropriados são escolhidos com recurso a metodologia de Análise de Decisão Multicritério - Sistemas de Informação Geográfica (MCDA-GIS) e análise de sensibilidade, considerando as restrições e incentivos ao CAES. Finalmente, os melhores reservatórios são selecionados como casos de estudo e caracterizados para serem avaliados economicamente. O objetivo é avaliar se o CAES é uma tecnologia de armazenamento viável e financeiramente rentável para o sistema energético Português, especialmente para armazenar energia proveniente de FER. São assumidos vários cenários para cada caso de estudo considerando diferentes tecnologias CAES e diversas situações de cavernas subterrâneas. Utilizando o método de simulação de Monte Carlo, é feita uma avaliação de investimento do CAES. Finalmente, são desenhados dois modelos de negócios e avaliados economicamente. O primeiro pressupõe que as instalações do CAES sejam acopladas à produção das FER, e o segundo pressupõe que as utilities possam usar o CAES para arbitragem de energia. Os resultados obtidos com a análise económica permitem concluir que o CAES pode ser viável e rentável em cenários específicos. Assim, o CAES revela-se, em determinadas situações, como uma boa tecnologia acoplada às energias renováveis. Pode ajudar a facilitar a gestão da sua variabilidade, XII diminuir a dependência das condicionantes climatéricas e auxiliar na sua integração na rede elétrica. No entanto, o CAES não parece viável para arbitragem de energia da rede, uma vez que não é rentável na maioria dos cenários simulados para ambos os casos de estudo. Os resultados deste trabalho são pioneiros no que se revela ao estudo empírico das opções de potencial de CAES disponível para gerir as FER. Apesar das metodologias serem utilizadas para um determinado país (Portugal), estas podem ser reproduzidas e usadas por stakeholders do setor elétrico interessados em soluções de armazenamento para a transição energética.
Description: Tese de Doutoramento em Sistemas Sustentáveis de Energia apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.
URI: https://hdl.handle.net/10316/101678
Rights: embargoedAccess
Appears in Collections:UC - Teses de Doutoramento
FCTUC Eng.Mecânica - Teses de Doutoramento

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