TECHNO ECONOMIC EVALUATION OF COMPRESSED … Evaluation... · TECHNO‐ECONOMIC EVALUATION OF ......

14
 SCHOOL OF CHEMICAL ENGINEERING   TECHNOECONOMIC  EVALUATION OF  COMPRESSED AIR ENERGY  STORAGE  IN UNCONVENTIONAL  APPLICATIONS  Thomas  B.  McConnaughy,  Conor  Young  and  Eric  McFarland  ABSTRACT  Compressed air energy storage systems consist of an electrically driven air compressor, pressure vessels for storage of high pressure air, and an expander motor coupled to a generator to produce electricity from the compressed air supply. Unconventional configurations of CAES were analysed for compression in underutilised water pipelines or tanks, and the system costs were compared to conventional batteries and hydroelectric alternatives. For arbitrage of peak and offpeak electricity pricing, use of water pipelines for gas storage will only justify the capital expense if the average electricity price difference exceeds $800/MWh. Water pipeline storage may prove feasible in locations where PHS is not possible and if price spreads increase significantly. In data centre UPS applications, CAES is shown to be competitive with battery systems. Household CAES integrated with PV systems are economically favourable to batteries, however, neither have favourable overall economics. Batteries are superior to CAES for peak shaving applications and may be profitable for certain power consumption profiles. 

Transcript of TECHNO ECONOMIC EVALUATION OF COMPRESSED … Evaluation... · TECHNO‐ECONOMIC EVALUATION OF ......

  SCHOOL OF CHEMICAL ENGINEERING 

   

TECHNO‐ECONOMIC EVALUATION OF 

COMPRESSED AIR ENERGY STORAGE 

IN UNCONVENTIONAL APPLICATIONS Thomas B. McConnaughy, Conor Young and Eric McFarland 

ABSTRACT 

Compressed  air  energy  storage  systems  consist  of  an  electrically  driven  air 

compressor, pressure  vessels  for  storage of high pressure  air,  and  an expander 

motor  coupled  to  a  generator  to  produce  electricity  from  the  compressed  air 

supply. Unconventional configurations of CAES were analysed for compression  in 

underutilised water pipelines or  tanks, and  the  system  costs were  compared  to 

conventional batteries and hydroelectric alternatives. For arbitrage of peak and off‐

peak electricity pricing, use of water pipelines for gas storage will only justify the 

capital  expense  if  the  average  electricity  price  difference  exceeds  $800/MWh. 

Water pipeline storage may prove feasible in locations where PHS is not possible 

and if price spreads increase significantly. In data centre UPS applications, CAES is 

shown to be competitive with battery systems. Household CAES integrated with PV 

systems  are  economically  favourable  to  batteries,  however,  neither  have 

favourable  overall  economics.  Batteries  are  superior  to  CAES  for  peak  shaving 

applications and may be profitable for certain power consumption profiles. 

INTRODUCTION

Electrical energy storage encompasses a broad range of 

technologies and storage time scales spanning seconds 

to  months  (capacitors  to  hydroelectric  dams).  The 

different  technologies  often  have  very  different 

economic and reliability characteristics. 

Intermediate storage times, hours to days, have received 

recent  attention  due  to  increased  interest  in 

intermittent,  renewable  energy  sources  such  as  wind 

and solar, for which energy storage can increase supply 

reliability.  Additionally,  storage  of  stranded  or  excess 

electricity generation, back‐up power systems and peak 

demand  reduction  are  other  applications  that  can 

benefit  from  intermediate  storage  times.  At  present 

electrical  energy  storage  technologies  deployed 

commercially  at  significant  scales  are  pumped 

hydroelectric storage (PHS), batteries, and CAES. Several 

technologies  are  trying  to  establish  their 

competitiveness  including  flow  batteries, 

supercapacitors,  flywheels,  and  superconducting 

magnets1. 

Electricity  generation  and  storage  using  hydroelectric 

systems is an established technology with generally the 

lowest energy storage costs2. However, hydroelectric is 

limited  in  capacity  due  to  geographical  and 

environmental constraints1. Batteries are ubiquitous  in 

consumer  product  applications,  however,  their  use  in 

large scale energy storage applications is limited due to 

their high unit cost,  limited cycle  lives, and often  their 

use of hazardous materials3. 

CAES  has  been  proposed  for  many  different  energy 

storage  applications,  however,  identifying  an 

economically  competitive  application  remains  for 

widespread adoption.  In  this  report  four  scenarios are 

investigated  to  assess  the market  competitiveness  of 

CAES. 

 

CONFIGURATIONS 

In  general,  electrical  energy  storage  systems  are 

configured  similarly  to  independent  electricity 

generators, Figure 1.  

Their  “fuel”  is delivered  and  stored  at  the  cost of  the 

charging electricity (adjusted for the round‐trip charging 

and discharging efficiency), and the cost of the storage 

capital  required  to  store and deliver  the energy when 

needed.  Displacing  a  combustion  generator  system 

requires that the cost of the energy storage system and 

the  cost  of  charging  are  less  than  the  cost  of  the 

combustion generator and the fuel use. 

CAES  systems  consist  of  an  electrically  driven  air 

compressor,  pressure  vessels  for  storage  of  high 

pressure air, and an expander coupled with a generator 

to generate electricity using the compressed air supply. 

In addition, a control  system  is needed  to ensure  safe 

operation  and  produce  electricity  on‐demand.  Two 

storage  configurations  that  consist  of  four  unique 

applications are investigated in the analysis. 

Conventional  grid‐scale  CAES  technology  has  been 

implemented  in a  limited number of sites which make 

use of disused mines and salt caverns for the storage of 

compressed air1. As with PHS,  the potential growth of 

the  technology  is  geographically  limited.  Alternative 

pressure  vessels  for  storage  are  required  to  enable 

distributed, widespread application of the technology. 

