Selecting mechanisms to acquire DSO flexibility services in the energy transition

Abstract

Esta tesis, presentada como compendio de artículos publicados, se realiza en un contexto de incertidumbre sobre la utilidad de la flexibilidad de las redes de distribución para afrontar la transición energética. El objetivo principal de esta tesis es estudiar los elementos que deben definir el diseño y selección de mecanismos para adquirir servicios de flexibilidad para las necesidades de los Gestores de la Red de Distribución (GRDs) que puedan ayudar a una implementación eficiente de la provisión de flexibilidad a las redes de distribución. Para lograr este objetivo, esta tesis sigue un enfoque escalonado. En primer lugar, se propone un marco de toma de decisiones para seleccionar el mecanismo de flexibilidad más adecuado para una necesidad concreta de los GRD. No todos los mecanismos que permiten a los GRD acceder a servicios de flexibilidad o adquirirlos, denominados mecanismos de flexibilidad, son igualmente adecuados para abordar los diferentes problemas y necesidades a los que se enfrentan los GRD. También existe una amplia gama de necesidades operativas y situaciones de la red (según el nivel de tensión, el plazo y el tipo de servicio) que pueden requerir diferentes mecanismos de flexibilidad. A la hora de seleccionar el mecanismo más adecuado se deben tener en cuenta varios criterios clave de evaluación (coordinación GRT-GRD, liquidez del mercado, generalización), que se detallan en esta tesis. (Siendo los GRT los Gestores de la Red de Transporte) En la segunda etapa, se realiza un Análisis Coste-Beneficio para evaluar objetivamente las alternativas flexibles, comparando el valor de la solución flexible con el valor de la solución tradicional. Para ello, se seleccionan cuatro casos de uso realistas en el contexto español con redes reales y probables escenarios futuros para realizar comparaciones y aportar conclusiones sobre el verdadero valor de la flexibilidad. Se siguen los siguientes pasos para cada uno de los casos de estudio. En primer lugar, se identifica el valor real de la solución tradicional. En segundo lugar, tras un análisis exhaustivo de los costes implicados, se estiman los costes de las soluciones flexibles. Finalmente, se comparan ambas soluciones y las posibles sensibilidades con respecto a las variables consideradas, por ejemplo, el número de activaciones o kilómetros de líneas requeridas, de manera que se puedan extraer algunas conclusiones sobre el valor de la flexibilidad en estas situaciones probables. En la tercera etapa se evalúa la necesidad de coordinación entre los GRT y los GRD. Esta tesis revisa las actividades de ambos sus necesidades a corto y largo plazo a diferentes niveles de tensión. Esta cuestión requiere un análisis de las diferentes operaciones de los GRD en las que se prevé la necesidad de coordinación, y un estudio caso por caso considera los impactos creados por las acciones del GRD que gestiona recursos flexibles sobre las responsabilidades del GRT. Para ello, se asimila la aplicación de una herramienta flexible a situaciones operativas reales de la misma envergadura. A continuación, se estudia el impacto sobre las actividades del GRT en cada una de las diferentes situaciones operativas, realizando en algunos casos un análisis de flujo de potencia para dar cuenta del número de sobrecargas adicionales que pueden producirse. La metodología se replica teniendo en cuenta que el límite GRT-GRD se encuentra a diferentes niveles de tensión para reflejar la situación en diferentes países. La cuarta etapa es la que corresponde a las recomendaciones regulatorias y a las propuestas de investigación posteriores, destacando que la incorporación de soluciones flexibles sería, por tanto, habilitar una caja de herramientas de mecanismos de flexibilidad para que el GRD pueda seleccionar el más adecuado, con o sin coordinación GRT-GRD, o con o sin liquidez en el mercado. Con esta investigación, se pudo poner de manifiesto la diversidad tanto de las necesidades de los GRD como de las posibles soluciones, proporcionando un marco de decisión para adecuar cada tipo de necesidad con el mecanismo óptimo. También fue posible determinar qué soluciones pueden ser más competitivas que las soluciones tradicionales y en qué condiciones, lo que agrega más certidumbre sobre cuáles deberían ser los primeros pasos para los cambios regulatorios. Y, por último, fue posible establecer un límite a las necesidades de coordinación GRT-GRD para evitar sobrecostes innecesarios. Todo este trabajo sirvió para centrar los esfuerzos de implementación de soluciones flexibles en aquellos mecanismos y necesidades que redunden en una mejora, ya sea en eficiencia o en sostenibilidad, o en ambas.

