PUMPED HYDRO ENERGY STORAGE (PHES)

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Hull Rust Mine Panorama, Hibbing Minnesota

Donald R. Fosnacht, Ph.D. 

Meeting State Mandates for  Renewable Power Generation y Minnesota renewable energy standard (MN Statute 

216B.1691:  25% renewable by 2025 for non‐nuclear  power utilities and 30% by utilities with nuclear  capability).  y Minnesota’s climate change goal (MN Statute 216H.02:   30% reduction by 2025 and 80% reduction in green  house gases by 2050)

How can increasing amounts of renewable energy be integrated  into the power grid system without causing significant  disturbance?

y Solar and wind energy are intermittent energy 

resources y As more and more wind and solar energy is brought  “on‐line”  they will have increasing effects on system  stability y Energy managers believe that penetration beyond 12%  of overall power generation will require fossil fuel  based peaking plants and various types of energy  storage systems

Why? Balance Intermittent  Power Source  Generation with Need

Load versus Wind Power Generation for MN on 1/3/2010 (Source: MISO)

Pumped Hydro Energy Storage y y y y y y

Known technology over 40 sites exist in US today Very high capacity Predictable capital and operating costs Easily integrated into the grid management system Requires significant water resource Requires power source to move water from lower to upper  reservoir y Modern variable speed systems now achieve 86% overall  efficiency It should be viewed as a facilitation technology for  renewable energy implementation

Existing PHES Facilities in USA  Courtesy of Rick Miller, HDR Inc.

Various Energy Strategies are under  development

Ibrahim, H., Ilinca, A., and Perron, J., 2008, Energy storage systems – characteristics and comparisons: Renewable and Sustainable Energy  Reviews.

Cost and Storage Capability are key to large  scale renewable implementation Annual Costs for 8-hr Bulk Energy Storage Technologies ($/kW-year) $1,600.00 $1,400.00 $1,200.00 $1,000.00 $800.00 $600.00 $400.00 $200.00 $0.00 CAES

PHES

PHES (variable Na - S Battery LA Battery (FC) speed)

LA Battery (VRLA)

Zn-Br Battery

Ni/Cd Battery

Source: Schoenung, S. M., and Hassenzahl, W. V., 2003, Long- vs. short-term energy storage technologies analysis: A life cycle cost study: A study for the DOE Energy Storage Systems Program: Sandia National Laboratories Report SAND2003-2783, 60 p.

Basic Concept Diagram

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9a/Pumpstor_racoon_mtn.jpg]

Basic Operating Concept During off‐peak periods, wind  energy is plentiful  and low priced 

Upper, lower reservoirs  are existing, out of  service, Iron Range open  pit mines ?

PHES facility stores low price  energy, releasing it during  peak periods when demand  and price is high

Comparison of Technologies

Bogenrieder, W.: 2.6. Pumped storage power plants. Heinloth, K. (ed.). SpringerMaterials ‐ The Landolt‐Börnstein Database  DOI: 10.1007/10858992_7

Storage Benefits need to be reflected in  revenue and cost equations ‐‐ PHES can: y Allow firming of overall 

y y y y y

capacity from renewable  sources Significant capacity per  unit capital cost Long term facility life Can follow load  requirement Provide a fast acting spin  reserve Help regulate system  voltage requirements

y Provide transmission 

y y y y

systems support and buffer  possible congestion Employ time of use energy  cost management Demand charge  management Add soaking capabilities Provide reliable power  quality

Overall Energy Efficiency for PHES  Systems ‐‐ Example

Modern variable  speed systems can  approach 86% efficiency

Bogenrieder, W.: 2.6. Pumped storage power plants. Heinloth, K. (ed.). SpringerMaterials ‐ The Landolt‐Börnstein Database   DOI: 10.1007/10858992_7

Minnesota Opportunity y Take advantage of water resources on MN’s Iron Range 

(MIR) from abandoned mine pits y Close proximity to Minnesota Power’s DC transmission  line from North Dakota wind resources y Great River Energy and Minnesota Power have ample  transmission line capability near the various mining  sites y Allow potential large scale energy storage using a  proven technology to aid in adoption of renewable  energy from wind

Why this project? y Key questions that need study: y What potential sites exist on the MIR? y y

What makes a good pumped storage site?   Are there potential sites for closed loop pumped storage in  Northeastern Minnesota with sufficient scale to support a project  from previous mining activities? 

y Can a closed loop pumped storage project co‐exist with 

present and/or future mining activities? y How can PHES be implemented in an environmentally  benign way? y Are any changes needed to state policy to remove roadblocks  that would impede implementation of the technology that  balances the value of the environment, minerals and  renewable generation? 

