Managing wind power variability and uncertainty through increased power system flexibility

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorHolttinen, Hannele, PhD, VTT Technical Research Centre of Finland, Finland
dc.contributor.advisorMeibom, Peter, PhD, Dansk Energi, Denmark
dc.contributor.authorKiviluoma, Juha
dc.contributor.departmentTeknillisen fysiikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Applied Physicsen
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Scienceen
dc.contributor.supervisorLund, Peter, Prof., Aalto University, Finland
dc.date.accessioned2013-09-25T09:00:16Z
dc.date.available2013-09-25T09:00:16Z
dc.date.defence2013-09-27
dc.date.issued2013
dc.description.abstractVariability and uncertainty of wind power generation increase the cost of maintaining the short-term energy balance in power systems. As the share of wind power grows, this cost becomes increasingly important. This thesis examines different options to mitigate such cost increases. More detailed analysis is performed on three of these: flexibility of conventional power plants, smart charging of electric vehicles (EVs), and flexibility in heat generation and use. The analysis has been performed with a stochastic unit commitment model (WILMAR) and a generation planning model (Balmorel). Electric boilers can absorb excess power generation and enable shutdown of combined heat and power (CHP) units during periods of high wind generation and low electricity demand. Heat storages can advance or postpone heat generation and hence affect the operation of electric boilers and CHP units. The availability of heat measures increased the cost optimal share of wind power from 35% to 47% in one of the analysed scenarios. The analysis of EVs revealed that smart charging would be a more important source of flexibility than vehicle-to-grid (V2G), which contributed 23% to the 227 €/vehicle/year cost savings when smart charging with V2G was compared with immediate charging. Another result was that electric vehicles may actually reduce the overall CO2 emissions when they enable a higher share of wind power generation. Most studies about wind power integration have not included heat loads or EVs as means to decrease costs induced by wind power variability and uncertainty. While the impact will vary between power systems, the thesis demonstrates that they may bring substantial benefits. In one case, the cost optimal share of wind-generated electricity increased from 35% to 49% when both of these measures were included.en
dc.description.abstractTuulivoimatuotannon vaihtelevuus ja ennusvirheet lisäävät energiatasapainon ylläpitämisen kustannuksia sähköjärjestelmissä. Tuulivoiman osuuden kasvaessa näiden kustannusten suhteellinen merkitys kasvaa. Tämä väitöskirja tutkii eri tapoja lieventää kustannusten nousua lisäämällä järjestelmän joustavuutta. Tarkempi analyysi on tehty kolmelle eri menetelmälle: perinteisten voimalaitosten joustavuuden lisääminen, sähköautojen älykäs lataaminen sekä lämmön tuotannon ja kulutuksen mahdollisuudet joustavuuden lisäämisessä. Analyysit on tehty stokastisella ajojärjestysmallilla (WILMAR) sekä investointimallilla (Balmorel). Sähkökattilat voivat hyödyntää liiallista sähköntuotantoa ja samalla mahdollistaa sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitosten alasajon ajanjaksoina, jolloin tuulivoimatuotanto on suurta ja kulutus vähäistä. Lämpövarastot voivat siirtää lämmöntuotannon ajoitusta ja sitä kautta lisätä sähkökattiloiden sekä sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitosten joustavia käyttömahdollisuuksia. Tulokset indikoivat merkittävää potentiaalia suhteellisen pienillä kustannuksilla. Analyysin mukaan sähköautojen älykäs lataaminen tarjoaa enemmän joustavuutta kuin sähkön syöttö verkkoihin sähköautoista tarvittaessa. Sähkönsyötön osuus älykkään lataamisen kokonaissäästöistä (227 €/auto/vuosi) oli 23 %. Toinen tulos oli, että sähköautot näyttäisivät vähentävän sähköntuotannon päästöjä, koska niiden tuoma joustavuus johtaa entistä suurempaan tuulivoiman osuuteen sähköjärjestelmässä. Suurin osa tuulivoiman vaihtelevuuden ja ennusvirheiden kustannuksia arvioineista tutkimuksista ei ole huomioinut sähköautojen tai lämmön tuotannon ja kulutuksen mahdollistamaa lisäjoustavuutta. Vaikutukset vaihtelevat järjestelmästä toiseen, mutta väitöskirja osoittaa, että näistä voidaan saada merkittäviä hyötyjä. Yhdessä tutkitussa tapauksessa tuulivoiman kustannustehokas osuus kasvoi 35 %:sta 49 %:iin, kun sekä lämmön kulutuksen että sähköautojen joustavuus huomioitiin.fi
dc.format.extent77 + app. 88
dc.format.mimetypeapplication/pdf
dc.identifier.isbn978-951-38-8006-4 (electronic)
dc.identifier.isbn978-951-38-8005-7 (printed)
dc.identifier.issn2242-1203 (electronic)
dc.identifier.issn2242-119X (printed)
dc.identifier.issn2242-119X (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/10975
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-951-38-8006-4
dc.language.isoenen
dc.opnDoorman, Gerard L., Prof., Department of Electric Power Engineering, Norwegian University of Science and Technology, Norway
dc.publisherVTT Technical Research Centre of Finlanden
dc.publisherVTTfi
dc.relation.haspart[Publication 1]: Lu Xi, McElroy MB and Kiviluoma J, Global potential for wind-generated electricity. Proc. Nat. Acad. Sci., Vol. 106, No. 27, pp. 10933–10938, 2009.
