The Impact of Demand-side Flexibility on Generation Investment Planning and Operation of the Future Electric System

Abstract

Los avances tecnológicos, la creciente preocupación por el medioambiente y los compromisos políticos están dirigiendo al sector eléctrico hacia una era renovable. El mix de generación de electricidad está evolucionando para ser libre de emisiones; por lo tanto, para integrar eficientemente la energía solar y eólica, se necesitan más recursos no contaminantes para mantener un sistema eléctrico robusto, firme y rentable. En este contexto, la respuesta de la demanda (DR) supone una oportunidad para aprovechar un recurso disponible en el sistema y disminuir la necesidad de inversiones en almacenamiento y tecnologías renovables, así como para optimizar el refuerzo de la red de distribución. Los activos de demanda participan principalmente en el mercado energético al por mayor, pero su papel será mucho más relevante cuando puedan participar en mercados intradiarios y auxiliares a través de lo que se llama Flexibilidad de la Demanda Explícita (EDF, por sus siglas en inglés). La EDF se refiere a los prosumidores comprometidos (típicamente agregadores) que actúan para aumentar o disminuir la demanda o la generación distribuida en respuesta a las necesidades del sistema. Se analiza el papel y las oportunidades de la EDF en el sistema en profundidad, encontrando que, para fomentar el desarrollo de medidas regulatorias que fomenten el potencial de la EDF, primero deben superarse barreras sociales y tecnológicas. Para abordar de manera efectiva la aceptación social, es indispensable proporcionar información adicional y presentar argumentos persuasivos sobre sus beneficios e impacto económico. Para abordar la aceptación y el compromiso social, esta tesis pone en valor las posibilidades de la EDF. Comienza comparando las oportunidades que ofrece la flexibilidad de la demanda con otras fuentes disponibles, como el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo. Posteriormente, profundiza en un análisis del potencial de la EDF participando en mercados de balance. Por último, se realiza un análisis de costes para identificar el umbral en el que la EDF se vuelve más, menos o no rentable. En primer lugar, se realiza una comparación de las decisiones de operación y de inversión de las distintas tecnologías, considerando diferentes cantidades de DR disponible en el sistema y resaltando la importancia del desarrollo de la DR y sus ventajas frente a sus competidores. La seguridad del suministro de energía se vería comprometida durante períodos de baja disponibilidad de sol y viento con los objetivos de producción renovable, por lo que, se necesita una capacidad de almacenamiento sustancial. Este análisis revela un impacto relevante en la capacidad firme requerida en el sistema, así como la participación óptima de generación renovable de energía eólica y solar cuando hay DR en el sistema. El sistema eléctrico está estrechamente interconectado, por lo que la introducción o ausencia de una tecnología específica puede influir en las decisiones en todo el sistema energético. Los mercados de balance están cobrando cada vez más relevancia debido al aumento en los desajustes entre generación y demanda debido a la alta penetración de energías renovables, ya que la generación es más difícil de predecir y poco a poco las turbinas de gas serán eliminadas del sistema. La EDF es una de las posibles soluciones que ofrecen estos servicios que requieren una respuesta rápida. Utilizando el caso de España como ejemplo, con la demanda desagregada en distintas categorías de consumo, esta tesis pone en valor, cómo la demanda podría proporcionar incluso el 50% de las reservas necesarias. Además, la implementación y el uso de esta demanda flexible conllevan un coste desconocido. Proporcionar información sobre el rango de costes de inversión, operación y mantenimiento asociados a la EDF es crucial para fomentar su implementación. Esta información es fundamental para los inversores, para poder determinar la cantidad adecuada de EDF en el sistema. Se obtiene un rango de costes para los diferentes activos de demanda flexibles entre los que la EDF es rentable. Con todo lo anterior, esta tesis demuestra que la explotación de la EDF proporciona múltiples ventajas y que diversificar las opciones mejora el mix de tecnologías de generación de electricidad. En primer lugar, al comparar la EDF con otras fuentes de generación, se demuestra que contar con la EDF en el sistema optimiza la inversión en tecnologías de generación, no solo en capacidad firme, sino también en la instalación de generación de energía solar y eólica. En segundo lugar, al permitir la participación de la EDF en el mercado de reservas, toda la operación del sistema eléctrico puede realizarse a un coste menor que si no hubiera EDF disponible en el sistema. Esto se debe principalmente a la disminución significativa de los vertidos al hacer un mejor uso de ellos y evitar que otras tecnologías más costosas produzcan esta energía. Finalmente, se determina el rango de costes dentro del cual la EDF debería estar para ser rentable. Contribuyendo a incentivar la inversión siempre que los costes se mantengan dentro de ese rango. Además, al considerar los costes de la EDF se ha demostrado que ya no son necesarias remuneraciones adicionales para fuentes de capacidad firme, ya que los costes ya aprovechan las necesidades de capacidad firme; por lo tanto, es importante tenerlos en cuenta para poder asesorar y tomar medidas de política energética.

