Profitability of pumped hydro energy storage in Nordic electricity markets

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2017-12-11

Department

Major/Subject

Energiatekniikka

Mcode

K3007

Degree programme

Master’s Programme in Energy Technology (EEN)

Language

en

Pages

59

Series

Abstract

A recent trend in the energy sector has been the need to produce clean, carbon free electricity. The solutions have mainly been wind and solar power, which are intermittent renewable energy sources with nonadjustable production. Wide-scale introduction of these production forms require other means to manage balancing demand and supply of power at all times. Energy storages and especially pumped hydro energy storage are widely seen as viable countermeasures for intermittency of renewable power production. This thesis studies profitability of a notional PHES plant operated together with existing hydropower at river Emäjoki. The main focus is to understand the ways in which varying conditions and pump properties affect operating PHES. A pump station is modelled into an existing model of the Emäjoki hydropower system, using a short-term optimization software Powel SHOP. Several scenarios including locations, pump capacities, electricity price, water inflow and energy storage taxation systems are introduced. Optimal operation of PHES on the day-ahead market Elspot and consecutively the regulating market is studied. Realized conditions for year 2015 are used as inputs. Results show that both market conditions and hydrological conditions, i.e. water inflow, have substantial effects on operating PHES. Price volatility is essential as income is based on time-shifting energy from times of low prices to that of higher. High inflow causes high activity for the hydropower plant (HPP) used to discharge the stored energy, which results in lower price attainable for discharging stored energy. Pump capacity does not show as high importance. The day-ahead market Elspot and the regulating market have potential of equal magnitude. The analysis concludes that only with a lower, hypothetical taxation scenario operating PHES together with existing hydropower at Emäjoki is profitable. Even then only one of the chosen two locations is profitable. Further studies on the subject should include longer term optimization of the hydropower system, because assumptions on yearly allocation of reservoirs made in this thesis might not be accurate when introducing PHES to the system.

Viimeaikainen trendi energiasektorilla on ollut tarve tuottaa puhdasta, hiilineutraalia sähköä. Ratkaisut ovat pääasiassa olleet tuuli- ja aurinkovoima, jotka ovat epäsäännöllisiä uusiutuvia tuotantomuotoja, joiden tuotantoa ei voi säätää. Näiden tuotantomuotojen laajamittainen käyttöönotto vaatii muita keinoja sähkön kysynnän ja tarjonnan tasapainottamiseen joka hetki. Energiavarastoja ja erityisesti pumppuvoimalaitoksia pidetään yleisesti hyvänä vaihtoehtona uusiutuvan energian tuotannon muutoksien kompensoimiseen. Tämä diplomityö tutkii teoreettisen, olemassa olevan vesivoiman yhteydessä Emäjoella käytettävän pumppuvoimalaitoksen kannattavuutta. Erityisesti työssä keskitytään ymmärtämään miten ulkoiset olosuhteet ja pumpun ominaisuudet vaikuttavat pumppuvoimalaitoksen käyttöön. Pumppulaitos mallinnetaan olemassa olevaan Emäjoen vesivoimajärjestelmän malliin, käyttäen lyhyen aikavälin suunnitteluun tarkoitettua ohjelmistoa, Powel SHOPia. Työssä käytetään useita skenaarioita pumpun sijainnille ja kapasiteetille, sähkön hinnalle ja volatiliteetille, tulovirtaamille sekä energiavarastojen verotukselle. Pumppuvoimalaitoksen optimaalista käyttöä tutkitaan yhdessä Elspot-markkinalla ja säätösähkömarkkinalla. Vuoden 2015 toteutuneita arvoja käytetään syötteinä. Tulokset osoittavat, että sekä markkinaolosuhteet että tulovirtaamat vaikuttavat suuresti pumppuvoimalaitoksen käyttöön. Hintavolatiliteetti on olennaista, sillä tuotot perustuvat energian siirtämiseen halvoilta sähkön hinnan tunneilta kalliille tunneille. Korkea tulovirtaama lisää yhteenkuuluvan vesivoimalaitoksen ajoa, jolloin varastoidun energian purkamiselle on saavutettavissa matalampi hinta. Pumpun kapasiteetilla ei havaittu olevan yhtä suurta merkitystä. Elspot- ja säätösähkömarkkinoiden tulot olivat samaa suuruusluokkaa. Tutkimus osoitti, että vain alemmalla, hypoteettisella veroskenaariolla pumppuvoimalaitoksen käyttäminen yhdessä olemassa olevan Emäjoen vesivoiman kanssa on kannattavaa. Silloinkin vain toinen tutkituista sijainneista oli kannattava. Aiheen jatkotutkimusten tulisi käsitellä pidemmän aikavälin optimointia, sillä tässä työssä käytetyt oletukset varastoaltaiden allokoinnista eivät välttämättä ole paikkaansa pitäviä, kun varastointimahdollisuus tuodaan vesivoimajärjestelmään.

Description

Supervisor

Syri, Sanna

Thesis advisor

Kulla, Tatu

Keywords

pumped hydro, energy storage, hydropower, electricity markets

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201712188026

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG