Optimization strategy for system management of cold thermal energy storage (CTES) in conditions of dynamic changes in energy carrier value

Abstract

In the world of contemporary challenges involving the continual increase in demand for energy resources and corresponding environmental pollution, the necessity has arisen to develop and implement advanced technologies to reduce energy consumption. This calls for enhancing energy utilization efficiency and op-timizing energy generation systems, taking into account the utilization of alternative and renewable ener-gy sources.Specifically, thermal energy storage becomes crucial as an effective economic option. Ther-mal energy storage systems enable meeting heating or cooling needs during optimal periods when it is more energy-efficient. Traditional management methods rarely prove optimal due to fluctuating electrici-ty tariffs, cooling loads, and ambient temperature. This leads to suboptimal achievement of maximum savings in utilising thermal energy storage systems.In this work, the advantages of Cold Thermal Energy Storage (CTES) systems based on Ice Thermal Energy Storage (ITES) were analysed alongside existing management strategies implemented in most enterprises and buildings utilizing ITES. A simpli-fied engineering methodology for analysing the thermodynamic efficiency of CTES was proposed. It was determined that cold losses during exergy analysis during storage are caused by both losses through sur-faces and internal exergy losses (i.e., exergy consumption due to irreversibility within the reservoir). For modern systems, exergy losses encompass both external and internal components. As an example, if the heat transfer at the external surface temperature of the storage reservoir equals the ambient temperature, external exergy losses would be zero, while total exergy losses would be entirely due to internal consump-tion. Conversely, if heat transfer occurs at the liquid's temperature for storage, a greater portion of exer-gy losses will be due to external losses. In all cases, the cumulative exergy losses, comprising internal and external exergy losses, remain constant.The implementation of CTES allows for shifting the use of electrical energy from peak to off-peak hours. During off-peak hours, electrical energy is used to charge the storage to fulfil (fully or partially) the peak demand for refrigeration equipment. Ice-based ITES has the potential to reduce maximum energy consumption, peak demand, and most importantly, the average cost of energy consumed.У світлі сучасних викликів, пов’язаних із постійним зростанням попиту на енергетичні ресурси та відповідним забрудненням навколишнього середовища, виникла необхідність у розробці та впровадженні передових технологій для зменшення енергоспоживання. Це вимагає підвищення ефективності використання енергії та оптимізації систем виробництва енергії з урахуванням використання альтернативних та відновлюваних джерел енергії. Зокрема, зберігання теплової енергії стає вирішальним як ефективний економічний варіант. Системи зберігання теплової енергії дозволяють задовольняти потреби в опаленні або охолодженні в оптимальні періоди, коли це більш енергоефективно. Традиційні методи управління рідко виявляються оптимальними через коливання тарифів на електроенергію, холодильного навантаження та температури навколишнього середовища. Це призводить до неоптимального досягнення максимальної економії при використанні систем накопичення теплової енергії. У цій роботі були проаналізовані переваги систем зберігання низькопотенціальної енергії (CTES) на основі льоду (ITES), разом з існуючими стратегіями управління, реалізованими на більшості підприємств і будівель, що використовують ITES. Запропоновано спрощену інженерну методологію для аналізу термодинамічної ефектив­ності CTES. Було визначено, що втрати холоду під час аналізу ексергії при акумулюванні викликані як втратами через поверхні, так і внутрішніми втратами ексергії (тобто споживанням ексергії внаслідок незворотності всередині резервуару). Для сучасних систем втрати ексергії охоплюють як зовнішні, так і внутрішні компоненти. Як приклад, якщо теплопередача при температурі зовнішньої поверхні резервуара для зберігання дорівнює температурі навколишнього середовища, втрати зовнішньої ексергії будуть дорівнювати нулю, тоді як загальні втрати ексергії будуть повністю зумовлені внутрішнім споживанням. І навпаки, якщо передача тепла відбувається при температурі рідини для зберігання, більша частина втрат ексергії буде зумовлена зовнішніми втратами. У всіх випадках кумулятивні втрати ексергії, що складаються з внутрішніх і зовнішніх втрат ексергії, залишаються постійними. Впровадження CTES дозволяє перенести споживання електроенергії з пікових годин на непікові. У непікові години електрична енергія використовується для зарядки сховища для задоволення (повністю або частково) пікового попиту на холодильне обладнання. ITES на основі льоду має потенціал для зменшення максимального споживання енергії, пікового попиту та, що найважливіше, середньої вартості спожитої енергії.