Grid

Storage“Fuel”Electricity Product

Figure 1: Generalised electricity storage system 

UNCONVENTIONAL CAES 

CONFIGURATIONS 

WATER PIPELINES 

Empty  or  partially  filled  water  distribution  pipelines 

could theoretically be utilised as CAES systems for grid‐

scale applications, similar to natural gas pipeline energy 

recovery. Abandoned pipes can be pressurised with air 

during off‐peak hours and expanded during peak hours 

as a form of arbitrage. Underwater CAES (UWCAES) is a 

technology which makes use of the hydrostatic pressure 

of water (i.e. 1 bar per 10 m depth4) to store pressurised 

air. The high hydrostatic pressure  allows  for  a  flexible 

bladder  to  be  used  rather  than  an  expensive,  fixed 

volume pressure vessel. Partially filled pipes can utilise a 

bladder, in order to control the distribution of air within 

the pipe, and the nominal water pressure for expansion. 

This  has  the  added  benefit  of  a  constant  discharge 

pressure,  similar  to  underwater  UWCAES5,  which 

simplifies the selection process of the expander and can 

increase  the  system efficiency. The main advantage of 

using pipelines is that the storage is likely to be closer to 

the end user than conventional underwater storage; the 

challenges  and  limitations  of  repurposing  existing 

infrastructure must also be considered. Figure 2 shows 

the water pipeline configuration. 

Grid

Compressor

Turbine

Storage

Bladder

Figure 2: Water pipeline CAES configuration 

Here, we perform a  case  study on a water pipeline  in 

Brisbane,  Australia.  The  Western  Corridor  Recycled 

Water Pipeline is 200 km of pipeline which was designed 

to transport water from various water recycling plants to 

Wivenhoe  dam  and  two  power  stations  in  the  area6. 

Arbitrage can be leveraged to generate daily revenue by 

storing energy at off‐peak prices and releasing it during 

peak  demand.  The  difference  between  peak  and  off‐

peak electricity cost represents the profit margin of the 

system and therefore is the key determining factor in the 

viability of the application. 

HIGH PRESSURE TANK STORAGE 

Compressed  air  is  used  in  a  variety  of  commercial 

applications  and  high  pressure  gas  cylinders  used  as 

storage  vessels  are  common.  We  examined  whether 

these configurations would be appropriate for dedicated 

electrical energy storage. This configuration  is depicted 

in Figure 3. There is flexibility with the size and pressure 

of the tank, which can be customized to the application. 

Grid

Compressor

Turbine

Storage

 

Figure 3: High pressure tank CAES configuration 

Applications:  The  following  applications  share  a 

common  mechanical  model,  however  have  different 

value propositions due to energy delivery requirements. 

The  frequency of operation of  the devices varies  from 

daily to annually, whilst power output varies from tens 

to thousands of kilowatts. 

a) Uninterruptable Power Supply (UPS) 

UPS systems are used to avoid abrupt losses of power to 

critical equipment which can result in significant loss of 

revenue.  Lead  acid  battery  UPS  systems  are  the 

dominant  technology  for  data  centre  backup  power 

supply, however, of  those  that experienced unplanned 

power outages, battery  failures were  the  leading  root 

cause7. The increased reliability of CAES systems, due to 

their mechanical rather than electrochemical operation8, 

holds promise to reduce the frequency of power outages 

in UPS applications.  

From  a  techno‐economic  perspective,  there  is 

substantial savings potential in mitigating power outages 

due  to  the high costs associated with blackouts. Here, 

the business case for a CAES UPS system is explored as 

well as a comparison  to existing  lead acid battery UPS 

systems. 

   

Water Pipeline 

b) Household & Photovoltaic  

Recently, flexible pricing schemes have been introduced 

by electricity providers to reduce the difference between 

peak and off‐peak energy demands. Energy  costs  shift 

depending on the demand associated with the period of 

the day, known as peak (morning and evening), shoulder 

(afternoon),  and  off‐peak  (night).  Passing  on  the 

difference in cost between producing energy at peak and 

shoulder or off‐peak times to the consumer incentivises 

a  reduction  in peak power consumption9 and  thus  the 

need for inefficient, expensive, and high carbon intensity 

peaking  power  plants10.  Coupling  CAES  and 

photovoltaics  (PV)  can provide  stored  solar energy  for 

on‐demand use during peak hours, while grid electricity 

can  be  used  exclusively  during  off‐peak  and  shoulder 

hours when electricity is cheaper. 

Households  in  Queensland  either  pay  a  flexible  or 

variable  rate  for  their  electricity  usage11.  In  order  to 

utilise flexible pricing economically, the price difference 

between  the  standard  rate  and  shoulder  or  off‐peak, 

depending on  time of use, must be high enough  such 

that  the cost  to generate and  recover  the electricity  is 

less than the standard electricity rate. More simply, the 

annual  savings, or  ‘profits’,  can be  seen as  the money 

saved each year on the household electricity bill. 

c) Peak Shaving 

In many electricity markets, customers are charged a fee 

based on  their highest power  consumption during  the 

billing  period,  known  as  a  ‘demand  charge’.  The 

infrastructure  provider’s  cost  are  related  to  their 

capacity  to  provide peak  power which  can  be  greater 

than the costs for generating the electricity12. The total 

electricity  bill  for  customers  can  be  a  combination  of 

demand charges and time‐of‐use adjusted total energy 

consumption. Customers whose power demand profile 

features  brief  power  consumption  spikes  have 

significant potential for savings  if those demand spikes 

can be removed through energy storage. The proposed 

energy  storage  system  is  charged  at  times of  reduced 

power consumption and low cost energy for use at later 

times  to  reduce  the  peak  power  required  from  the 

supplier. 

