Grupos de arranque rápido para la reserva secundaria – Money Talks

Abstract

La Banda Secundaria, según se estructura hoy en día presenta grandes ineficiencias:  La operación de los grandes grupos generadores en rendimientos lejanos del óptimo de diseño es la mayor desventaja de la gestión de la reserva secundaria. Esta pérdida de eficiencia en los generadores tiene como consecuencia el encarecimiento del precio de la energía a nivel global  Coste de oportunidad de la energía ofrecida en banda Debido a la ineficiencia actual en la forma de proveer banda Secundaria en el Sistema Eléctrico, se propone como solución, la utilización de unidades de Arranque Rápido para suministrar este servicio. Las unidades de Arranque Rápido son un tipo de centrales generadoras de energía que tienen una respuesta dinámica frente a perturbaciones muy breve. El tiempo estipulado para que estas unidades de arranque rápido alcancen el mínimo técnico es de 5 a 10 minutos. Sin embargo, la desventaja de estas unidades son tanto los altos costes marginales de generación de energía como también los elevados costes de arranque y parada. Por tanto, actualmente estas unidades son utilizadas como unidades de generación de pico, siendo también común que los grupos de arranque rápido participen en la regulación terciaria. Las unidades hidráulicas y las turbinas de gas de ciclo abierto, dentro de las plantas térmicas, pueden ser consideradas como grupos de arranque rápido. Proporcionar banda de Regulación Secundaria con unidades de Arranque Rápido consiste en mantener estas unidades apagadas cuando no sea necesario proporcionar banda secundaria, permitiendo que las unidades generadoras de mayor capacidad estén funcionando dentro su banda óptima de operación. La operación de la Regulación Secundaria con unidades de Arranque Rápido eliminaría las ineficiencias planteadas anteriormente. Mientras que en la tesis doctoral de Inmaculada Saboya [3] se ha evaluado y diseñado algoritmos que garanticen la viabilidad técnica de la operación de las unidades de Arranque Rápido, en este proyecto se ha estudiado la viabilidad económica de las mismas. Para ello, se ha elaborado un modelo de optimización en el que se ha asumido la operación correcta en lo que concierne a lo técnico de las unidades, y se ha maximizado el beneficio económico de la operación de la unidad de Arranque Rápido. El objetivo del modelo es maximizar los beneficios económicos, bien por ofrecer banda a subir en la banda de regulación secundaria, o por casar energía en el Mercado Diario de energía, utilizando en el modelo una única unidad de Arranque Rápido de 50 MW de potencia Algunas de las restricciones más importantes son:  La potencia que se ha ofrecido en la Banda Secundaria, no se puede casar en el Mercado Diario a la vez, y viceversa  Como toda unidad, la unidad de Arranque Rápido tiene un máximo y mínimo técnico  La unidad de Arranque Rápido tiene unas rampas de subida y bajada máximas  Uso de variables enteras y continuas para modelar el arranque, la parada y la operación de la unidad de Arranque Rápido En cuanto a los resultados obtenidos, existe una gran dependencia en los beneficios del precio de la Banda Secundaria, ya que en casi todos los escenarios simulados el beneficio de la unidad de Arranque Rápido procede en un 90% aproximadamente de la Banda Secundaria. Sin embargo, el 10% restante del beneficio procedente del Mercado Diario, también tiene un papel importante pudiendo aumentar aproximadamente en un 8-10% el beneficio de la unidad, respecto a una participación única de la unidad de Arranque Rápido en el mercado de Banda Secundaria Los resultados obtenidos tienen totalmente coherencia con el novedoso uso de las unidades de Arranque Rápido, ya que se ha planteado éstas para solucionar las ineficiencias de la Banda Secundaria y la participación de la unidad de Arranque Rápido en la Banda Secundaria es mayoritaria. Se han estimado los ingresos medios anuales de la unidad en unos 7.8 M€. Restando costes de personal e impuestos sobre beneficios de operación, el beneficio medio neto anual quedaría en alrededor de 5 M€. Los costes de construcción de la unidad de Arranque Rápido, se estiman por analogía con las centrales de ciclo combinado en aproximadamente 40 M€. Finalmente, con una vida de operación de unos 25 años, el beneficio que se espera tener es de unos 85 M€, concluyendo que la operación de las unidades de Arranque Rápido resulta económicamente viable.

As is operated today, the power system secondary reserve presents many inefficiencies:  The main drawback is the operation of large generators out of their optimal power band. As a consequence, these big generators run on a worse efficiency causing energy prices to increase.  There is also an opportunity cost of the energy offered in the secondary reserve which cannot be generated on the daily energy market. Due to the inefficiency on the management of the power system secondary reserve, a new solution is proposed, consisting of using Rapid Start units to provide the secondary reserve band. Rapid Start units are a type of power generator which have a quick dynamic response to disturbances. The expected time for these Rapid Start units to reach the minimum power output at which they are synchronized with the grid is between 5 and ten minutes Nevertheless, the disadvantages of these units are both the high marginal costs of power generation and the high start-up and turn-down costs. Therefore, they are only used as energy peak generators and even also used as tertiary emergency reserve providers. Two example types of Rapid Start units are hydraulic generators and open loop gas turbines which are a kind of thermal plants. The benefits of providing secondary reserve using Rapid Start units consist of maintaining these units off when the secondary reserve is not needed allowing big power generators to run on their best efficiency and not to have the secondary reserve band opportunity cost. So, solving the inefficiencies stated above. While in the PhD thesis by Inmaculada Saboya [3] algorithms are designed to certify the technical feasibility of Rapid Start units, this project aims at analyzing and studying the profitability of Rapid Start units operation on both the daily energy market and the secondary reserve market To fulfill this analysis, an optimization model has been designed. It has been assumed the correct functionality of Rapid Start units as far as technical issues are concerned, and economic profit of the Rapid Start unit has been maximized, Being the objective function, in the optimization model, to maximize profits, either producing energy in the daily energy market or offering power in the secondary reserve, some of the restrictions that must be complied:  Power offered in the secondary reserve market, even though it is not always used cannot be generated in the daily energy market at the same time.  Rapid Start units have a maximum and minimum power output which cannot be ever exceeded  Rapid Start units also have a power ramp-up and ramp-down that cannot be surpassed  Continuous and integer variables to model de start-up and turn-down of Rapid Star units. As far as results are concerned, there is a high reliance of the profits on the Secondary Band, as in almost every scenario simulated, 90% of the profit came from the secondary band market. However, the 10% of the profit arising from the daily energy market is also to be considered as it can increase the global profit of the unit in 8-10%, considering as a reference the profit earned exclusively, offering power in the secondary band market. The results are totally coherent with the new use of Rapid Start units presented, as the main objective is to improve the secondary reserve band management and efficiency. Therefore, the rapid start unit mainly operates on the secondary reserve generating power in the daily market only and not fully mainly at late hours of the afternoon. In terms of economic viability, average annual revenues have been estimated to be around 7.8 M€. After deducting labour costs and taxes, average annual profit would go down to 5 M€. Considering Rapid Start units construction costs to be equivalent to those of CCGT (Combined Cycle Gas Turbine), these mentioned costs are expected to be roughly 40 M€. Finally, considering a 25 years lifetime, the expected profit is about 50 M€ adjusted for inflation. It can be concluded that operating Rapid Start units in both daily energy market and secondary reserve market is economically feasible.