Demand response in electric systems : Its contribution to regulation reserves and its role in aggregating distributed energy resources

Abstract

El actual crecimiento de las energías renovables está produciendo intensos cambios en el sistema eléctrico que se traducen en nuevos desafíos. Uno de los principales factores que originan estos retos es que la mayoría de esta nueva generación aparece en forma de pequeñas unidades, con una potencia mucho menor que las centrales convencionales, que se instalan de manera distribuida en el sistema. Además, muchas de estas tecnologías tienen un perfil de generación variable que depende de la disponibilidad instantánea del recurso que utilizan (sol, viento), con lo que sus previsiones de generación están sometida a incertidumbre. Esto ha motivado la aparición de múltiples soluciones para adaptar el sistema a una alta penetración de energías renovables. Éstas técnicas han emergido alrededor de un Leitmotiv: la flexibilidad. Sólo una operación flexible del sistema puede adaptarse a estas condiciones cambiantes. Dentro de los mecanismos que pueden incrementar esta flexibilidad, la gestión activa de la demanda aparece como una solución altamente prometedora. Los recientes avances tecnológicos en redes inteligentes, en particular, los contadores inteligentes, han abierto una nueva línea de posibilidades cuyo potencial no ha sido aún explotado. Esta tesis explora el impacto que la respuesta activa puede alcanzar y lo cuantifica en casos reales, en particular, el del sistema Español. En primer lugar, este trabajo analiza el papel potencial de la respuesta de la demanda en el mercado diario de electricidad, analizando en detalle los múltiples factores que la determinan. En particular, se estudia cómo una demanda flexible puede apoyar la operación del sistema en casos con una alta penetración de energía eólica. El análisis de los resultados muestra que la respuesta de la demanda y, en particular, el desplazamiento de la misma, puede nivelar, parcialmente, las variaciones de la producción eólica lo cuál es especialmente relevante en días con una producción eólica elevada. Por otra parte, varios factores son críticos para el impacto de la respuesta de la demanda: un alto potencial de flexibilidad de los consumidores considerados y la superposición de su consumo eléctrico con horas adyacentes al pico y valle de consumo de electricidad. Otro factor crítico es el coste de la respuesta de la demanda soportado o asignado al consumidor. Costes muy bajos resultan en beneficios netos muy reducidos para los consumidores. Como resultado, se desincentiva la participación en programas de respuesta de la demanda, y por lo tanto, reduce el impacto positivo de estos programas en la operación del sistema. Además, para asegurar un nivel alto de fiabilidad es necesario mantener reservas que sean capaces de equilibrar la generación y la demanda en condiciones cambiantes. Tradicionalmente, estas reservas han sido proporcionadas por fuentes de generación convencional. Sin embargo, una parte de ellas podría ahora proporcionarse mediante la gestión activa de la demanda. Esta tesis cuantifica la capacidad de la demanda para proporcionar reservas, así como el impacto que esto supondría para el bienestar de los consumidores. Esta posibilidad amplía las vías de actuación de la demanda, que podría intervenir en el mercado de reservas además del mercado diario de electricidad. Según los resultados obtenidos, cuando se permite a la demanda proporcionar reservas, el bienestar social aumenta, los costes de operación y las emisiones se reducen, y se logra un mayor nivel de integración de la generación renovable. Teniendo en cuenta la aplicación paralela de varios mecanismos de la respuesta de la demanda, se estima que la provisión de reservas por parte de la demanda es mucho más eficiente que el desplazamiento del consumo de electricidad, desde un punto de vista de la operación del sistema eléctrico. Por último, se estudia cómo la respuesta de la demanda puede apoyar la integración de la energía distribuida. Para ello se ha modelado la agrupación de múltiples recursos distribuidos en plantas eléctricas virtuales que representarían la adopción masiva de este concepto en la España peninsular. Estudiando varias posibles estrategias para la gestión de estas plantas virtuales, se ha calculado cómo la respuesta de la demanda mejora la integración de los recursos distribuidos. Los resultados de este análisis indican que la estrategia elegida para la generación distribuida y la demanda en plantas eléctricas virtuales tiene poco impacto en el sistema eléctrico en términos de costes de operación, emisiones o vertidos de energía renovable. Pero tiene un impacto elevado en los resultados correspondientes a la estrategia elegida: una planta eléctrica virtual que maximiza su beneficio puede obtener más del doble de beneficio, y aquellas plantas eléctricas virtuales que siguen la estrategia de maximizar el auto-consumo pueden alcanzar tasas muy elevadas de autosuficiencia en el suministro de consumo local. Estos resultados indican que las plantas eléctricas virtuales deben ser considerados como una opción viable e interesante para integrar las energías renovables en el sistema de energía eléctrica. La gestión activa de la demanda tiene un gran potencial para asegurar la operación fiable del sistema, como se ha comprobado en el caso de España. Activar a los consumidores, hacerles conscientes de que la electricidad es un bien dinámico cuyo precio cambia dependiendo de las condiciones del sistema, puede ser una de las claves para afrontar los desafíos del sistema eléctrico del mañana.

