Ολοκληρωμένο πλαίσιο για την εκτίμηση της αξίας της αποθήκευσης ενέργειας στη λειτουργία του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

In this PhD thesis, the value of energy storage in the operation of the Power System (PS) is examined within a medium-term horizon. Energy storage can contribute to managing the stochastic generation of Renewable Energy Sources (RES), reducing necessary curtailments for PS operation security reasons, and its presence generally enhances system flexibility. Within this thesis, two distinct architectural simulation models of PS operation in a medium-term horizon are developed. These models enable the estimation of the operational value of storage, namely the market value associated with revenues received by energy storage plants from all individual energy markets and the system value defined as the specific benefit of PS concerning the addition of storage power/capacity. The first architecture includes an innovative methodological approach considering the principle of energy and reserves co-optimization conducted within the Day-Ahead Market (DAM) framework. This approach utilizes mixed-integer (0/1) linear formulation of the classical Unit Commitment (UC) problem from the perspective of the Transmission System Operator (TSO), enabling realistic and precise modeling of the operation phases and conditions of both conventional generation units and storage units. In this context, multiple availability scenarios of thermal units are generated, which are combined with different climate scenarios (load demand, RES, and hydro production), thus forming a considerable number of simulation scenarios. The execution of simulation scenarios was performed using parallel processing via the "Aristotle" institutional High-Performance Computing (HPC) cluster of the Aristotle University of Thessaloniki (AUTh). The second architecture involves an integrated and cohesive framework for rolling resolution of individual short-term markets, the DAM, the Integrated Scheduling Processes (ISPs), as well as real-time examination through the rolling resolution of the Economic Dispatch (ED) problem, with variable scheduling horizon. In this framework, load and RES production stochasticity are introduced through prediction error modeling to quantitatively and qualitatively explore the change in the value of energy storage as the examination is conducted closer to physical delivery, specifically during real-time operation. Thus, in addition to solving the DAM (as in the first architecture), ISP programs are successively solved, on a pre-day and intra-day basis, as well as the Real-Time Market (RTM) using Linear Programming (LP). For all individual solutions, load and RES production forecasts are updated with decreasing prediction error as real-time approaches. The proposed optimization models for both architectures were applied to the future PS of the interconnected system of Greece (year 2025), which considers relevant forecasts of the approved Greek National Energy and Climate Plan (NECP) of December 2019, as well as forecasts of the Greek TSO. Based on these, the results regarding the operation and value of energy storage in Greece were thoroughly analysed.

