Analysing flexibility in energy system investment planning - Impact of variable renewable energy, temporal structures and operational constraints

Loading...
Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2024-03-15

Date

2024

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

128 + app. 160

Series

Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 44/2024

Abstract

The proliferation of wind and solar energy increases the flexibility needs of power systems on multiple temporal and spatial scales. While various technologies exist and are being developed that can provide flexibility, exploring the interactions and roles of new and existing technologies in flexibility provision requires investment planning models which can correctly capture temporal, spatial, sectoral and technological diversity, and detail. Being aware of the most important details and the state-of-the-art methods for modelling them will facilitate higher quality planning results and help avoid misguided investment decisions. This dissertation focuses on developing and exploring methods and frameworks for assessing the need for and provision of flexibility when planning energy system investments. The methods should be able to capture important temporal variations, as well as the necessary operational constraints of energy systems. In addition, a number of case studies were carried out to explore the sensitivity of electricity prices, the role of conventional thermal power plants and the benefits of different energy technologies in future energy systems. The case studies provide insight into the type of power system flexibility needed with increasing shares of wind and solar energy, as well as insight into further modelling needs. The temporal representation of the investment planning model is shown to significantly impact the total system costs resulting from the planning outcome. Correctly capturing extreme periods and interannual variations in weather are key to enhancing resource adequacy considerations. Similarly, intra-annual variations need to be captured using, for example, appropriately selected representative days or weeks. According to the results, the best selection method and the sufficient number of selected periods depend on system characteristics. The results also suggest that the modelling of power plant start-ups and shutdowns, ramp rates, as well as simplified stability requirements and reserve products generally has less impact on total costs than the various possible temporal representations. However, correctly capturing the flexibility of sector-coupling technologies is demonstrated to have a significant impact. Investment planning capabilities and additional features related to flexibility were included in Backbone, an adaptable energy system modelling framework, which is also available as opensource software. Backbone can be utilised to create models for studying the design and operation of high-level large-scale and fully detailed smaller-scale energy systems from various perspectives.

Tuulivoiman ja aurinkoenergian yleistyminen lisää sähköjärjestelmien joustotarpeita useissa aikaja paikkariippuvissa mittakaavoissa. Joustojen tarjontaan on olemassa ja kehitteillä erilaisia teknologioita. Jotta uusien ja olemassa olevien teknologioiden vuorovaikutuksia ja rooleja joustojen tarjonnassa voitaisiin tutkia, tarvitaan kuitenkin investointien suunnittelumalleja, jotka pystyvät huomioimaan ajallisen, alueellisen, sektorikohtaisen ja teknologisen moninaisuuden ja yksityiskohtaisuuden. Tärkeimpien yksityiskohtien ja parhaina pidettyjen mallintamismenetelmien huomioiminen auttaa saamaan laadukkaampia suunnittelutuloksia ja välttämään virheellisiä investointipäätöksiä. Tämä väitöskirja keskittyy tutkimaan ja kehittämään menetelmiä ja mallinnuskehikoita joustojen tarpeen ja tarjonnan arvioimiseksi energiajärjestelmäinvestointien suunnittelussa. Menetelmien on pystyttävä huomioimaan sekä tärkeät ajalliset vaihtelut että energiajärjestelmien käyttöön liittyvät olennaiset rajoitukset. Väitöskirjassa tehtiin lisäksi useita tarkasteluja, joissa selvitettiin sähkön hinnan herkkyyttä, perinteisten lämpövoimaloiden roolia ja eri energiateknologioiden etuja tulevaisuuden energiajärjestelmissä. Tarkastelut auttavat hahmottamaan, minkä tyyppistä joustavuutta sähköjärjestelmissä tarvitaan tuulivoiman ja aurinkoenergian osuuden kasvaessa. Lisäksi tarkastelut auttoivat hahmottamaan lisämallinnustarpeita. Investointisuunnittelumallin ajallisen kuvauksen osoitetaan vaikuttavan merkittävästi suunnittelun tuloksen perusteella saataviin järjestelmän kokonaiskustannuksiin. Sään ääriilmiöiden ja vuosittaisten vaihteluiden edustava kuvaaminen on tärkeää energiajärjestelmän resurssien riittävyyden huomioimisen kannalta. Vastaavasti vuosien sisäiset vaihtelut on huomioitava esimerkiksi tarkoin valittujen edustavien päivien tai viikkojen avulla. Tulosten perusteella paras valintatapa ja valittujen jaksojen riittävä määrä riippuu järjestelmän ominaisuuksista. Tulokset viittaavat myös siihen, että voimalaitosten ylösajojen, alasajojen ja tehotason muutosten mallinnus sekä joidenkin yksinkertaistettujen stabiiliusrajoitteiden ja reservivaatimusten huomioiminen vaikuttavat järjestelmän kokonaiskustannuksiin yleensä vähemmän kuin erilaiset aikarakenteen mallinnustavat. Sektorikytkentäteknologioiden joustavuuden kuvauksella osoitetaan kuitenkin olevan merkittävä vaikutus. Väitöskirjassa kehitettiin energiajärjestelmien mallinnukseen tarkoitettua Backbone-työkalua lisäämällä mahdollisuus investointien suunnitteluun ja lisäominaisuuksia joustavuuden huomioimiseen. Työkalu on saatavilla avoimen lähdekoodin ohjelmistona. Työkalun avulla voidaan luoda malleja sekä laajojen että pienten energiajärjestelmien suunnittelun ja käytön tutkimiseen eri näkökulmista.

