OPTIMAL ENERGY DESIGN FOR A SYSTEM OF PUMPED HYDRO-WIND POWER PLANTS

SAMMANFATTNING Medvetenhet och oro kring miljöeffekter från utsläpp av växthusgaser och de minskande resurserna av icke förnybara energikällor har ökat de senaste årtiondena. Utvecklingen av ny teknologi för förnybar energi har drivits fram globalt som ett svar på denna oro. Det har skett stora framsteg i produktion av el och värme från sol, vind, hav, vattenkraft, biomassa, geotermiska resurser, biobränslen och väte. Följaktligen har utvecklingen av energi-lager blivit en viktig del för integration av förnybar energi i systemen. Det är gynnsamt för hela försörjningskedjan, för pålitlighet och bättre stabilitet i leveranser och distribution, och för ökad el-kvalitet. I uppsatsen undersöks en optimal energidesign för ett kombinerat system med vattenkraft och vindkraft inklusive ett lager i form av en damm. Vatten som pumpas upp till lagret har en stor och balanserande potential för att få in en högre grad förnybar energi i energisystemen. Detta är nödvändigt då dessa energikällor är intermittenta och variabla till sin natur. Ett av de studerade objekten är ett vattenkraftverk med pumpad damm, Tehri i Uttarakhand, Indien. Systemets totala verkningsgrad om 93 % diskuteras utifrån förluster såväl som potentialen för vind och dess inverkan. Vind-data är hämta från National Institute of Wind Energy (NIWE) och har analyserats med programmen MATLAB och WindPro. Det slutligen valda området för exploatering av vindkraft blev Ramakkalmedu, Idukki district, Kerala, Indien. Efter valet av plats valdes tre olika vindturbiner ut för analys; Siemens SWT-3.2-113 3.2 MW, Enercon E-126 4.2MW, och Enercon E-126 7.58MW. Analysen består av flera delar; vindparks-modellering, beräkning av buller-generering från vindkraften, beräkning av årlig energi-generering - Annual Energy Production (AEP), kapacitetsfaktor, vindparkens effektivitet med hänsyn tagen till lagret/dammens variation av bas-last. Resultat har erhållits från alla tre turbinerna och den övergripande slutsatsen är att kombinationen med vatten- och vindkraft med lagring av vatten som pumpas upp vid behov är en tillfredsställande metod för att möta belastningstoppar, vilket valideras av denna uppsats. Nyckelord: pumpade vattenkraftdammar, vindkraftparker, energi lager, förnybar energi.ABSTRACT Awareness and concern regarding the environmental effects of greenhouse gas emissions and depletion of non-renewable energy sources has increased over the last decades. A considerable development of new technology for renewable energy has occurred globally as an answer to this concern. There has been a major progress in production of electricity and heat generated from solar, wind, ocean, hydropower, biomass, geothermal resources, and biofuels and hydrogen. Consequently, the development of energy storages has become an imperative part, for integration of renewable energy. It is beneficial for the entire supply chain, for dependability and better stability, and for enhanced quality of electrical power. This thesis is exploring an optimal energy design for a system of pumped hydro-wind power plants including storage. Solutions with Pumped Hydro Storages have a great potential for their balancing role necessary for a higher degree of renewable energy sources, RES, in the energy systems because of the intermittent and variable nature of these sources. Tehri pumped hydro storage plant, in Uttarakhand, India is one of the objects studied in this thesis. The systems total efficiency of 93%, calculated from head losses, is discussed as well as wind potential and its impact. Wind data is obtained from National Institute of Wind Energy (NIWE) and analysed using the software tools MATLAB and WindPro. The finally chosen area explored for wind potential is Ramakkalmedu, Idukki district, Kerala, India. After selection of site within the area, three different turbines; Siemens SWT-3.2-113 3.2 MW, Enercon E-126 4.2MW, and Enercon E-126 7.58MW were considered for analysis. The analysis consists of several parts; Wind farm modelling, Noise estimation of Wind Park, estimation of Annual Energy Production (AEP), Capacity factor, Wind park efficiency with respect to the storage/reservoir´s base load variation. Results are achieved for all three turbines. The overall conclusion is that combined hydro and wind power with a pumped storage, is a satisfactory method for bulk energy store to address peak loads, which is validated by this thesis. Keywords: Pumped Hydro, Wind farm, Energy Storage, Renewable Energy