 

 

ANALYSIS 

THERMODYNAMICS 

The CAES system  is charged by compression of air and 

discharged by expansion of the air in a motor to drive a 

generator producing electricity. Each step has associated 

energy  losses which  determine  the  overall  round  trip 

efficiency. 

An estimate of the system efficiency can be determined 

based  on  thermodynamic  considerations  of  the 

compression, storage, and expansion operations. Using 

Equations 1 and 2, the energy required for compression 

is  calculated  assuming  ideal  gasses  and  adiabatic 

operation, where η is the expansion efficiency or inverse 

compression  efficiency  (ηe  =  ηc  =  0.8)13,  γ  is  the  heat 

capacity ratio, (γair = 1.4), 1 and 2 refer to the  inlet and 

outlet  of  compressor  respectively,  and  C  is  constant 

between  compressed  and  expanded  states.  This  is 

opposed  to modelling  isothermally, which  is  currently 

unrealistic  given  current  heating/cooling  technologies. 

In  reality,  the  cycle  will  be  neither  adiabatic  nor 

isothermal. Equation 1 can be modified to calculate the 

power required of compression or expansion given the 

volumetric  flow  rate,  q  [m3/s]  (Equation  3).  The 

compressed air storage volume is dictated by the system 

work‐output  requirement  and  expansion  inefficiency 

(Equation 1). 

Equation 1: Adiabatic compression/expansion work 

11  

Equation 2: Adiabatic ideal gas relationship 

 

Equation 3: Power 

11  

   

TECHNO‐ECONOMIC MODEL 

An analysis of the costs was performed on several of the 

system configurations and applications described above. 

Table 1 lists the assumptions that were consistently used 

for multiple  application  examples;  any  inconsistencies 

are  addressed  in  scenario  specific  tables.  The 

compressor,  expander,  and  storage  capital  including 

efficiency values13 were determined based on available 

industrial  information.  The  installed  cost  of  the 

equipment was then determined by using an installation 

factor14.  A  storage  pressure  of  300  bar  was  used, 

assuming multi‐stage  expansion  to  ambient  pressure. 

The CAES  system  is expected  to have  a  lifespan of 30 

years2, however, a period of 10 years  is used to assess 

investment  potential.  Operating  expenses  (OPEX)  are 

the sum of the fixed and variable costs. Fixed costs are 

assumed  to  be  5%  of  the  discounted  annual  capital 

expenditure15  (CAPEX) while  the variable  costs  include 

expenses such as charging  the system. The discounted 

annual CAPEX can be found by dividing the total CAPEX 

by  the  total  discount  factor  (TDF  [years],  Equation  4), 

where i is the discount rate, n is the current year, and N 

is the plant life. 

Table 1: Model assumptions 

Parameter  Value  Unit 

Expansion Efficiency  80  % 

Compression Efficiency  80  % 

Tank Storage Pressure  300  bar 

Tank Storage Capital  950  $/kWh 

Installation Factor  1.25  n/a 

CAES Lifespan  30  years 

Investment Period  10  years 

Discount Rate  10  % 

Fixed Costs  5% of annual CAPEX  $/year 

TDF  9.43  years 

Equation 4: Total discount factor 

1  

A  key  metric  to  compare  and  value  CAES  and  other 

storage  technologies  is  the  cost, per  kilowatt hour, of 

energy  recovered  over  the  lifetime  of  the  system 

(CoERlife  [$/kWhlife], Equation 5), which  is a  function of 

CAPEX and OPEX over the device lifetime, and the total 

energy delivered during that time. This value provides a 

basis  for  comparison  against  existing  storage 

technologies, such as batteries, that have  lower capital 

costs,  but  shorter  lifetimes.  This  comparison  provides 

insight on the economic feasibility of CAES for different 

applications. 

Equation 5: Cost of energy recovered over the lifetime of the 

system 

$ $

$

 

The annualised costs of any electrical energy storage and 

generation system used  for a cycle duration or period, 

tcycle [hours/cycle], can be placed in the same framework. 

Using  the unit  capital  cost based on delivered electric 

power  [$/kWrated],  the  capital  cost  to  store  the energy 

[$/kWhrated],  and  the  operating  costs  to  charge  the 

system  [$/kWh],  the  annual  cost  of  power  (ACoP 

[$/kW‐y]),  neglecting  fixed  costs,  for  a  unit  lifetime 

approximately equal to the TDF, is given by: 

Equation 6: Annual power cost of competing technologies 

$

Where η  is the round trip efficiency of the system and 

fcycle is the cycle frequency [cycles/year]. Equation 6 has 

the advantage of having  two  terms  that  include usage 

dependence and  independence. Here we use this basis 

to compare CAES to competing technologies. 

Performance  metrics  of  competing  technologies  in 

literature are shown in Table 2. Energy storage systems 

have time‐dependent as well as cycle‐dependent failure 

modes, measured  in years and cycles respectively. The 

ultimate failure mode will be whichever limit is reached 

first, depending on scenario. CAPEX takes  into account 

the discounted future value of replacement batteries. 

Internal  rate  of  return  (IRR)  is  calculated  for  each 

scenario,  10% being  used  as  the  cut‐off  for  a  feasible 

investment prospect. A discount rate of 10%  is applied 

to determine the future value of profits and expenses. 

Table 2: Comparative technology performance metrics2 

Parameter  PHS  Lead‐acid Battery  

Cycle Lifetime  13000+  1000 

Lifespan [years]  30  5 

Capital [$/kWh]  222  703 

WATER PIPELINE ARBITRAGE 

Here, we perform a  case  study on a water pipeline  in 

Brisbane,  Australia.  The  Western  Corridor  Recycled 

Water Pipeline is 200 km of pipeline which was designed 

to transport water from various water recycling plants to 

Wivenhoe  dam  and  two  power  stations  in  the  area6. 

