Analyzing the future value of energy storage in electric power systems

Abstract

En los últimos años, la creciente penetración de energías renovables está transformando la operación de los sistemas eléctricos. Estas nuevas fuentes de energía, en especial eólica, solar PV y en menor medida minihidráulica (denominadas Variable Energy Resources, VER), se caracterizan por tener un régimen de producción intermitente, a menudo difícil de predecir y escasamente gestionable. Estas características dificultan la integración de las VER en el sistema eléctrico. En el corto plazo, es necesario responder a la variabilidad de este tipo de recursos incrementando el requisito de reservas. Entre el corto y medio plazo las VER tienden a desplazar generadores con altos costes variables, disminuyendo así el precio de la electricidad en ciertos periodos. Sin embargo, dado que las fuentes de energía renovable están disponibles sólo de manera intermitente, los grupos térmicos siguen siendo necesarios como respaldo del sistema. Es por ello que, en un sistema con gran penetración de renovables, los grupos térmicos están obligados a hacer más ciclos de arranque-parada incrementado sus costes de operación. Esto se traspasa a las ofertas en el mercado eléctrico aumentando el precio de la electricidad. Por último, en el largo plazo, el mix de generación se debe readaptar para poder cumplir estos nuevos requerimientos de flexibilidad (como ciclos combinados). En este nuevo contexto, los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) reaparecen como una alternativa que puede tener un papel clave en la futura operación y planificación de los sistemas eléctricos. Como su propio nombre indica, los ESS son tecnologías capaces de almacenar la producción de electricidad para usarla cuando es más necesario. Además, estos sistemas se caracterizan por su flexibilidad (rampas y arranques rápidos). En el muy corto plazo, los ESS puedan proveer reservas rápidas de gran valor para ampliar los recursos a disposición de los operadores de los sistemas. Entre el corto y el medio plazo, los ESS permiten estabilizar los precios de mercado mediante el aprovechamiento de las diferencias de precio entre las horas de mayor y menor requerimiento térmico. Como consecuencia, en el largo plazo, los ESS pueden convertirse en una inversión rentable capaz de respaldar una mayor penetración de tecnología renovable, reduciendo las necesidades de capacidad térmica. El objetivo de este proyecto es analizar el valor que los ESS pueden aportar a los sistemas eléctricos tanto actualmente como en el futuro. Para ello es necesario el empleo de modelos sofisticados capaces de representar aquellas características de la operación del sistema en el corto plazo que son más relevantes para la interacción entre VER y ESS; así como la readaptación que sufre el mix de generación en el largo plazo. Este análisis se realiza prestando especial atención a nuevos requisitos de modelado que una penetración significativa de estas tecnologías plantea. En esa línea, se realiza una evaluación crítica de una herramienta comercial de modelado (PLEXOS), detectando las potenciales limitaciones que pudieran presentarse, proponiendo mejoras y analizando el impacto que tienen las hipótesis de modelado actuales.

The operation of power systems is being transformed by the massive penetration of Renewable Energy Sources (RES). These new sources of energy, especially wind, solar and in a lesser extent run-of-the-river hydro (hereafter denoted as Variable Energy Resources, VER) are characterized by partial unpredictability and intermittency. These characteristics make it challenging to integrate VER in electric power systems. In the short term, operational reserves requirements have to be increased to cope with the variability of VER production. In the short to medium term, VER tend to displace the highest variable cost units, lowering energy prices. However, because the natural source of energy of VER is only intermittently available, thermal units are still necessary as backup; under large VER penetration levels, thermal units are forced to increase their cycling regime consequently rising their operational costs, which are transferred to energy offers and ultimately increase market prices. In the long term, the generation mix will readapt to meet these new requirements, giving and increasing importance to flexible generation technologies (such as CCGTs). In this new context just described, Energy Storage Systems (ESS) could play an important role for the future operation and planning of electric power systems. As it name implies, ESS is a technology capable of storing energy in order to use it when most necessary and, at the same time, it features good ramping and fast start-up capabilities. In the short term, ESS can provide operational reserves and other ancillary services. In the short to medium term, ESS can lead to a more uniform spot price by selling and buying energy when large price differences occur. Consequently, in the long term ESS can become a profitable investment that can also provide back-up for RES, reducing thermal capacity needs. The goal of this dissertation is to analyze the value of ESS in current and future power systems. This objective calls for sophisticated modeling tools that should be able to represent the short-term characteristics of a power system that become most relevant when VER and ESS come into play, as well as the long term re-adaptation of the generation mix. This dissertation strives to perform the above-mentioned analysis while focusing on new modeling requirements. Furthermore, a critical assessment of a commercial modeling tool (PLEXOS) will be made to propose improvements and gain insights on the impact of current modeling assumptions.