Electric power systems have experienced major changes since policy makers have opted for fostering renewable energy technologies. As a result many countries are experiencing a surge of renewable energy technologies within their generation mix. This development entails a series of challenges in the electric system operation. Renewable generators are distributed across the system and are typically substantially smaller in capacity size than conventional thermal generation units. These units have intermittent generation profiles. As such, variability in electricity production, uncertainty in forecasting and little controllability must all be taken into account. The leitmotiv of the options which exist to adapt to these systems is flexibility. During operation of the electric power system flexibility is required in order to respond to rapidly changing system conditions. Shiftable demand is one source of flexibility with high potential. Given the advances of smart grid technologies, for example smart metering, this potential has been relatively untapped to date. This thesis focusses upon the response of electricity consumers to actual electric system conditions. To begin I analyse the responsiveness of demands in energy markets in the context of the day-ahead planning phase. I estimate how flexible demands may support the integration of intermittent generation relating to high wind penetration and analyse in detail the factors impacting Demand Response at the system level. Based on the considered case study, one can conclude that in a system with high wind energy production, flexible demands, and in particular those that shift their demand, can be useful to partially level out variations in wind production, which is relevant on days with extremely high wind production. Furthermore, various factors are critical concerning the impact of flexible demands: a high Demand Response potential of considered devices and the time-overlap of the electric load of these devices with adjacent hours to peak and off-peak hours of electricity consumption. Another critical factor is the Demand Response cost borne by or assigned to the consumer. Already low Demand Response cost levels result in strongly reduced net benefits for consumers. This discourages the participation in Demand Response programs, and therefore reduces significantly the positive impact of Demand Response on system outcome. Afterwards, I analyse two specific issues that may concern the reliability of system operation as well as integration of distributed energy resources. To maintain reliability, reserve must be procured, typically from thermal or hydro plants. Demand Response is able to provide reserve and I quantify the impact on welfare this could have in the Spanish electric system considering the joint existence of Demand Response in both energy and reserve markets. According to results obtained, when demand is allowed to provide reserves, social welfare is increased, operation costs and emissions are reduced, and a higher level of integration of renewable generation is achieved. Considering the parallel application of several DR mechanisms, I find the provision of reserves by demands to be far more efficient than only shifting electricity consumption from a system point of view. Last, using the concept of Virtual Power Plants, I examine how Demand Response may help in the system-wide integration of distributed energy resources in mainland Spain. Results for different strategies these Virtual Power Plants can pursue are obtained and used to estimate how flexible demands in Virtual Power Plants may support the integration of distributed energy resources. The results of this analysis indicate that the chosen strategy of distributed generation and demand in Virtual Power Plants has little impact on the rest of the electric system in terms of thermal operation costs, emissions or renewable energy spillages, but a high impact on the results relevant for the Virtual Power Plant’s corresponding strategy: benefit maximising Virtual Power Plants can more than double their benefits and auto-consuming Virtual Power Plants can achieve very high rates of self sufficiency in the supply of local load. These results indicate that Virtual Power Plants should be considered as a viable and interesting option to integrate renewable energies into the electric energy system. I conclude that Demand Response is an option to enhance electricity system operation and reliability. As a case study I have assessed the specific case of the mainland Spanish electricity system, which has been analysed in depth. Demand Response is interesting for more than just achieving cost reductions. The rise of the active consumer with his knowledge of electricity as a good with time sensitive prices based upon underlying system conditions can only be beneficial to the system.