Publication: Economic effects of a high share of renewable energies on power systems
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Publication date
2014-03
Defense date
2014-03-28
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Abstract
The aim of this thesis is to study the participation of renewable energies in the Spanish power system. For this purpose, two kind of studies have been developed in the present work. On the one hand, the first part of the work aims to assess the participation of wind energy producers in the Spanish electricity market. On the other hand, the overall effects of an increased installed capacity of renewable energies on the power system are evaluated. Due to the intermittent nature and the low predictability of wind power, the participation of this energy in the day-ahead market implies large deviations from the initial schedule, which leads to a cost that has to be borne by the wind farm owner. By means of short term wind power prediction programs, these losses may be reduced, and, if the market allows the possibility of updating previous bids at intraday markets, the total income of the wind power producers can be increased by a significant percent. The imbalance losses for a wind power producer are important, and may be reduced by strategic bidding. Then, a tool that maximizes the incomes of wind power producers in electricity markets is employed in this study. Through a stochastic process a strategic bidding algorithm is designed, which takes into account the variables involved in the process, namely wind power forecasts, daily, intraday and imbalance market prices. As these variables are not known in advance, their forecasts are necessary as input data of the strategic bidding tool. So, prediction tools are integrated in the optimization process, which forecast intraday and imbalance prices. Also a short-term wind power prediction program is included in the tool. The problem considered is the optimization of the bid to the Intraday Market, given a position in the Daily Market, and considering the uncertainties of the involved random variables. Moreover, a risk analysis is included in the results to study the e ect of several risk attitudes in both the incomes obtained by wind power producers and the errors incurred by them. Realistic results coming from both historical real data of production and forecasts, and a real-time simulation project will be presented in this work. Simulation results were evaluated for ten months in 2007 and 2010, leading to a thorough analysis of the different strategies applied. In consequence, this analysis will contribute to extract valuable conclusions with regard to the participation of wind energy producers in the Spanish electricity market. The increased share of renewable energies has changed both power system functioning and conventional plants operation. With regard to the latter, power plants using fuel have change their operation mode to accommodate to the variability and partial predictability of renewable energy sources. This fact increases the operation costs of the conventional plants. Besides, market prices behaviour will experience changes, such as the decrease of average prices and the increase of their variability. The positive e ects of an increased renewable installed capacity are also assessed. Furthermore, in countries with abundant solar resource, studying the effects of a higher share of renewable energy sources on the generation mix is necessary, including a high portion of photovoltaic and solar thermal energy in the generation portfolio. Therefore, a model of the concentrated solar power generators has been developed in this work. The results of the thermoelectric model supplies the annual production of this technology, which has been integrated in the generation schedule model. To analyse the impact of the future con guration of the generation mix on the power system, a model of unit commitment has been employed. It includes the characteristics and installed capacity of the generators using fuel and the estimation of the future production series of renewable energies. The results discussion contains an analysis of some relevant characteristics of the future power system behaviour, such as, daily market prices, yearly production by technology, capacity factors of the di erent technologies, wind spilled energy, ratio of demand coverage coming from renewable sources, hourly variation of the energy supplied by hydro, coal, and natural gas power plants, greenhouse emissions and operation costs. -------------------------------------
El objetivo de esta tesis es el estudio de la participación de las energías renovables en el sistema eléctrico español. Para ello, se han desarrollado dos tipos de estudios en este trabajo. Por un lado, el objetivo de la primera parte es la evaluación de la participación de los productores eólicos en el mercado eléctrico. Por otro lado, se estudiarán los efectos que se producen en el sistema eléctrico al incrementar la potencia renovable instalada. Debido a la naturaleza intermitente del viento y a su parcial predictibilidad, la participación de productores eólicos en el mercado de electricidad supone desvíos con respecto a la programación inicial, que implican costes. Utilizando herramientas de predicción eólica a corto plazo estas pérdidas pueden reducirse y, si el mercado permite actualizar las ofertas de potencia en los mercados intradiarios, los ingresos del productor eólico pueden incrementarse en un porcentaje signi cativo. Las pérdidas debidas a los desvíos de un productor eólico son importantes, y pueden ser reducidas mediante el uso de ofertas estratégicas. Para ello, en este estudio se emplea una herramienta que maximiza los ingresos de los productores eólicos en los mercados de electricidad. Mediante un proceso estocástico, se ha diseñado un algoritmo para la realización de ofertas estratégicas al mercado que tiene en cuenta las variables involucradas en el proceso, tales como predicción de la potencia eólica, y los precios de los mercados diario, intradiarios y de desvíos. Ya que el valor de estas variables no se conoce de antemano, se usa un programa de predicción de potencia eólica a corto plazo, que proporciona las variables de entrada para la herramienta de ofertas estratégicas. Además se han integrado módulos de predicción de los precios del mercado intradiario y de los desvíos en el proceso de optimización. El problema considerado determina la potencia óptima a ofertar en el mercado intradiario teniendo en cuenta la potencia ofertada previamente al mercado diario y considerando la incertidumbre de las variables aleatorias del problema. Se incluye también un análisis de riesgos que estudia los efectos en el sistema eléctrico de que los productores eólicos adopten estrategias de participación. Partiendo de datos históricos de producción eólica y predicciones se ha implementado un algoritmo que puede funcionar en tiempo real, obteniéndose, por tanto, resultados realistas. Las simulaciones se han realizado durante 10 meses en 2007 y 2010, proporcionando un análisis robusto de las diferentes estrategias aplicadas. Como consecuencia, este análisis contribuirá a la extracción de valiosas conclusiones con respecto a la participación de los productores eólicos en el mercado de electricidad español. El aumento de la capacidad de energía instalada procedente de fuentes renovables ha cambiado tanto el funcionamiento del sistema eléctrico como la operación de las centrales convencionales. Con respecto al último aspecto, las centrales eléctricas que usan combustibles fósiles han cambiado su modo de operación para adaptarse a la variabilidad y parcial predictabilidad de las fuentes de energía renovables. Este hecho incrementa los costes de operación de las centrales convencionales. Además, los precios del mercado eléctrico experimentarán cambios ante un incremento de la capacidad renovable, tales como la disminución de su precio medio y el aumento de su variabilidad. Adicionalmente, en países con un abundante recurso solar, es necesario estudiar los efectos de un aumento de la capacidad de energías renovable instaladas en el sistema eléctrico, que incluya una alta proporción de energía fotovoltaica y termoeléctrica en el mix de generación. Por tanto, se ha desarrollado un modelado de la tecnología termoeléctrica de concentración en este trabajo. Para analizar el impacto de la con guración futura del mix de generación en el sistema eléctrico se ha utilizado un modelo de programación horaria. Se ha incluido tanto las características como la potencia instalada de las centrales que utilizan combustibles fósiles, así como la estimación de las series futuras de producción de energías renovables. La discusión de resultados contiene un análisis de algunas características relevantes del comportamiento del sistema eléctrico futuro, tales como, precios del mercado diario, producción anual por tecnología, factores de capacidad de las distintas tecnologías, energía eólica vertida, ratio de cobertura de la demanda procedente de fuentes renovables, variación horaria de la energía suministrada por centrales hidráulicas convencionales, carbón y gas natural, emisiones de gases de efecto invernadero y costes de operación.