UM – diverse input to project y UM Participants y Natural Resources Research Institute y UMD Civil engineering y Saint Anthony Falls Laboratory y Humphrey Institute y Commercial Participants y Great River Energy y Minnesota Power y Barr Engineering

Four focus areas y Environmental Issues y Facilities requirements y Geotechnical parameters y Policy and economic factors

Geotechnical Team y Assess the integrity and properties of the rock at any  y

y y y y

selected location Determine the geologic conditions that exist at any site and  the likelihood for coherent rock  structures for the upper  and lower reservoir basin  Generate maps and datasets illustrating site characteristics  Lead assessment of alternative land use Assess integration of pumped hydro storage design with  the long‐range mining plans of existing mining operations Characterize select waste materials for economic and  environmental purposes

Geotechnical Team y Geotechnical Assessment y ‐ Rock Mechanics – Sampling & Testing/GIS; y ‐ Mineral Assessment/Permitting/GIS; y ‐ Rock Stratification/Geological Mapping/GIS; y ‐ Geological Integrity/Geological Mapping/GIS; y ‐ Minerals Usage and Value/GIS; y ‐ Waste Rock Characterization & Analysis/GIS; 

and y ‐ Archeology/Historic Sites/GIS.

Facilities Team y Survey of existing pumped hydro facilities, overview of 

overall systems/components and overview of design  variations  y Component characterizations including cost and  potential size limitations (civil and mechanical works)  y Review of current economic analysis of pumped hydro  plant construction (i.e., cost/MW(h)) including  currently reported estimates and models

Critical Component areas Reservoirs

Mechanical and Electrical 

y Sealing mechanisms and 

y y y y y y y y y

y y y y y y

construction techniques Overflow controls Leakage monitoring Intake and associated gates Penstock to pumphouse Embankment/dam  construction Rock walls/manifolds/surge  tanks

Pump/turbine Motor/generator Draft tube Start‐up systems Pumps Compressors Gate Actuators Controls/meters/actuators Transmission lines and  transmission equipment

Environmental Team y Consider environmental impacts of both mining and PHES 

implementation y Study areas: 1. 2.

Geology and soil  Water resources  • groundwater & surface water • water quality & quantity • greenhouse gases 3. Terrestrial resources • wetlands and vegetation   

4. 5. 6. 7.

Wildlife  Threatened & endangered  species   Cultural Resources  Air quality & Noise 

8.

Hazardous Materials 

Permit assessment State permits 1. 2. 3.

4. 5. 6.

Minnesota Public Utility  Commission (PUC) permits DNR Water Appropriation Permit MPCA National Pollutant Discharge  Elimination System (NPDES)  Permit Dam Safety Permit Wetland Conservation Act (WCA)  compliance MPCA Industrial Stormwater Permit

Federal permits 1.

2.

Federal Energy Regulatory  Commission (FERC)  Licensing Section 404 Permit (if  wetlands are impacted)

FERC “Initial Consultation List”: http://www.ferc.gov/industries/hydropower/enviro/consultlist.aspx?State=Minnesota

Surface and Ground Water Exchange 1. Within what area surrounding the pit will groundwater  flow (direction and magnitude) be changed? 2. How might these changes affect the oxidation/reduction  of iron and sulfur within the affected area and therefore,  the water quality in pit lakes? 3. How might PHES development affect ongoing and future  mine land reclamation efforts? 4. What is the potential for PHES to exacerbate existing  water resource issues in the region? (e.g. sulfate, fish‐ mercury, heavy metals, sedimentation, et al.)

Modeling of System

y Conceptual model for PHES effects on water resources under 

development Surficial geology,  unconsolidated,  high K •Pumping drawdown may  influence surficial hydrogeology  that influences surficial  hydrologic budget

HWL

−K

Mean WL LWL

Bedrock geology,  consolidated,  low K

Short‐term  exchange of GW  with SW in  reservoir

dh dL

Long‐term average  flux of GW to  reservoir

•Characterizing hydraulic properties of  fracture dominated rock

•Two mechanisms foreseen for altering mass transfer  from rocks to SW

Pump discharge  into complex  limnology of deep  pit reservoirs

QP (t )

1.

Wetting/drying cycles speed oxidation processes

2.

