Συμβολή Υδροηλεκτρικών Σταθμών στην Επάρκεια Ισχύος του Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας

Abstract

(el) Ο στόχος επίτευξης ενεργειακής ουδετερότητας που έχει τεθεί μεταξύ των κρατών-μελών της Ευρωπαϊκής ́Ενωσης, επιφέρει σημαντικές αλλαγές στη διαμόρφωση των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ), με κυριότερες την σταδιακή απόσυρση των θερμικών μονάδων παραγωγής προς όφελος της εδραίωσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). Για να εξασφαλιστεί η επάρκεια ισχύος σε ένα απανθρακοποιημένο σύστημα ενέργειας υψηλής διείσδυσης ΑΠΕ, απαιτούνται ευέλικτες μονάδες βάσης, ικανές να καλύπτουν τις διακυμάνσεις του φορτίου και να δρουν συμπληρωματικά στην απρόβλεπτη ανανεώσιμη παραγωγή. Τέτοιες μονάδες στα υφιστάμενα ΣΗΕ αποτελούν οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί παραγωγής (ΥΗΣ) και οι μονάδες αποθήκευσης. ∆ιαπιστώνεται, ωστόσο, πως, η υδροηλεκτρική παραγωγή εντάσσεται με μονοδιάστατο τρόπο στις ισχύουσες μελέτες επάρκειας των συστημάτων ενέργειας, με αποτέλεσμα να μην αξιολογείται ορθά η ικανότητα συμβολής της στην αξιοπιστία του συστήματος. Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύσσεται μια νέα μεθοδολογία μοντελοποίησης των ΥΗΣ με και χωρίς δυνατότητα άντλησης στο πλαίσιο των μελετών επάρκειας ισχύος του ΣΗΕ. Η κεντρική ιδέα της μεθόδου έγκειται στον έλεγχο κάλυψης της Σήτησης του συστήματος και την αναπροσαρμογή της λειτουργίας των ΥΗΣ σε πραγματικό χρόνο με σκοπό τον μετριασμό των γεγονότων απώλειας φορτίου, χωρίς η λειτουργία τους να αποκλίνει σημαντικά από μια θεωρούμενη βέλτιστη προγραμματισμένη λειτουργία. Σε περίπτωση εμφάνισης ανεπάρκειας, οι ΥΗΣ καλούνται να συνεισφέρουν στο σύστημα, τηρουμένων των τεχνικών και λειτουργικών τους ορίων. Μετά το πέρας του γεγονότος ανεπάρκειας, επιδιώκεται η επαναφορά τους στην προγραμματισμένη λειτουργία, η οποία εξασφαλίζει την ελαχιστοποίηση του κόστους λειτουργίας του συστήματος. Λαμβάνονται υπόψη, επίσης, οι μη προγραμματισμένες βλάβες των μονάδων αυτών, καθώς και λοιποί σκοποί τους οποίους εξυπηρετούν πέραν της ηλεκτροπαραγωγής (ανάγκες άρδευσης, ύδρευσης). Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η ρεαλιστική προσομοίωση της λειτουργίας των ΥΗΣ, λαμβάνοντας υπόψιν το εύρος δυνατοτήτων αλλά και τους πραγματικούς περιορισμούς τους. Μέσω της εφαρμογής της μεθόδου εξάγονται οι βασικοί δείκτες επάρκειας ισχύος, LOLE (Loss of Load Expectation) και EENS (Expectation of Energy Not Supplied), καθώς και η ικανότητα συνεισφοράς των μονάδων στην επάρκεια του συστήματος (Capacity Value). Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας αναδεικνύεται μέσω της υλοποίησης σε ΣΗΕ διαφορετικού επιπέδου επάρκειας και μέσω της σύγκρισής με τις διαδεδομένες πολιτικές διαχείρισης των ΥΗΣ (Peak Shaving και Capacity Expansion Planning) στις μελέτες επάρκειας ισχύος. Σε όλα τα σενάρια εφαρμογής, η προτεινόμενη μέθοδος επιφέρει σταθερά υψηλές τιμές ικανότητας συνεισφοράς ισχύος, χάρη στη δυνατότητα αναπροσαρμογής της λειτουργίας των ΥΗΣ σε πραγματικό χρόνο, ενώ παράλληλα αποτελεί την πιο πλήρη και αντιπροσωπευτική μοντελοποίηση των μονάδων, συγκριτικά με τις λοιπές τεχνικές. Το επίπεδο επάρκειας του συστήματος υπολογίζεται με την τεχνική προσομοίωσης Monte Carlo και το υπό εξέταση ΣΗΕ αποτελείται από θερμικές μονάδες, ΑΠΕ, μονάδες αποθήκευσης και υδροηλεκτρικούς σταθμούς. Η συμβολή των ΥΗΣ στην επάρκεια εξετάζεται τόσο ανά τεχνολογία σταθμών - με και χωρίς δυνατότητα άντλησης - όσο και από κοινού. (en) The net-zero energy target agreed by EU Member States provides for the fundamental transformation of existing power systems, including the gradual decommissioning of thermal power plants in favor of amplified renewable energy sources (RES) penetration in the energy mix. In such a RES-dominated landscape, flexible assets, such as hydropower and storage stations, are required to complement intermittent renewable generation and mitigate any loss of load events, thus allowing the system to preserve acceptable resource adequacy levels. However, specifically regarding resource adequacy studies, the literature review findings showcase that hydropower plants (HPPs) are modeled in a rather simplistic manner, which fails to fully capture their ability to contribute to system reliability. The main objective of this dissertation is the development of a novel methodology for modeling both traditional HPPs and open-loop pumped storage HPPs in the context of resource adequacy studies. The underlying assumption of the proposed methodology is that the HPPs should contribute to system adequacy to the maximum extent, adhering to their technical constraints and utilizing the energy reserves maintained in their upper reservoirs while, at the same time, avoiding severe deviations from their market schedule. For the realization of the latter, the proposed algorithm ensures that at the end of a disturbance event, a corrective action takes place to restore the power output of HPPs to scheduled levels. This remedial action is an important feature of the proposed model, as it guarantees the continuity of market decisions after the clearance of unexpected loss of load events. The proposed methodology accounts for the unscheduled outages of hydropower units occurring during real-time operation. It further considers the operation of hydropower fleet for purposes other than electrification, including mandatory water outflows to cover irrigation and water supply needs. Hence, a realistic simulation of the HPPs’ operation is achieved, taking into account their full potential to contribute to adequacy while respecting their inherent constraints. The application of the method derives the key adequacy indices, namely LOLE (Loss of Load Expectation) and EENS (Expectation of Energy Not Supplied), as well as the Capacity Value of HPP assets, calculated by the Equivalent Firm Capacity (EFC) metric. The effectiveness of the proposed methodology is demonstrated through its implementation in power systems with different levels of adequacy and by comparing it with the widely used HPP modeling methods in resource adequacy studies (Peak Shaving and Capacity Expansion Planning). In all study cases, the proposed methodology yields consistently high capacity values due to its ability to redispatch the operation of HPPs in real-time, while providing the most consistent and representative modeling of HPPs compared to other techniques. Resource adequacy is performed using the Monte Carlo simulation technique. The contribution of HPPs to system adequacy is assessed both per plant technology - with and without pumping capability - and in terms of how they cooperate.