Arbitrage can be leveraged to generate daily revenue by 

storing energy at off‐peak prices and releasing it during 

peak  demand.  The  difference  between  peak  and  off‐

peak electricity cost represents the profit margin of the 

system and therefore is the key determining factor in the 

viability of the application. 

Since  completion  of  the  Western  Corridor  Recycled 

Water  Pipeline  in  2008  much  of  the  pipe  remains 

unused;  140  km  was  considered  in  this  analysis  for 

partial  or  total  repurposing  for  CAES6.  The maximum 

pressure  and  average  diameter  of  the  pipeline  were 

estimated  because  no  publically  available  data  was 

found. Data from the nearby Gold Coast Water network 

was used to estimate an average diameter of 650 mm for 

the pipeline  in question. The pipeline  storage volume, 

4,646 m3, was calculated using the length and 10% of the 

cross‐sectional  area.  Analysis  of  the  pipeline  path 

revealed a steep 85 m elevation change at the Mt Petrie 

balance  tank.  Assuming  a  continuous  water  column 

across  the  elevation  change,  nearby  sections  of  pipe 

must be rated  to at  least 8.3 bar.  It was assumed  that 

average water pressure  in the pipeline  is 5 bar, for the 

purpose of estimating storage capacity. Air  in a flexible 

bladder  cannot  be  pressurised  any  higher  than  the 

surrounding  fluid.  The  assumptions  for  the  techno‐

economic analysis can be seen in Table 3. 

Expander  and  compressor  power  requirements  were 

calculated using the known storage volume and pressure, 

peak  and  off‐peak  period  durations,  and  equipment 

efficiency.  These quantities were  then used  to  specify 

capital costs. The CAPEX, $874,000,  is broken down by 

component  in  Figure  4.  50%  of  the  compressor  and 

expander cost was set aside to pay for air storage bags 

for the system. This allocation equates to $437/kWh of 

storage. 

The  potential  storage  capacity  of  the  pipeline  was 

assessed for three operating conditions: 10% (base‐case), 

50%, and 100% of the pipeline cross‐section filled with 

compressed air, as  seen  in Table 4. Depending on  the 

operation mode, the pipeline may store between 0.7 and 

7 MWh of energy.  

Table 3: Model assumptions for water pipeline arbitrage 

Parameter  Value  Unit 

Pipeline Length  140  km 

Diameter  0.65  m 

Storage Volume  4646  m3 

Storage Pressure  5  bar 

Expansion Power  416  kW 

Expander Capital  1245  $/kW 

Compression Power  139  kW 

Compressor Capital  463  $/kW 

Delivered Storage Potential 

666  kWh 

Air Storage Bag  50% of major equipment 

Peak Power Duration  2  hours/day 

Off‐peak Power Duration 

6  hours/day 

Peak Energy Cost  0.10 to 0.90  $/kWh 

Off‐peak Energy Cost  0.5  $/kWh 

Cycles per Day  1  day‐1 

Cycles per Lifetime  10950  cycles 

PHS CoERlife  0.04  $/kWhlife 

Table 4: Storage potential under other operating modes 

Parameter  50% Air Filled  100% Air Filled 

Storage Volume [m3]  23,228  46,456 

Delivered Storage Potential [kWh] 

3,330  6,660 

 

Figure 4: Breakdown of CAPEX for water pipeline arbitrage 

   

6%

47%27%

20%

Compressor Expander Storage Installation

UPS 

UPS  specifications  of  1.36 MW  power  output  and  2.7 

MWh energy per cycle correlate to average data centre 

size,  blackout  duration,  and  frequency  in  the  United 

States.  On  average,  data  centres  experience  one  full 

power outage per year lasting 119 minutes7. The average 

cost of  such blackouts are $7900/min due  to business 

disruption  and  lost  revenue7. Compression power was 

determined  assuming  a  7  day  recharge  duration  is 

acceptable  because  of  the  infrequencies  of  power 

outages. Due  to  the  increased reliability of CAES when 

compared to batteries, it was also of interest to see how 

the lifetime storage cost was affected by a battery UPS 

failure,  however  unlikely.  The  cost  of  a  UPS  failure 

caused power outage was discounted and assumed  to 

occur at  the halfway point of  the system  lifetime. This 

investigation was done  to quantify  the  step  change  in 

CAPEX given a system failure. A sensitivity analysis of IRR 

was conducted by varying the blackout cost to simulate 

the  feasibility  for  differing  levels  of  power  outage 

consequence. 

The  total  CAPEX  of  $4.8  million  includes  storage, 

expansion, and installation (see Figure 5). 

Table 5: Model assumptions for UPS 

Parameter  Value  Unit 

Energy Cost  0.10  $/kWh 

Required Energy  2689  kWh 

Expansion Power  1356  kW 

Expander Capital  927  $/kW 

Compression Power  20  kW 

Compressor Capital  522  $/kW 

Blackout Avg. Frequency  1  yr‐1 

Blackout Avg. Duration   119  min 

Blackout Avg. Cost  7900  $/min 

Cycles per Lifetime  30  cycles 

Battery CoERlife  54  $/kWhlife 

 

Figure 5: Breakdown of CAPEX for UPS (compressor negligible) 

HOUSEHOLD & PHOTOVOLTAIC  

A  typical Australian household uses 20 kWh of energy 

per day16. Half of this amount (10 kWh) was assumed to 

be during peak time; this amount will be generated and 

stored  so  the  household  will  purchase  no  electricity 

during peak  time. The compressor was sized according 

to  the  maximum  power  output  from  the  PV  system 

during peak insolation. The expander was sized in order 

to provide one hour of power at the maximum rating. A 

5%  discount  rate was  used  as  a  reasonable  value  for 

household  finance.  Table  6  lists  the  assumptions 

associated  with  this  model  and  a  breakdown  of  the 

CAPEX can be seen below in Figure 6. The $40,000 CAPEX 

accounts  for PV, compression, storage, expansion, and 

installation. The lifetime energy recovered equals thirty 

years of peak electricity usage for an average household. 

