The operation of a hybrid wind-photovoltaic power plant at competitive wholesale electricity market
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2024-06-10
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Systems and Markets
Mcode
ELEC3048
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
68
Series
Abstract
This study investigates the economic benefits of investing in hybrid Wind-PV power plants producing for the Nordic electricity market. For this purpose, four different locations are selected and analysed as representative cases to install hybrid Wind-PV plants in Finland. Spatial diversification of different locations and real announced projects were considered as the main criteria in selecting these four locations. The study analyses the investment decisions that are made in a fully competitive electricity market in the absence of renewable energy subsidies. Moreover, current trends indicate growing popularity for Power Purchase Agreements (PPAs) between renewable electricity producers and consumers. This study investigates the effects of PPAs in the operation of hybrid Wind-PV plants alongside load balancing in the electricity spot market. The study analyses the benefits of two different types of PPAs: pay as produced and base load PPAs. Furthermore, the study investigates the battery energy storage system (BESS) investment in the power plant. The battery operation is optimized in the study using linear programming algorithms and the economically most suitable size is calculated for the system. The study also investigates the economically optimal ratio of grid connection size and power generation curtailment. Results from this thesis indicate that PPAs contracts are essential to hedge power producer profits from the more volatile power market. Due to the profit cannibalization effect, the power plant capture price has decreased considerably when comparing the market years 2021 and 2023. This decrease of profitability means that PPAs are required in most situations with 2023 market data to enable positive NPVs for the power plant project. However, PPA prices required for a positive return on investment are in most situations considerably higher compared to values assumed in recent literature. The study also finds that PV power plants yield higher capture prices compared to wind power plants which is explained by the more severe profit cannibalization on wind power production. Moreover, the study found that the benefits of BESS are smaller than the additional cost. Thus, results show that a higher NPV is achieved without BESS investment. Lastly, an optimal grid connection size of 52.5-72.5 % from nominal power plant capacity was found in this study.Tässä tutkimuksessa selvitetään yhdistettyjen tuuli- ja aurinkovoimaloiden taloudellista kannattavuutta pohjoismaisella sähkömarkkinalla. Tutkimuksessa arviodiaan voimalaitoksen kannattavuutta Suomessa neljällä eri maantieteellisellä sijainnilla. Sijaintien valinta on perustunut todellisten projektien sijainteihin sekä tavoitteeseen havainnollistaa uusiutuvan energian maantieteellisen hajauttamisen vaikutusta voimalaitosprojektin kannattavuuteen. Pohjoismaisen sähkömarkkinan analysoiminen myös mahdollistaa kannattavuuden arvioinnin täysin kilpailulla sähkömarkkinalla ilman uusiutuvan energian taloudellisia tukimekanismeja. Nykyiset trendit osoittavat, että kysyntä pitkäaikaisista sähkönostosopimuksista (Power Purchase Agreement (PPA)) teollisen mittakaavan sähkönkuluttajan ja uusiutuvan sähkön tuottajan välillä on kasvanut merkittävästi. Näin ollen tässä tutkimuksessa myös arvioidaan erityyppisten PPA sopimusten vaikutusta voimalaitosprojektin kannattavuuteen verrattuna sähkön myymiseen spottimarkkinoilla täysmääräisesti. Tutkimuksessa myös arvioidaan investointipäätöstä sähköakkuvarastoon, jonka toiminta on optimoitu siirtämään tuuli- ja aurinkovoiman tuotantoa suotuisammille tunneille sähkön spottimarkkinoilla. Tutkimus analysoi akkuvaraston etuja voimalaitoksen operoinnissa sekä optimoi akkuvaraston kapasiteetin maksimoidakseen projektin nettonykyarvon. Tutkimus myös selvittää taloudellisesti optimillisimman investoinnin sähköverkkokytkennälle, kun minimoidaan taloudelliset menetykset verkkoliitynnän investointikustannuksesta ja tulomenetykset johtuen tuotannon supistamisesta rajatun verkkoliitynnän takia. Tutkimustulokset antavat viitteitä, että nykyinen ja tuleva uusiutuvan sähkön voiton kannibalisaatio (profit cannibalization) sähkön spottimarkkinoilla tekee PPA-sopimukset tarpeellisiksi yhdistetyn tuuli- ja aurinkovoimalan omistajalle, jotta tulot sähkön myynnistä voidaan turvata laitoksen elinkaaren ajaksi. Tutkimus havaitsi vertailemalla 2021 ja 2023 markkinadataa, että voiton kannibalisaatio on merkittävästi suurempi 2023 datalla. Tämän takia positiivinen nettonykyarvo voimalaitosprojektille on useimmissa tapauksissa negatiivinen ilman PPA sopimuksia, kun investointipäätöstä arvioidaan 2023 datalla, koska keskimääräinen arvo myydylle sähkölle on liian matala sähkön spottimarkkinoilla kannibalisaation takia. Tulokset lisäksi osoittavat, että kannattava voimalaitosinvestointi nykyisessä markkinatilanteessa vaatii huomattavasti suuremman PPA-hinnan tuotetulle sähkölle verrattuna hintoihin, mitä on oletettu viime vuosina julkaistussa kirjallisuudessa. Tulokset myös osoittavat, että aurinkosähkö saavuttaa paremman tuoton myydylle sähkölle verrattuna tuulivoimaan, koska voiton kannibalisaatio on voimakkaampaa tuulivoiman kohdalla. Sähköakun hyödyt suhteessa kapasiteettiin olivat tutkimuksen perusteella pienemmät kuin akun investointikustannukset. Tämän takia akkuvaraston optimointialgoritmi osoittaa, että taloudellisesti kannattavinta on jättää tekemättä investointi sähkövarastoon. Tutkimus myös osoitti, että taloudellisesti optimaalinen verkkoliityntä on 52.5–72.5 % suhteessa voimalaitoksen nimelliseen kapasiteettiin.Description
Supervisor
Syri, SannaThesis advisor
Moradpoor, IrajKeywords
hybrid wind-PV, BESS, PPA, profit cannibalization, wind power, PV power