Technological advancements, environmental concerns, and political commitments are steering the electricity sector toward a transition to a renewable era. The original electricity mix is evolving to an emission-free mix; therefore, to integrate solar and wind energy efficiently, more non-pollutant solutions are needed to maintain a robust, firm, and cost-effective system. In this context, the demand response (DR) presents an opportunity to leverage an accessible resource to mitigate the need for excessive investments in storage and renewable technologies and optimize the distribution network reinforcement. In particular, demand assets participate mainly in energy market, but their role is going to be unleashed when they can participate in intraday and ancillary services through what is called Explicit Demand Flexibility (EDF). EDF refers to committed prosumers (typically aggregators) in acting to increase or decrease load or distributed generation in response to system needs. EDF's role and opportunities in the system are analyzed in depth, finding that, to foster the development of regulatory measures that encourage EDF's full potential, social and technological barriers should first be faced. To effectively tackle issues related to social acceptance, it is imperative to provide additional information and present persuasive arguments regarding its benefits and economic impact. To address social acceptance and engagement, this thesis strategically emphasizes the value of EDF. It begins by comparing the opportunities offered by demand with other available sources, i.e., pumped-hydro storage. Subsequently, it delves into an analysis of EDF's full potential, exploring its active participation in balancing markets. Lastly, a cost analysis is conducted to identify the thresholds at which EDF becomes more, less, or not profitable. First, a comparison of operational and investment decisions is performed to analyze the competitors, considering varying quantities of DR availability in the system and highlighting the significance of DR development. The security of the energy supply would be jeopardized during periods of low sun and wind availability with the renewable production quota objectives. Hence, substantial storage capacity is necessary. This analysis reveals a non-negligible impact on the firm capacity required in the system, as well as the optimal shares of wind and solar PV renewable generation when there is DR in the system. This underscores the interconnected nature of energy infrastructure, where the introduction or absence of a specific technology can influence decisions across the entire energy system. Furthermore, the balancing markets are becoming more relevant due to the higher mismatch between generation and demand with high shares of renewables, as generation is harder to predict and gas turbines will be removed from the system. EDF is one of the possible solutions offering these services which require fast response. Illustrated through the example of Spain, this thesis brings light to the priorities of the disaggregated demand categories to optimize their use and how demand could provide even 50% of the reserves needed. Additionally, the deployment and use of this flexible demand entail an unknown cost. Providing information on the range of investment and operational and maintenance costs associated with EDF is crucial to foster their deployment. This data is essential for investors, offering insights into the financial considerations and guiding them in determining an appropriate EDF deployment amount. A range of costs is obtained for optimizing investment and operation of the system for the different flexible demand assets. Thus, this thesis demonstrates that the exploitation of EDF provides multiple advantages and that diversifying options enhances the mix of electricity generation technologies. First, by comparing it with other generation sources, it is proved that counting with EDF in the system optimizes generation technology investment, not only in firm capacity but also in the solar and wind generation installation. Secondly, by allowing EDF participation in reserves, the whole electric system operation can be performed at a lower cost than if there was no EDF available in the system. This is mainly due to the significant decrease in spillages by making better use of them and preventing other more expensive technologies from producing this energy. Finally, the cost range within which the EDF should fall to be profitable is determined. Contributing to incentivize investment as long as the costs remain within that range. Moreover, considering EDF costs has shown that additional remunerations to firm capacity sources are no longer needed, as the costs already leverage the firm capacity needs; therefore, it is important to take them into consideration in order to advise with energy policy measures.