The  PV  capital  was  reduced  to  reflect  the  improved 

efficiency of batteries as compared to CAES, then added 

to the battery capital cost to calculate CoERlife. 

A sensitivity analysis for IRR was conducted to conclude 

which variables have the largest impact on the recovered 

energy cost. These were determined to be daily energy 

consumption, peak energy usage, PV capital, and storage 

capital. The parameters can be seen below  in Table 7. 

The daily energy consumption was varied by ±10 kWh, as 

this  is  reasonable  to  replicate  a  small  and  large 

household17. The PV  capital was varied  to present  the 

possibility of utilising a pre‐existing  set of  solar panels 

(zero  purchase  price)  to  a  current, more  conservative 

estimate18.  Lastly,  the  lower  and  upper  bounds  for 

storage  cost  correlate  to  100%  efficient  isothermal 

expansion and 80% efficient adiabatic expansion from a 

low‐pressure (14 bar) air receiver tank, respectively. 

54%

26%

20%

Storage Expander Installation

Table 6: Model assumptions for household PV energy storage 

Parameter  Value  Unit 

Flat Rate Energy Cost  0.31  $/kWh 

Peak Energy Cost  0.37  $/kWh 

Shoulder Energy Cost  0.26  $/kWh 

Off‐peak Energy Cost  0.22  $/kWh 

Daily Energy Consumption  20  kWh/day 

Peak Usage  50  % 

Shoulder Usage  40  % 

Off‐Peak Usage  10  % 

Insolation (annualised)  200  W/m2 

PV Capital  520  $/m2 

PV Efficiency  15  % 

Expansion Power  10  kW 

Expander Capital  620  $/kW 

Compression Power  3.3  kW 

Compressor Capital  819  $/kW 

Discount Rate  5  % 

Cycles per Lifetime  10950  cycles 

Battery CoERlife  0.55  $/kWhlife 

Figure  6:  Breakdown  of  CAPEX  for  household  PV  energy 

storage 

Table 7: IRR sensitivity analysis values for household PV energy 

storage 

Parameter  High  Base  Low 

Daily Energy Consumption [kWh/day] 

30  20  10 

PV Capital [$/m2]  750  520  0 

Storage Capital [$/kWh]  2600  950  380 

 

PEAK SHAVING 

To decide upon the system specifications, a prospective 

company’s power consumption profile must be assessed. 

Figure 7 shows the power consumption of an industrial 

operation over  the course of a week; each data series 

signifying  one  day.  The  prospective  company  has  a 

power  consumption  peak  once  per  week  caused  by 

starting a large piece of machinery. An assumption was 

made  that  this  same  power  consumption  profile  will 

repeat each week over the lifespan of the system. 

The peak to be levelled is chosen such that it will cause 

the highest reduction  in maximum power consumption 

whilst  requiring  the  least  possible  energy  storage  to 

maximise profits. For  the  system  to work as designed, 

there must be sufficient  ‘area’ (energy) below the new 

maximum power usage cut‐off. This is designated as the 

charging  window  for  the  CAES  system  (blue  shaded 

areas). Power demand will be increased during the time 

used  for  charging, which  is  acceptable  so  long  as  the 

demand remains below the new maximum power. The 

height of the peak dictates the power output required of 

the expander whilst the area under the peak dictates the 

energy storage required. 

For the purposes of the TEA, a peak demand charge of 

$22/kW  was  applied,  as  well  as  an  energy  cost  of 

10c/kWh. See Table 8 for values used in the analysis. The 

compressor was sized assuming it will be able to charge 

the CAES  system overnight  to accommodate  scenarios 

involving daily peaks. The CAPEX of $105,000 considered 

the  cost  of  compression,  storage,  expansion,  and 

installation (Figure 8). 

A  sensitivity analysis of  IRR  for different variables was 

conducted,  shown  in  Table  9.  The  upper  and  lower 

bounds of the demand charge were chosen to simulate 

rising  prices  due  to  increasing  network  stresses  and 

smaller metropolitan areas than New York, respectively. 

The  frequency  of  power  peaks  will  depend  on  the 

operational  schedule of  the  customer  so  the effect of 

variation  between  daily  and monthly was  considered. 

The  lower and upper bounds for storage cost correlate 

to 100% efficient isothermal expansion and 80% efficient 

adiabatic  expansion  from  a  low‐pressure  (14  bar)  air 

receiver tank, respectively. The expander upper  limit  is 

derived from scaling a purpose built Honeywell MTG 160 

kW gas pressure recovery turbine19 whilst the lower limit 

is 50% of the base case expander price. 

28%

30%

20%

15%

7%

Photovoltaics Storage Installation

Expander Compressor

 

Table 8: Model assumptions for peak shaving 

Parameter  Value  Unit 

Energy Storage Required  35  kWh 

Peak Power Reduction  40  kW 

Expander Capital  439  $/kW 

Compression Power  5.5  kW 

Compressor Capital  721  $/kW 

Energy Cost  0.10  $/kWh 

Demand Charge  22  $/kW 

Billing Period  30  days 

Peaks per Billing Period  4  billing period‐1 

Cycles per Lifetime  1424  cycles 

Battery CoERlife  1.08  $/kWhlife 

 

 

Figure 8: Breakdown of CAPEX for peak shaving  

Table 9: IRR sensitivity analysis values for peak shaving 

Parameter  High  Base  Low 

Demand Charge [$/kW]  30  22  13 

Energy Charge [$/kWh]  0.30  0.10  0.05 

Peaks per Period  30  4  1 

Storage Capital [$/kWh]  2600  950  380 

Expander Capital [$/kW]  8839  439  219 

   

23%

44%

20%

13%

Expander Storage Installation Compressor

Power [kW

Time [½ hr] 

Figure 7: Daily load data, Factory 'A' 

RESULTS & DISCUSSION 

WATER PIPELINES 

The base case of a 10% air  filled pipeline  resulted  in a 

CoERlife of $0.18/kWhlife. This  can be  compared  to PHS 

that  has  a  CoERlife  of  $0.02/kWhlife,  seen  in  Table  3. 

