Συμβολή της αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας στην επάρκεια ισχύος των ηλεκτρικών συστημάτων

Abstract

Βασικός στόχος της παρούσας διατριβής είναι η αξιολόγηση των δυνατοτήτων συμβολής της αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας στην επάρκεια ισχύος των συστημάτων παραγωγής. Για το σκοπό αυτό αρχικά αναπτύσσεται πλήρες στοχαστικό μοντέλο εκτίμησης της επάρκειας ισχύος βασιζόμενο στην τεχνική προσομοιώσεων Monte Carlo. Εν συνεχεία παρουσιάζονται και αναπτύσσονται οι κυρίαρχες εναλλακτικές προσεγγίσεις για την εισαγωγή της αποθήκευσης στις μεθοδολογίες εκτίμησης της επάρκειας ισχύος που είναι σήμερα διαθέσιμες στη διεθνή βιβλιογραφία και ορίζεται η έννοια της ικανότητας συνεισφοράς σε ισχύ (capacity credit), που εκφράζει το ποσοστό της ισχύος των συστημάτων αποθήκευσης που συνιστά συμβολή στην επάρκεια του συστήματος. Στο πρώτο μέρος της εργασίας εκτιμάται η συμβολή της αποθήκευσης στην επάρκεια ισχύος, για ένα σύνολο εναλλακτικών σεναρίων που επιτρέπουν να αξιολογηθεί η επίδραση διαφορετικών παραγόντων στο capacity credit των αποθηκευτικών σταθμών. Στην ανάλυση αυτή εφαρμόζεται πολιτική διαχείρισης της αποθήκευσης που αποσκοπεί στην ελαχιστοποίηση του μη εξυπηρετούμενου φορτίου, όπως είθισται στη βιβλιογραφία. Παράγοντες που αξιολογούνται στο πλαίσιο της παραμετρικής ανάλυσης περιλαμβάνουν τα χαρακτηριστικά των αποθηκευτικών σταθμών και του συστήματος στο οποίο αυτοί εισάγονται. Συγκεκριμένα, εξετάζονται εναλλακτικά σενάρια τεχνολογίας (σταθμοί αντλησιοταμίευσης και συσσωρευτών), μεγέθους (ισχύος και χωρητικότητας), βαθμού απόδοσης και αξιοπιστίας των σταθμών αποθήκευσης, διαφορετικές καταστάσεις ανάπτυξης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) του συστήματος, όσον αφορά το μείγμα των τεχνολογιών και το επίπεδο διείσδυσής τους, ενώ εξετάζεται επιπλέον η επίδραση του επιπέδου επάρκειας του συστήματος και των χαρακτηριστικών αξιοπιστίας των μονάδων παραγωγής του στη υπολογιζόμενη συμβολή της αποθήκευσης στην επάρκεια ισχύος. Η συμβολή της αποθήκευσης στην επάρκεια ισχύος εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον τρόπο διαχείρισής της. Εντοπίζοντας τους περιορισμούς των διαθέσιμων προσεγγίσεων της βιβλιογραφίας, στο δεύτερο μέρος της εργασίας καταστρώνεται και αναπτύσσεται πρωτότυπη μεθοδολογία ενσωμάτωσης των αποθηκευτικών σταθμών στα στοχαστικά μοντέλα εκτίμησης της επάρκειας ισχύος των ηλεκτρικών συστημάτων. Η νέα μεθοδολογία έχει ως αφετηρία τη διαχείριση των αποθηκευτικών σταθμών με βάση τη συμμετοχή τους στις αγορές ηλεκτρισμού, η οποία υπόκειται σε ανακατανομή πραγματικού χρόνου (real-time redispatch) σύμφωνα με τις ανάγκες του συστήματος, ώστε να μεγιστοποιηθεί η συμβολή τους στην επάρκεια ισχύος όταν προκύπτουν γεγονότα βλαβών στα στοιχεία του συστήματος παραγωγής, που