Hydrostatic pumping increase exchange with  groundwater

Policy Team y Assess land use and mineral rights issues that would be impacted by  y y y y

locating PHES facilities on the MIR. Identify socio‐political factors that affect PHES deployment on the  MIR, including key stakeholders and their perception of PHES. Determine policy implications of closed loop PHES on the MIR and  identify legal or regulatory barriers to implementation.   Identify life cycle parameters that will need to be quantified in more  detail in future studies Outline potential benefit stream from PHES deployment

PHES implications – some initial considerations (1) Improve System Reliability Pumped storage is alternative to natural gas power plants for providing back‐ up generation for variable generation • Pumped storage also serves as a load during pumping.  Therefore, it  could reduce episodes when wind producers are asked to shut down  because there is not enough demand, termed curtailments. • Under most power purchase agreements, utilities bear the risk of  curtailment (2) Reduce transmission congestion   • A high location marginal price (LMP) is a signal of weakness in the power  system.  High LMPs can be alleviated with either new generation or new  transmission.  • PHES is an alternative to building additional transmission • Generators (e.g. PHES) capable of closely matching LMP patterns  on the local region are of higher value to the system as they are  more effective at reducing need for, and stress on, the  transmission network

PHES implications – continued (3) Arbitrage electricity prices and provide ancillary services •



The profit of the pumped‐storage plant is maximized by  operating the facility as a generator when the LMP is high  and as a pump when the LMP is low The revenue of a pumped‐storage unit includes the revenue  received by selling energy when it is in the generating mode and  by being accepted in the non‐synchronous reserve market  when not in the generating or pumping mode

(4) Offer system balancing services •

Bid the services of pumped storage into the ancillary markets  when it is not pumping or generating

Relationship of PHES to Minnesota’s Renewable  Energy Standard • Unclear whether PHES would be treated as renewable power. • Pro ‐ PHES operates similar to a hydroelectric facility in that it  releases water through turbines to generate electricity. • Con ‐ the fuel for pumped storage is off‐peak power, not water.   The pumped storage facility is a net consumer of energy. • Current MN policy states that hydroelectric with a capacity of less  than 100 MW qualifies as an eligible energy technology for purposes  of satisfying the renewable energy standard • PHES facilities will most likely need to be larger than 100 MW to be  viable economically – this is a potential policy barrier.

Potential MIR Schemes •Pit‐to‐pit •Most difficult to find in topography •Reduced cost due to completed  reservoirs •May require patches to slow leakage •Natural Pit to Constructed Upper reservoir •Reservoir Construction •Easier to find in topography •Isolated Pit to Constructed Upper Reservoir

Project Status Milestone • Tour of Ludington, MI PHES Facility • PHES Policy Group Focus Meeting @ GRE • Tour of Selected Potential PHES Sites • Research, Literature Review • Compile, Analyze GIS Data • Geological Mapping of Potential Sites

Completion Date 30‐Jul‐10 28‐Sep‐10 14‐Oct‐10 Underway Underway Underway

Future Activities Milestone • Develop Site Assessment Guidelines • Develop Site Survey Plan (locations) • Review Site Survey Plan w/DNR • Conduct Site Survey • Geological Sampling • Site Ranking • Policy Factors Review • Draft Project Report • Final Project Report • PHES Project Completion Date

Completion Date Underway Underway Underway Jan‐2011 Feb‐2011 Feb‐2011 Mar‐2011 Mar‐2011 Apr‐2011 30‐Jun‐2011

Participants in Study Overall Coordination

Policy Team

y y y

y

Dr. Donald Fosnacht, NRRI, Principle Investigator Mr. Dwight Anderson, Minnesota Power Mr. Vince Herda, Great River Energy

Facilities Team y y y y

Mr. Jeffrey Marr, St. Anthony Falls Laboratory, UMTC* Dr. John Gulliver, Civil Engineering, UMTC Mr. Matthew Lueker, St. Anthony Falls Laboratory,  UMTC Mr. David Aspie, Minnesota Power

Geotechnical Team y y y y y y y y y

Mr. Steven Hauck, NRRI* Dr. Carlos Carranza‐Torres, Civil Engineering, UMD Dr. George Hudak, NRRI Mr. Mark Severson, NRRI Mr. John Heine, NRRI Mr. David Aspie, Minnesota Power Ms. Rochon Kinney, Minnesota Power Mr. Carl Sulzer, Great River Energy Ms. Julie Oreskovich, NRRI

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Dr. Elizabeth Wilson, Humphrey Institute of Public  Affairs* Melisa Pollak, Humphrey Institute of Public Affairs Nathan Paine, Humphrey Institute of Public Affairs Mr. Dwight Anderson, Minnesota Power Mr. Steve Garvey, Minnesota Power Ms. Cindy Hammerlund, Minnesota Power Mr. Mike Klopp, Minnesota Power Mr. Bob Ambrose, Great River Energy Mr. Mark Fagan, Great River Energy Mr. Jay Porter, Great River Energy Mr. Bob Sandberg, Great River Energy

Environmental Team y y y y y y

Dr. Nathan Johnson, Civil Engineering UMD* Xianben Zhu, Civil Engineering UMD Dr. Rich Axler, NRRI Mr. Kurt Johnson, NRRI Mr. Blake Francis, Minnesota Power Mr. Mark Strohfus, Great River Energy

*Team Leaders