Estudio de fiabilidad de sistemas de generación eléctricas de potencia futuros con alta integración de fuentes de energía renovable

Abstract

La integración de las energías renovables en los sistemas eléctricos es un hecho totalmente establecido, así como su previsión de expansión en las próximas décadas. Su expansión futura se prevé que incluso cubra toda la generación sustituyendo a la generación térmica convencional que actualmente participa en los sistemas. Por ello, la pregunta que surge es si la energía renovable será capaz de asegurar el suministro de energía eléctrica tal y como lo conocemos actualmente, garantizando una alta disponibilidad a un coste asumible para todos los consumidores. Este incremento en la penetración renovable supone una gran influencia en la fiabilidad de los sistemas principalmente motivado por la gran incertidumbre asociada a las tecnologías renovables. Este estudio surge por la necesidad de conocer cómo se verá afectada la fiabilidad de los sistemas eléctricos, tanto en términos de adecuación como en flexibilidad. El primero de ellos está relacionado con la capacidad que necesita el sistema para suministrar una cierta demanda mientras que el segundo se relaciona con cómo debe ser la composición de esa generación para poder adaptarse a los cambios que se producen en dicha demanda. El conocimiento de la fiabilidad de los sistemas eléctricos se realiza mediante los análisis de fiabilidad. A través de estos análisis se puede evaluar cómo será la fiabilidad de los sistemas eléctricos que se han planificado para el futuro próximo, tanto a medio como a largo plazo. En este trabajo se desarrolla la metodología necesaria para realizar las evaluaciones de fiabilidad que se aplican a los diferentes casos de estudio expuestos para caracterizar el efecto a la fiabilidad de diferentes tecnologías. La metodología de evaluación de la fiabilidad que permite obtener un enfoque correcto para analizar la incertidumbre de las energías renovables es la basada en el análisis probabilístico de cada uno de los recursos (eólicos y solares). Este enfoque se complementa además con la herramienta de cálculo Monte-Carlo secuencial siendo ésta una de las más adecuadas para la resolución de problemas estocásticos con gran cantidad de variables aleatorias. Previo a la evaluación de fiabilidad de los sistemas eléctricos, se debe desarrollar en conjunto una metodología para caracterizar los sistemas eléctricos. Esta caracterización se lleva a cabo por medio de modelos que permiten simular el comportamiento de cada tecnología y sistema considerado mediante series temporales de generación eléctrica. Este trabajo está enfocado en el análisis de la situación del sistema eléctrico español y por ello, el trabajo implementa diferentes modelos de tecnología que son: eólica, solar fotovoltaica, solar térmica de concentración, hidráulica de embalse, bombeo hidráulico, almacenamiento por baterías electroquímicas, carbón, ciclo combinado y nuclear. Todas estas tecnologías se implementan en un modelo de sistema eléctrico que permite integrar todas ellas y que está enfocado en el análisis de aquellas que se ven afectadas por el clima. Los casos de estudio presentados persiguen el objetivo de conocer cómo es la fiabilidad futura del sistema eléctrico español. La consecución del mismo se lleva a cabo mediante el planteamiento de dos casos de estudio separados. Por un lado, el caso relacionado con la adecuación del sistema y por otro lado el relacionado con la flexibilidad. La evaluación de la adecuación se ha planteado calculando la fiabilidad del sistema en diferentes escenarios. Cada uno de los escenarios corresponde a diferentes marcos temporales que representan etapas sucesivas de incremento renovable. El caso de estudio tratado permite observar la baja contribución de las energías renovables, tanto eólica como solar, a la fiabilidad de los sistemas eléctricos a pesar de aumentar de forma considerable la capacidad del sistema. A pesar de estos resultados, cabe destacar que la participación eólica a la fiabilidad es más constante que la solar fotovoltaica. Esta última presenta buenos resultados de contribución a la fiabilidad cuando el sistema integra poco porcentaje solar pero malos resultados cuando la integración es alta o muy alta. El principal factor que afecta a la contribución a la fiabilidad de estas tecnologías es la correlación que existe entre su producción de energía y el consumo de la misma por parte de la demanda. Cuando el consumo y generación no están correlacionados se imposibilita la situación en la que las tecnologías eólica y solar son las únicas fuentes renovables a no ser que su capacidad supere en varias veces la capacidad demandada. Desde el lado de la flexibilidad, este trabajo incluye un caso de estudio en el que se analiza qué capacidad de respaldo necesita una cierta cantidad de generación renovable compuesta de forma completa por eólica y solar fotovoltaica. Este análisis, que representa el escenario base de estudio, se extiende añadiendo más escenarios representando la situación española en la que existe, además, gran capacidad hidráulica y almacenamiento por medio del bombeo hidráulico. El caso de estudio muestra que los sistemas requieren de cierta capacidad gestionable para poder integrar la energía renovable de carácter intermitente y no gestionable. En otras palabras, poder correlacionar la generación y la demanda para el correcto funcionamiento de un sistema eléctrico. Si se suma el efecto de la generación hidráulica junto con el balance que puede realizar el bombeo a través de su intermitencia entre consumo/generación, los resultados observados muestran una reducción de las necesidades de generación de respaldo. La principal conclusión que muestra el estudio referente a la situación española es que la capacidad actual que existe de generación de ciclo combinado permite integrar generación renovable hasta un máximo de alrededor al 80%. Por tanto, esta cantidad de generación actual permitiría compensar la variabilidad renovable.

