Feasibility of wind-solar hybrid power plant in the Nordic area

Abstract

The need for renewable energy investments is accelerating in Europe. That is due to the ambitious targets for reducing greenhouse gas emissions in the coming years. Moreover, the recent war in Ukraine has highlighted the importance of the security of supply and the necessity of reducing the dependency on fossil fuels.

The goal of this thesis is to study the feasibility of wind-solar hybrid power plant and whether the approach could improve the competitiveness of solar PV in the Nordic area. The research is performed by first analysing the possible savings that could be achieved in a hybrid approach. Furthermore, a case study of a Finnish site locating in the coastal area is implemented. Hourly wind and solar radiation data is used to calculate the required solar power curtailment with different ratio of the capacities. Lastly, the magnitude of the needed savings to compensate the curtailment is studied by analysing the LCOE of a hybrid and a stand-alone power plant.

Based on the study the highest CAPEX saving potential would be related to the network infrastructure. Interesting opportunity for the future are the savings made in the financing of the projects as long as more experience of such hybrid power plants is gained. Considering the OPEX savings, the highest potential is estimated to be in the administrative tasks of the power plants and the civil maintenance on the site. The ability to provide ancillary services to the grid is also seen as a possibility for a hybrid power plant.

The case study suggests that the required solar curtailment would be approximately 5–10 % of the annual production when the peak solar capacity as proportion of wind would be 10–100 %. If no OPEX savings would be considered, the CAPEX savings would have to be about 6–10 % to make a power plant with 10–60 % peak solar capacity relative to wind feasible. Considering OPEX savings would further decrease the required CAPEX savings. If savings of that magnitude would be achieved, the new approach could possibly improve the competitiveness of solar PV in the Nordic area based on the hourly analysis.

Tarve uusiutuvan energian investoinneille Euroopassa kasvaa. Tämä johtuu tulevien vuosien kunnianhimoisista kasvihuonekaasupäästöjen vähentämistavoitteista. Myös viimeaikainen sota Ukrainassa on korostanut toimitusvarmuuden merkitystä sekä tarvetta vähentää riippuvuutta fossiilisista polttoaineista.

Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia hybridi tuuli- ja aurinkovoimalaitoksen käyttökelpoisuutta ja sitä, voisiko lähestymistapa parantaa aurinkovoiman kilpailukykyä pohjoismaisella alueella. Tutkimus toteutetaan analysoimalla ensin hybridilaitoksella saavutettavia säästöjä. Tämän lisäksi tehdään tapaustutkimus Suomen rannikolla sijaitsevasta hankealueesta. Tuulen ja auringon säteilyn tuntidataa hyödyntäen lasketaan aurinkovoiman alas säädön määrä erilaisilla kapasiteettien suhteilla. Tarvittavia kustannussäästöjä alas säätöä kompensoimaan tutkitaan tasoitetulla tuotantokustannuksella (LCOE) hybridi- ja erillislaitosten osalta.

Tutkimuksen perusteella suurin pääomamenojen (CAPEX) säästöpotentiaali on verkkoinfrastruktuurissa. Mielenkiintoisena tulevaisuuden mahdollisuutena on säästöt projektirahoitukseen liittyen, kunhan riittävästi kokemusta hybridihankkeista kertyy. Operatiivisten kustannusten (OPEX) osalta suurin säästöpotentiaali liittyy voimalaitosten hallinnollisiin tehtäviin sekä hankealueen kunnossapitoon. Myös valmius tarjota sähköverkolle oheispalveluita (ancillary service) voidaan nähdä mahdollisuutena hybridivoimalaitokselle.

Tapaustutkimuksen perusteella aurinkovoiman alas säädön tarve olisi noin 5–10 % vuotuisesta tuotannosta aurinkovoimalan nimellistehon (peak capacity) ollessa 10–100 % tuulivoimakapasiteetista. Mikäli operatiivisia kustannussäästöjä ei huomioida, pääomamenojen säästöjen tulisi olla noin 6–10 %, jotta voimalaitos aurinkovoiman 10–60 % suhteellisella kapasiteetilla olisi käyttökelpoinen. Mahdollisten operatiivisten kustannussäästöjen huomioiminen pienentäisi edelleen vaadittavia pääomamenojen säästöjä. Mikäli mainitun kokoluokan säästöt saavutettaisiin, voisi uusi lähestymistapa parantaa aurinkovoiman kilpailukykyä pohjoismaisella alueella tuntitason analyysin perusteella.