ενδέχεται να δημιουργήσουν έλλειμμα ισχύος. Στις καταστάσεις αυτές, η λειτουργία των αποθηκευτικών σταθμών τροποποιείται σε πραγματικό χρόνο με στόχο τη μείωση των περικοπών φορτίου, επιδιώκοντας παράλληλα την ελάχιστη δυνατή απόκλιση από το πρόγραμμα κατανομής βάσει του οποίου οι σταθμοί συμμετέχουν στην αγορά. Σε αντίθεση με τις συνήθεις προσεγγίσεις της βιβλιογραφίας, η προτεινόμενη μέθοδος δεν βασίζεται στην τέλεια πρόβλεψη μελλοντικών συμβάντων αξιοπιστίας, ούτε καταφεύγει σε μονοδιάστατες στρατηγικές διαχείρισης της αποθήκευσης, αμιγώς προσανατολισμένες στην ενίσχυση της επάρκειας του συστήματος, οι οποίες δεν αντικατοπτρίζουν μία ρεαλιστική πολιτική διαχείρισης οντοτήτων που συμμετέχουν στις αγορές. Αντίθετα, οι μονάδες αποθήκευσης ακολουθούν υπό κανονικές συνθήκες το πρόγραμμα κατανομής που υπαγορεύεται από τη συμμετοχή τους στις αγορές, από το οποίο δύνανται να παρεκκλίνουν σε πραγματικό χρόνο, όταν αυτό είναι απαραίτητο για λόγους επάρκειας. Η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόζεται για διαμορφώσεις σταθμών συσσωρευτών διαφορετικών μεγεθών και υπολογίζεται το επίπεδο αξιοπιστίας του συστήματος καθώς και το capacity credit των επιμέρους σταθμών, ενώ πραγματοποιείται συγκριτική αξιολόγησή της σε σχέση με τις διαθέσιμες τεχνικές της βιβλιογραφίας. Παράλληλα με την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων επάρκειας, η ανάλυση επιτρέπει τη συνολικότερη αποτίμηση της συμβολής της αποθήκευσης στη λειτουργία και το κόστος παραγωγής ενός ηλεκτρικού συστήματος. Στη συνέχεια, η προτεινόμενη μέθοδος ανακατανομής σε πραγματικό χρόνο επεκτείνεται σε συστήματα μπαταριών που αναπτύσσονται κατάντη του μετρητή (behind-the-meter) σε φωτοβολταϊκούς (Φ/Β) σταθμούς. Το πρόγραμμα κατανομής βάσει του οποίου οι Φ/Β σταθμοί με μπαταρία συμμετέχουν στην αγορά καταστρώνεται με στόχο τη μεγιστοποίηση των εσόδων τους και τροποποιείται σε πραγματικό χρόνο σύμφωνα με τις ανάγκες ισχύος του συστήματος, με εφαρμογή της μεθόδου ανακατανομής που αναπτύχθηκε. Παράλληλα με την προτεινόμενη μέθοδο εφαρμόζονται και οι υφιστάμενες στη βιβλιογραφία προσεγγίσεις κατανομής τέτοιων σταθμών στο πλαίσιο των μοντέλων εκτίμησης της επάρκειας και δείχνεται ότι οι προσεγγίσεις αυτές οριοθετούν το εύρος της δυνατής συμβολής των Φ/Β με μπαταρία στην επάρκεια ισχύος ενός συστήματος. Η προτεινόμενη και οι υφιστάμενες μέθοδοι εφαρμόζονται για πλήθος εναλλακτικών διαμορφώσεων Φ/Β με μπαταρία και υπολογίζονται και συγκρίνονται τα επίπεδα επάρκειας του συστήματος και το capacity credit των σταθμών υπό κάθε εναλλακτική. Η συμβολή στην επάρκεια ισχύος μπαταριών που ενσωματώνονται σε Φ/Β σταθμούς συγκρίνεται με αυτή αντίστοιχων αυτόνομων σταθμών μπαταριών, εφαρμόζοντας και στις δύο περιπτώσεις την προτεινόμενη μεθοδολογία ανακατανομής πραγματικού χρόνου.