Στην παρούσα διατριβή εξετάζεται η αξία της αποθήκευσης ενέργειας στη λειτουργία του Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) σε μεσοπρόθεσμο ορίζοντα. Η αποθήκευση δύναται να συμβάλλει στη διαχείριση της στοχαστικής παραγωγής των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ), μειώνοντας τις αναγκαίες, για λόγους ασφάλειας της λειτουργίας του ΣΗΕ, περικοπές τους και η παρουσία της αυξάνει εν γένει την ευελιξία του συστήματος. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής αναπτύσσονται δύο επιμέρους αρχιτεκτονικές μοντέλων προσομοίωσης της λειτουργίας του ΣΗΕ σε μεσοπρόθεσμο ορίζοντα, βάσει των οποίων είναι δυνατή η εκτίμηση της λειτουργικής αξίας της αποθήκευσης, ήτοι της αγοραίας αξίας που σχετίζεται με τα έσοδα που λαμβάνουν οι σταθμοί αποθήκευσης ενέργειας από όλες τις επιμέρους αγορές ενέργειας και της συστημικής αξίας που ορίζεται ως το ειδικό όφελος του ΣΗΕ σε σχέση με την προσθήκη ισχύος/χωρητικότητας αποθήκευσης. Η πρώτη αρχιτεκτονική περιλαμβάνει μια καινοτόμα μεθοδολογική προσέγγιση, η οποία λαμβάνει υπόψη την αρχή της συν-βελτιστοποίησης ενέργειας και εφεδρειών που πραγματοποιείται στο πλαίσιο της Αγοράς Επόμενης Ημέρας (ΑΕΗ). Στην εν λόγω προσέγγιση χρησιμοποιείται μικτή ακέραια (0/1) γραμμική διατύπωση του κλασικού προβλήματος Ένταξης Μονάδων (ΕΜ) εξετάζοντάς το από την πλευρά του Διαχειριστή Συστήματος Μεταφοράς (ΔΣΜ), η οποία επιτρέπει τη ρεαλιστική και ακριβή μοντελοποίηση των φάσεων και των συνθηκών λειτουργίας τόσο των συμβατικών μονάδων παραγωγής όσο και των μονάδων αποθήκευσης. Στο πλαίσιο αυτό δημιουργούνται πολλαπλά σενάρια διαθεσιμότητας θερμικών μονάδων, τα οποία συνδυάζονται με διαφορετικά σενάρια κλιματικών συνθηκών (ζήτηση φορτίου, ΑΠΕ και υδροηλεκτρική παραγωγή) διαμορφώνοντας έτσι ένα αρκετά μεγάλο πλήθος σεναρίων προσομοίωσης. Η εκτέλεση των σεναρίων προσομοίωσης πραγματοποιήθηκε με χρήση παράλληλης επεξεργασίας μέσω των υπερυπολογιστών της ιδρυματικής συστοιχίας “Αριστοτέλης” του ΑΠΘ. Η δεύτερη αρχιτεκτονική περιλαμβάνει ένα ολοκληρωμένο και συνεκτικό πλαίσιο κυλιόμενης επίλυσης επιμέρους βραχυπρόθεσμων αγορών, της Προημερήσιας ΑΕΗ και των Διαδικασιών Ενοποιημένου Προγραμματισμού (ΔΕΠ) καθώς επίσης και της εξέτασης σε πραγματικό χρόνο μέσω της κυλιόμενης επίλυσης του προβλήματος της Οικονομικής Κατανομής Φορτίου (ΟΚΦ), με μεταβλητό ορίζοντα προγραμματισμού. Στο πλαίσιο αυτό, η στοχαστικότητα του φορτίου και της παραγωγής ΑΠΕ εισάγεται μέσω της μοντελοποίησης του σφάλματος πρόβλεψης προκειμένου, εν τέλει, να διερευνηθεί ποσοτικά και ποιοτικά η μεταβολή της αξίας της αποθήκευσης ενέργειας όσο η εξέταση πραγματοποιείται σε χρόνο εγγύτερα στη φυσική παράδοση και συγκεκριμένα κατά τη λειτουργία σε πραγματικό χρόνο. Ως εκ τούτου, επιπρόσθετα της επίλυσης της ΑΕΗ (όπως γίνεται και στην πρώτη αρχιτεκτονική), επιλύονται διαδοχικά τα προγράμματα ΔΕΠ, σε προημερήσια και ενδοημερήσια βάση, καθώς και η Αγορά Πραγματικού Χρόνου (ΑΠΧ) με χρήση Γραμμικού Προγραμματισμού (ΓΠ). Για όλες τις επιμέρους επιλύσεις οι προβλέψεις φορτίου και παραγωγής από ΑΠΕ ανανεώνονται με μειούμενο σφάλμα πρόβλεψης, όσο πλησιάζει ο πραγματικός χρόνος. Τα προτεινόμενα μοντέλα βελτιστοποίησης και για τις δύο παραπάνω αρχιτεκτονικές εφαρμόστηκαν στο μελλοντικό ΣΗΕ του διασυνδεδεμένου συστήματος της Ελλάδας (έτος 2025), το οποίο λαμβάνει υπόψη τις σχετικές προβλέψεις του εγκεκριμένου ελληνικού Εθνικού Σχεδίου Ενέργειας και Κλίματος (ΕΣΕΚ), του Δεκεμβρίου 2019, καθώς και τις σχετικές προβλέψεις του ΔΣΜ της Ελλάδας και βάσει αυτών αναλύθηκαν διεξοδικά τα αποτελέσματα αναφορικά με τη λειτουργία και την αξία της αποθήκευσης ενέργειας στην Ελλάδα.