This thesis, presented as compendium of papers, is conducted in the context of uncertainty about the usefulness of flexibility for distribution networks to face the energy transition. The main objective of this thesis is to study the elements that must define the design and selection of mechanisms to acquire flexibility services for Distribution System Operators (DSOs) needs that could help an efficient implementation of flexibility provision to distribution networks. To accomplish this objective, this thesis follows a stepwise approach. Firstly, a comprehensive decision-making framework to select the most suitable flexibility mechanism for a particular DSO need is proposed. Not all mechanisms enabling DSOs to access or acquire flexibility services, named flexibility mechanisms, are equally suitable to address the different problems and needs faced by DSOs. There is also a wide range of DSO operational needs and situations of the network (according to the voltage-level, timing, and type of service) which may require different flexibility mechanisms. Several key evaluation criteria should be considered when selecting the most appropriate mechanism (TSO-DSO coordination, market liquidity, generalization), which are detailed in this thesis. In the second stage, a Cost-Benefit Analysis (CBA) is conducted to objectively assess these flexible alternatives, comparing the value of the flexible solution with the value of the traditional solution. To do this, four realistic use cases are selected in the Spanish context with real networks and probable future scenarios to perform comparisons and provide conclusions about the true value of flexibility. The following steps are followed for each of the case studies. First, the real value of the traditional solution is identified. Secondly, following a comprehensive analysis of the costs involved, flexible solutions’ costs are estimated. Finally, both solutions are compared to evaluate the value and possible sensitivities with respect to the variables considered, for example, the number of activations or kilometers of lines required, so that some conclusions can be drawn about the value of flexibility in these likely situations. The need for TSO-DSO coordination is assessed in the third stage. This thesis reviews the activities of TSOs and DSOs and their short- and long-term needs at different voltage levels. This question requires an analysis of the different DSO operations where the need for coordination is foreseen, and a case-by-case study considers the impacts created by the actions of the DSO managing flexible resources on the responsibilities of the TSO. To that end, the application of a flexible tool is assimilated to real operational situations of the same scale. Then, the impact on the activities of the TSO in each of the different operational situations is studied, in some cases performing a power flow analysis to account for the number of additional overloads that may occur. The methodology is replicated considering that the TSO-DSO boundary is located at different voltage levels so as to reflect the situation in different countries where the subtransmission grid may be operated by a different type of grid operator. The fourth stage is the one that corresponds to the regulatory recommendations and further research proposals, highlighting that the incorporation of flexible solutions would, therefore, be about enabling a toolbox of flexibility mechanisms so that the DSO can select the most appropriate one, with or without TSO-DSO coordination, or with or without market liquidity. With this research, it was possible to highlight the diversity of both DSO needs and possible solutions, providing a decision framework to match each type of need with the optimal mechanism. It was possible also to determine which solutions may be more competitive than traditional solutions and under which conditions, adding more certainty about what the first steps for regulatory changes should be. And finally, with a detailed study on the impact of the flexibility enabled by the DSO on the responsibilities of the TSO, it was possible to establish a limit to the needs for TSO-DSO coordination to avoid unnecessary cost overruns. All this work was useful to focus the efforts of implementing flexible solutions on those mechanisms and needs that result in an improvement, either in efficiency or in sustainability, or in both.