Considering  the  5000  MWh  storage  of  the  nearby 

Wivenhoe pumped hydro power  station20,  the 7 MWh 

pipeline storage potential spread out over 140 km seems 

negligible and difficult to justify. 

Whilst it is proposed that a pipe with 10% cross‐sectional 

area taken by air storage could still be used to transport 

water, inevitably it would come at the cost of increased 

pumping work. Reduction in the effective pipe diameter 

caused by the air storage causes increased fluid velocity 

and  therefore  frictional  losses.  Whether  or  not  this 

aspect  would  render  the  proposal  unfeasible  is  still 

unknown. The risk of a detached air storage bag blocking 

pipe  flow  may  make  adaptation  of  in‐use  pipelines 

unfeasible. 

Figure  9  plots  IRR  against  wholesale  energy  price 

difference. The techno‐economic analysis on the 10% air 

filled pipeline predicted that a consistent peak/off‐peak 

wholesale  electricity  price  difference  of  $800/MWh 

would  be  required  for  the  project  to  break  even.  In 

January  2014,  when  price  spreads  are  large,  the 

maximum intraday spread was just $284/MWh21. More 

importantly, the median for 2013‐2014 wholesale price 

spread was only $3.38/MWh, which is the key metric to 

predicting  economic  sustainability.  Even with  the  low 

CoERlife,  the minimal profits  result  in  an uneconomical 

proposal given the current energy market.  

 

Figure 9: IRR sensitivity as a function of price spread for water 

pipeline arbitrage 

UPS 

As seen in Table 10, the capital ($/kWh) of CAES as well 

as  the  CoERlife  is more  than  the  equivalent  six  sets  of 

batteries  required  for  the  same  lifespan.  If  the cost of 

one unmitigated blackout over the course of 30 years is 

added to the NPV analysis, simulating a battery failure, 

the capital and CoERlife are both increased by ~5%. 

Table 10: Cost comparison of CAES and battery UPS systems 

Parameter  CAES  Battery  Battery with 1 Failure 

Capital [$/kWh]  1777  1624  1707 

CoERlife [$/kWhlife]  62  54  57 

The cost per minute of power outage  is highly variable 

between different  industries.  This  variable determines 

the  sensible  upper  limit  on  spending  to  avoid  power 

outages. Figure 10 depicts the effect cost per minute of 

blackout has on  IRR  for  the model, demonstrating  the 

business case for having an effective CAES UPS system so 

long as  the  facility’s predicted blackout  cost  is greater 

than $6800/min  for the given scenario. The  IRR  is 14% 

for  the  base  case,  which  explains  the  widespread 

adoption of UPS systems.  

Figure 10:  IRR  sensitivity  as  a  function of blackout  cost per 

minute for UPS 

   

‐25%

‐20%

‐15%

‐10%

‐5%

0%

5%

10%

15%

0 200 400 600 800 1000

IRR

Price Spread [$/MWh]

‐30%

‐20%

‐10%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

0 5000 10000 15000 20000

IRR

Blackout Cost [$/min]

HOUSEHOLD & PHOTOVOLTAIC 

The model delivers peak energy at a rate of $0.38/kWhlife, 

somewhat cheaper than the battery and PV setup which 

delivers power at $0.55/kWhlife. As can be seen, the PV 

system takes up a large portion of the total capital. This 

is largely due to the inefficiencies of the system, as well 

as  the  high  installed  cost  of  residential  PV.  The 

competitiveness of CAES arises due to the frequency of 

use  in  this  scenario. Batteries  cycled  daily need  to be 

replaced every 2.7 years. IRR over 10 years is ‐16%. 

The results of the sensitivity analysis in Figure 11 exhibit 

the  current  futility  of  the  application.  As  the  energy 

consumption increases, the profitability decreases. Even 

with  PV  capital  reduced  to  zero  the  investment  is 

unviable.  Altering  the  storage  capital  has  a  similarly 

minimal effect. A significant increase in flat rate energy 

cost coupled with a decrease  in off‐peak and shoulder 

variable pricing rates is required to warrant investment. 

Admittedly,  the  required  photovoltaic  system  size  is 

highly  dependent  on  the  level  of  insolation, which  is 

highly  variable  due  to  season  and weather.  Therefore 

the size of the system has an element of  intrinsic error 

due to the fact that during times when consumption is at 

its greatest, the system will not be adequately sized. This 

model assumes a constant insolation year‐round, which 

is an optimistic approach. During times of low insolation, 

some grid peak energy will need to be purchased which 

is  not  factored  into  the  analysis.  It was  assumed  that 

purchasing  peak  energy  during  these  times would  be 

cheaper than oversizing the system to accommodate for 

a worst‐case scenario. 

PEAK SHAVING 

The base case IRR was found to be 5.9% with a CoERlife of 

$1.56/kWhlife.  Lead  acid  batteries  provide  cheaper 

energy for the same application, at $1.08/kWhlife. 

The shape of the peak to be shaved has great influence 

on the profitability of the installation; the reduction of a 

sharp peak is more feasible than one which is wide. This 

is due to the cost of energy storage, which does not have 

a revenue stream associated with it. See Figure 12 for the 

IRR sensitivity as a function of the required peak power 

to energy ratio. A high ratio indicates a very sharp peak, 

minimising  storage  capacity  and  maximising  demand 

charge reduction. 