El objetivo de esta tesis es el estudio de la participación de las energías renovables en el sistema eléctrico español. Para ello, se han desarrollado dos tipos de estudios en este trabajo. Por un lado, el objetivo de la primera parte es la evaluación de la participación de los productores eólicos en el mercado eléctrico. Por otro lado, se estudiarán los efectos que se producen en el sistema eléctrico al incrementar la potencia renovable instalada. Debido a la naturaleza intermitente del viento y a su parcial predictibilidad, la participación de productores eólicos en el mercado de electricidad supone desvíos con respecto a la programación inicial, que implican costes. Utilizando herramientas de predicción eólica a corto plazo estas pérdidas pueden reducirse y, si el mercado permite actualizar las ofertas de potencia en los mercados intradiarios, los ingresos del productor eólico pueden incrementarse en un porcentaje signi cativo. Las pérdidas debidas a los desvíos de un productor eólico son importantes, y pueden ser reducidas mediante el uso de ofertas estratégicas. Para ello, en este estudio se emplea una herramienta que maximiza los ingresos de los productores eólicos en los mercados de electricidad. Mediante un proceso estocástico, se ha diseñado un algoritmo para la realización de ofertas estratégicas al mercado que tiene en cuenta las variables involucradas en el proceso, tales como predicción de la potencia eólica, y los precios de los mercados diario, intradiarios y de desvíos. Ya que el valor de estas variables no se conoce de antemano, se usa un programa de predicción de potencia eólica a corto plazo, que proporciona las variables de entrada para la herramienta de ofertas estratégicas. Además se han integrado módulos de predicción de los precios del mercado intradiario y de los desvíos en el proceso de optimización. El problema considerado determina la potencia óptima a ofertar en el mercado intradiario teniendo en cuenta la potencia ofertada previamente al mercado diario y considerando la incertidumbre de las variables aleatorias del problema. Se incluye también un análisis de riesgos que estudia los efectos en el sistema eléctrico de que los productores eólicos adopten estrategias de participación. Partiendo de datos históricos de producción eólica y predicciones se ha implementado un algoritmo que puede funcionar en tiempo real, obteniéndose, por tanto, resultados realistas. Las simulaciones se han realizado durante 10 meses en 2007 y 2010, proporcionando un análisis robusto de las diferentes estrategias aplicadas. Como consecuencia, este análisis contribuirá a la extracción de valiosas conclusiones con respecto a la participación de los productores eólicos en el mercado de electricidad español. El aumento de la capacidad de energía instalada procedente de fuentes renovables ha cambiado tanto el funcionamiento del sistema eléctrico como la operación de las centrales convencionales. Con respecto al último aspecto, las centrales eléctricas que usan combustibles fósiles han cambiado su modo de operación para adaptarse a la variabilidad y parcial predictabilidad de las fuentes de energía renovables. Este hecho incrementa los costes de operación de las centrales convencionales. Además, los precios del mercado eléctrico experimentarán cambios ante un incremento de la capacidad renovable, tales como la disminución de su precio medio y el aumento de su variabilidad. Adicionalmente, en países con un abundante recurso solar, es necesario estudiar los efectos de un aumento de la capacidad de energías renovable instaladas en el sistema eléctrico, que incluya una alta proporción de energía fotovoltaica y termoeléctrica en el mix de generación. Por tanto, se ha desarrollado un modelado de la tecnología termoeléctrica de concentración en este trabajo. Para analizar el impacto de la con guración futura del mix de generación en el sistema eléctrico se ha utilizado un modelo de programación horaria. Se ha incluido tanto las características como la potencia instalada de las centrales que utilizan combustibles fósiles, así como la estimación de las series futuras de producción de energías renovables. La discusión de resultados contiene un análisis de algunas características relevantes del comportamiento del sistema eléctrico futuro, tales como, precios del mercado diario, producción anual por tecnología, factores de capacidad de las distintas tecnologías, energía eólica vertida, ratio de cobertura de la demanda procedente de fuentes renovables, variación horaria de la energía suministrada por centrales hidráulicas convencionales, carbón y gas natural, emisiones de gases de efecto invernadero y costes de operación.
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Keywords
Renewable energies, Power systems, Spain