Description

Supervising professor

Lehtonen, Matti, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland

Thesis advisor

Kiviluoma, Juha, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland, Finland

Keywords

energy system modelling, energy system optimisation, operational constraints, power system planning, solar energy, time series reduction, wind power, aikasarjojen redusointi, aurinkoenergia, energiajärjestelmien mallinnus, energiajärjestelmien optimointi, käyttötoiminnan rajoitteet, sähköjärjestelmien suunnittelu, tuulivoima

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Helistö, Niina; Kiviluoma, Juha; Holttinen, Hannele. Sensitivity of electricityprices in energy-only markets with large amounts of zero marginal costgeneration. In International Conference on the European Energy Market,EEM, Dresden, Germany, June 2017.
    DOI: 10.1109/EEM.2017.7981893 View at publisher
  • [Publication 2]: Kiviluoma, Juha; Rinne, Erkka; Helistö, Niina. Comparison of flexibilityoptions to improve the value of variable power generation. InternationalJournal of Sustainable Energy, Vol. 37 Iss. 8, pp. 761-781, 2018.
    DOI: 10.1080/14786451.2017.1357554 View at publisher
  • [Publication 3]: Helistö, Niina; Kiviluoma, Juha; Holttinen, Hannele. Long-term impact ofvariable generation and demand side flexibility on thermal power generation.IET Renewable Power Generation, Vol. 12 Iss. 6, pp. 718-726, April 2018.
    DOI: 10.1049/iet-rpg.2017.0107 View at publisher
  • [Publication 4]: Helistö, Niina; Kiviluoma, Juha; Holttinen, Hannele; Lara, Jose Daniel;Hodge, Bri-Mathias. Including operational aspects in the planning of powersystems with large amounts of variable generation: a review of modelingapproaches. WIREs Energy Environment, Vol. 8 Iss. 5, e341, September/October2019.
    DOI: 10.1002/wene.341 View at publisher
  • [Publication 5]: Helistö, Niina; Kiviluoma, Juha; Reittu, Hannu. Selection of representativeslices for generation expansion planning using regular decomposition. Energy,Vol. 211, 118585, November 2020.
    DOI: 10.1016/j.energy.2020.118585 View at publisher
  • [Publication 6]: Helistö, Niina; Kiviluoma, Juha; Morales-España, Germán; O’Dwyer, Ciara.Impact of operational details and temporal representations on investmentplanning in energy systems dominated by wind and solar. Applied Energy,Vol. 290, 116712, May 2021.
    DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.116712 View at publisher
  • [Publication 7]: Helistö, Niina; Kiviluoma, Juha; Ikäheimo, Jussi; Rasku, Topi; Rinne,Erkka; O’Dwyer, Ciara; Li, Ran; Flynn, Damian. Backbone—An adaptableenergy systems modelling framework. Energies, Vol. 12 Iss. 17, 3388,September 2019.
    DOI: 10.3390/en12173388 View at publisher

Citation