Figure 12: IRR as a function peak power/energy ratio for peak 

shaving 

At  low power  to energy  ratios,  the  tanks make up  the 

vast  majority  of  capital  expenses.  So  much  is  spent 

storing the compressed gas that the profitability of the 

savings is diminished. 

‐20%

‐15%

‐10%

‐5%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4

IRR

Peak Power to Energy Ratio [kW/kWh]

Figure 11: IRR sensitivity analysis for household PV energy storage

‐6.0%

‐10.6%

‐13.1%

‐24.5%

‐18.1%

‐22.1%

‐30% ‐25% ‐20% ‐15% ‐10% ‐5% 0%

Daily Energy Consumption [kWh/day]

PV Capital [$/m^2]

Storage Capital [$/kWh]

IRR

Low High

Figure 13 shows how changing the power to energy ratio 

of  the  peak  to  be  levelled  affects  the magnitude  and 

breakdown  of  capital  expenditure.  This  was  done  by 

simultaneously increasing peak power and reducing the 

energy storage capacity required of the system. As the 

peak becomes sharper, the proportion spent on storage 

capacity  and  compression  drops  whilst  expander 

equipment  makes  a  larger  fraction  of  expenditure. 

Overall, CAPEX is significantly reduced whilst at the same 

time the savings derived from demand charge reduction 

increase. 

Figure 14: CAPEX versus power to energy ratio 

Results from the sensitivity analysis can be seen in Figure 

14. Changing  the demand charge has a  large effect on 

IRR as  this  is  the only source of profit. Targeting areas 

with the highest demand charges, such as New York, will 

reap the greatest benefits22. The energy cost and peaks 

per period do not have as much of an effect because of 

the relatively small amount of energy used by the system. 

Increasing the amount of peaks that require shaving per 

billing period only affects the operating expenses, which 

as previously mentioned are  small. Varying  the  capital 

costs  associated with  storage  and  expansion  result  in 

large changes in IRR as they make up a large proportion 

of CAPEX. 

COMPARISONS 

Unconventional applications of CAES were compared to 

conventional  energy  storage  solutions  for:  water 

pipeline, UPS, household photovoltaic, and peak shaving 

applications.  The CoERlife was determined  for  each,  as 

seen in Table 11. 

For all scenarios except household + PV, CAES  is more 

expensive over the lifetime than existing solutions. This 

is due to the daily operation of the household PV system 

and  the  relatively  low  cycle‐lifetime  of  lead‐acid 

batteries.  The  frequent  replacement  of  battery  packs 

caused by daily cycling drives up the lifetime energy cost, 

making CAES the less economically unfavourable option. 

The annual  cost of power of CAES applications can be 

compared  to  battery  storage,  PHS,  and  combustion 

based power generators given a frequency of 52 cycles 

per year (Figure 15). It is shown how the ACoP changes 

with  respect  to  usage  per  cycle.  As  usage  increases, 

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0.2 0.3 0.5 0.7 1.0 1.4 2.0

CAPEX

 [$k]

Peak Power to Energy Ratio [kW/kWh]

Storage Expander Installation Compressor

Table 11: CoERlife summary [$/kWhlife] 

  Water Pipeline  UPS  Household + PV  Peak Shaving 

CAES  0.18  62  0.38  1.56 

Current Solution (PHS/Battery)  0.04  54  0.55  1.08 

Figure 13: IRR sensitivity for peak shaving 

‐4.4%

6.0%

6.0%

15.7%

9.3%

13.3%

5.5%

4.6%

‐6.8%

‐24.2%

‐30% ‐25% ‐20% ‐15% ‐10% ‐5% 0% 5% 10% 15% 20%

Demand Charge [$/kW]

Energy Charge [$/kWh]

Peaks per Period

Storage Cost [$/kWh]

Expander Cost [$/kW]

IRR

Low High

batteries and CAES costs also increase, while PHS and gas 

generators stay relatively the same. This is evident of the 

minor capital costs associated with storage  in PHS and 

gas generators. Therefore, in scenarios with high usage 

cycles, PHS and gas generators prove to be much more 

economical  than  alternatives.  In  scenarios  with  high 

cycle duration and where PHS and gas generation  are 

unsuitable, CAES may have a market opportunity over 

battery systems. The storage capital and resulting ACoP 

for  battery  systems  will  increase,  for  a  given  cycle 

duration,  if the cycle frequency  is  increased above 200 

cycles  per  year,  due  to  batteries  requiring  earlier 

replacement. 

 

CONCLUSIONS 

The  application  specific  economics  of  unconventional 

uses  of  CAES  in  configurations  in  underutilised water 

pipelines  or  compressed  gas  tanks were  compared  to 

conventional alternatives  for applications  in: arbitrage, 

UPS, household photovoltaics, and peak shaving. 

a) Water pipeline energy  storage will only  justify  the 

capital  expense  when  average  differences  in 

peak/off‐peak electricity prices exceed $800/MWh. 

Based on existing data, a compelling business case 

does not exist in the present energy market. PHS is 

currently  a  cheaper  alternative  however,  water 

pipeline  storage  may  prove  feasible  in  locations 

where  PHS  is  not  possible  and  if  electricity  price 

spreads increase significantly. 

b) There may  be  cause  for  further  investigation  into 

UPS applications of CAES as it was shown to be close 

to  competitive with battery  systems.  The  value of 

energy  storage  for UPS  is proven  and  its usage  in 

battery form is widespread. 

c) Household CAES integrated with PV systems are less 

economically  unfavourable  than  batteries.  PV’s 

without storage are the least unfavourable however 

implementation  of  demand  charges  would 

incentivise storage. 

d) Batteries  are  superior  to  CAES  for  peak  shaving 

applications and are feasible and advantageous for 

certain power consumption profiles. 