The integration of renewable energies in electrical power systems is a fully established fact, as well as its forecast for expansion planning in the upcoming decades. Its future expansion is expected to cover all generation, replacing the conventional thermal generation that currently participates in power systems. Therefore, the question that arises is whether renewable energy will be able to ensure the supply of electrical energy as it is presently, guaranteeing high availability at an affordable cost for all consumers. This increment in renewable penetration has a great influence on the reliability of the systems, mainly due to the great uncertainty associated with renewable technologies. This study arises from the need to know how the reliability of power systems will be affected, in terms of adequacy and flexibility. Adequacy is related to the capacity that the system needs to have in order to supply a certain demand, while flexibility is related to how the composition of that generation must be with the purpose of adapting the changes that occurs in demand. The knowledge of power system reliability is carried out through reliability analyses. Through these analyses, it is possible to assess which level of reliability future planned power systems will have, both medium and long term. This work develops the necessary methodology to carry out reliability evaluations that later will be applied to the proposed cases of studies to characterize the effect on the reliability of different technologies. To obtain a correct approach for reliability studies, in which the uncertainty of renewable energies is considered, it is required to apply a probabilistic analysis for each resource. This approach is complemented by the sequential Monte-Carlo calculation tool that is one of the most suitable for solving stochastic problems with a large number of random variables. Before evaluating the reliability of electrical systems, a methodology should be developed to characterize electrical power systems. This characterization is carried out by means of models to represent behaviour of each technology and the whole system when all of them are simulated through time series of electricity generation. This work is focused on Spanish power system and, for this reason, this study implements models for the different technology included in that power system which are: wind, photovoltaic solar, concentration solar thermal, reservoir hydraulics, hydraulic pumping, storage by electrochemical batteries, coal, combined cycle and nuclear. All these technologies are implemented in an electrical system model that integrates all of them as the whole generation fleet. This power system model named "weather-driven model" is based on the analysis of those generation particularly affected by the climate The cases of study presented pursue the objective of knowing what the future reliability of the Spanish electricity system is like. These cases of study are divided into two categories. On the one hand, the case related to the adequacy of the power system and, on the other hand, the one related to power system flexibility. The adequacy evaluation has been proposed calculating the reliability of the system in different scenarios. Each of the scenarios corresponds to different time frames that represent successive stages of renewable penetration. The case study accomplished shows the low participation of renewable energies, both wind and solar, in the electrical power systems reliability regarding the considerably increment in the power capacity of the system. Despite these results, it should be noted that the wind contribution to the reliability is more constant than solar photovoltaic. The latter presents good results of contribution to reliability when the system integrates a small percentage of solar penetration but bad results when the integration is high or very high. The main factor affecting the contribution to the reliability of these technologies is the correlation between their energy production and demand consumption. When consumption and generation are not correlated, the situation in which wind and solar technologies are the only renewable sources is impossible unless their capacity exceeds the demanded capacity several times over. From the flexibility side, this work includes a case study in which the backup capacity required by a certain amount of renewable generation made up entirely of wind and solar PV is analysed. This analysis, which represents the base scenario for the study, is extended by adding more scenarios representing the Spanish situation in which there is also high hydraulic capacity and storage through hydraulic pumping. The case study shows that the systems require a certain dispatchable capacity to be capable of integrate the intermittent and non-manageable renewable energy. In other words, to modify the mismatch between the renewable generation and demand, in order to make possible the correct operation of an electrical system. If the effect of the hydraulic generation is added together with the balance that the pumping can make through its intermittency between consumption / generation, the observed results show a reduction in the needs for backup generation and the energy curtailment. The main conclusion that this study shows for the Spanish situation is that the current capacity of combined cycle generation allows integrating renewable generation up to a maximum of around 80%. Therefore, this amount of generation would compensate for the renewable variability.