In  all  scenarios,  it  is  important  to  note  how  each 

equipment specification affects the overall conclusion of 

the  analysis.  Storage  pressure  dictates  the  energy 

density and overall size of equipment required. The cost 

of  energy  recovered  depends  largely  on  the  cylinder 

specification. Tanks are available  in a range of working 

pressure  depending  on  application  and  this  must  be 

considered  when  specifying  a  system.  Expansion  and 

compression efficiencies affect the CAPEX and OPEX of 

the CAES  system.  The  efficiency of  expansion dictates 

how much excess storage capacity is required to achieve 

the desired energy output on discharge. The round trip 

efficiency  determines  the  increase  in  total  electricity 

consumption caused by use of the system which has a 

mild effect on profitability. 

Further  research  of  each  application  is  needed  to 

determine  if  there are more specific situations  in each 

scenario  that do warrant  investment. This may be  the 

case  for extended  sections of  large and disused water 

pipeline,  facilities  that have very high  cost per minute 

blackout, or businesses with occasional  sharp peaks  in 

their  electricity  usage.  These  situations  are  likely 

uncommon  and  therefore  may  not  have  widespread 

impact.  The  most  favourable  scenarios  will  be  those 

which can utilise existing infrastructure to reduce CAPEX, 

such as, empty water pipelines or facilities already using 

compressed  air.  Future  research  into  associated 

technologies,  which  may  be  coupled  with  enticing 

energy price spreads, will also assist in providing a stable 

economic  landscape  for  feasibility.  In  summary,  CAES 

research should be directed toward applications where 

the delivered energy provides high value savings to the 

customer and where high reliability is required. 

   

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 4 6 8 10Annual Cost of Power [$/kW‐y]

Cycle Duration, tcycle [hours/cycle]

Battery CAES PHS Gas Generator

Figure 15: ACoP comparison of competing technologies23 

CONTACT UQ DOW CENTRE 

 

e: [email protected]  

w: dowcsei.uq.edu.au 

t: +61 7 334 63883 

 

UQ Dow Centre 

Level 5 Hawken Engineering Building (50) 

The University of Queensland 

Brisbane QLD 4072 

REFERENCES 1.  Debarre  BDR.  Leading  the  Energy  Transition 

Factbook:  Energy  Storage.    2013  [cited  2014]. Available from: http://www.sbc.slb.com/SBCInstitute/Publications/~/media/Files/SBC%20Energy%20Institute/SBC%20Energy%20Institute_Electricity_Storage%20Factbook_vf.ashx 

2.  Bradbury KJ. The Potential of Energy Storage Systems with Respect to Generation Adequacy and Economic Viability. 2013. 

3.  Australia O‐GE. Batteries. 2014. 4.  Toolbox  TE.  Hydrostatic  Pressure:  Relationship 

between  depth  and  pressure  2014  [22/10/14]; Available from:  http://www.engineeringtoolbox.com/hydrostatic‐pressure‐water‐d_1632.html 

5.  Hydrostor.  Underwater  Compressed  Air  Electrical Storage  2013  [cited  2014];  Available  from: http://www.hydrostor.ca/home/ 

6.  Department of Infrastructure and Planning QG. Final Progress  Report: Western  Corridor  Recycled Water Project. 2014. 

7.  Institute P. 2013 Cost of Data Center Outages. 2013. 8.  Wesoff E. Compressed Air Storage Beats Batteries at 

Grid Scale: Green Tech Media; 2011; Available from: http://www.greentechmedia.com/articles/read/compressed‐air‐energy‐storage‐beats‐batteries 

9.  Huang  Y.  Estimating  Response  to  Price  Signals  in Residential Electricity Consumption. 2013. 

10. Association  ES.  Flexible  Peaking  Resource  2014; Available  from:  http://energystorage.org/energy‐storage/technology‐applications/flexible‐peaking‐resource 

11. Regulator  AE.  Tariff  and  Fees  Explained  2014; Available from: http://www.aer.gov.au/consumers/my‐energy‐bill/tariff‐and‐fees‐explained 

12. Energy D. Understanding Demand and Consumption 2014; Available from:  http://www.think‐energy.net/KWvsKWH.htm 

13. Airsquared. Scroll Expander Produces 1kW of Quiet Power  2006  [cited  2014];  Available  from: http://airsquared.com/news/patented‐scroll‐expander‐produces‐1‐kw‐of‐quiet‐power 

14. Humphreys KK, Wellman P. Basic Cost Engineering. 3 ed. New York: M. Dekker; 1996. 

15.Douglas JM. Conceptual design of chemical processes. New York ; Sydney ; London: McGraw‐Hill; 1988. 

16. Systems ZE. Energy Storage: Taking personal energy security  to  the  next  level  2014;  Available  from: http://www.zenenergy.com.au/home/energy‐storage/ 

17. Tribunal  IPR.  Typical  Household  Energy  Use  2014; Available from: http://www.ipart.nsw.gov.au/Home/For_Consumers/Compare_Energy_Offers/Typical_household_energy_use 

18. G. Barbose NDSW, R. Wiser. Tracking the Sun V: An Historical  Summary  of  the  Installed  Price  of Photovoltaics in the United States from 1998 to 2012. LBNL 2013. 

19. Honewell.  Turboexpander  MTG  160  product information. 2014. 

20. Energy C. Wivenhoe Power Station Fact Sheet; 2014. 21. AEMO.  Electricity  Price  and  Demand  Australian 

Energy Market Operator. 2014. 22. Edison  C.  Statement  of  Market  Supply  Charge  ‐ 

Capacity  2014;  Available  from: http://www.coned.com/documents/elecPSC10/StatMSCCAP‐8.pdf