dc.relation.haspart[Publication 2]: Kiviluoma J, Meibom P, Tuohy A, Troy N, Milligan M, Lange B, Gibescu M and O’Malley M, Short Term Energy Balancing With Increasing Levels of Wind Energy. IEEE Trans. Sustain. Energy, Vol. 3, No. 4, pp. 769–776, 2012.
dc.relation.haspart[Publication 3]: Meibom P, Kiviluoma J, Barth R, Brand H, Weber C and Larsen HV, Value of electric heat boilers and heat pumps for wind power integration. Wind Energy, Vol. 10, pp. 321–337, 2007.
dc.relation.haspart[Publication 4]: Kiviluoma J and Meibom P, Influence of wind power, plug-in electric vehicles, and heat storages on power system investments. Energy, Vol. 35, No. 3, pp. 1244–1255, 2010.
dc.relation.haspart[Publication 5]: Kiviluoma J and Meibom P, Flexibility from district heating to decrease wind power integration costs. In: Proc. of the 12th International Symposium on District Heating and Cooling, pp. 193–198, Tallinn, Estonia, 5–7 Sep. 2010.
dc.relation.haspart[Publication 6]: Kiviluoma J and Meibom P, Coping with wind power variability: how plug-in electric vehicles could help. In: Proc. of the 8th International Workshop on Large-Scale Integration of Wind Power into Power Systems as well as on Transmission Networks for Offshore Wind Power Farms, pp. 336–340, Bremen, Germany, 14–15 Oct. 2009.
dc.relation.haspart[Publication 7]: Kiviluoma J and Meibom P, Methodology for modelling plug-in electric vehicles in the power system and cost estimates for a system with either smart or dumb electric vehicles, Energy, Vol. 36, No. 3, pp. 1758–1767, 2011.
dc.relation.haspart[Publication 8]: Kiviluoma J and Meibom P, Decrease of wind power balancing costs due to smart charging of electric vehicles. In: Proc. of the 10th International Workshop on Large-Scale Integration of Wind Power into Power Systems as well as on Transmission Networks for Offshore Wind Power Farms, pp. 501–506, Aarhus, Denmark, 25–26 Oct. 2011.
dc.relation.ispartofseriesVTT Scienceen
dc.relation.ispartofseries35
dc.revSöder, Lennart, Prof.
dc.revPartanen, Jarmo, Prof.
dc.subject.keywordwind poweren
dc.subject.keywordunit commitmenten
dc.subject.keywordeconomic dispatchen
dc.subject.keywordgeneration planningen
dc.subject.keywordenergy balanceen
dc.subject.keywordelectric boileren
dc.subject.keywordheat storageen
dc.subject.keywordheat pumpen
dc.subject.keywordelectric vehicleen
dc.subject.keywordhydro poweren
dc.subject.keywordflexibilityen
dc.subject.keywordvariabilityen
dc.subject.keyworduncertaintyen
dc.subject.otherEnergyen
dc.titleManaging wind power variability and uncertainty through increased power system flexibilityen
dc.titleTuulivoimatuotannon vaihteluiden ja epävarmuuden hallinta parantamalla sähköjärjestelmän joustavuuttafi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.digiauthask
local.aalto.digifolderAalto_64518
Files
Original bundle
Now showing 1 - 9 of 9
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789513880064.pdf
Size:
1.62 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
publication1.pdf
Size:
1.77 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
publication2.pdf
Size:
653.97 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
publication3.pdf
Size:
527.7 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
publication4.pdf
Size:
1.53 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
publication5.pdf
Size:
592.93 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
publication6.pdf
Size:
255 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
publication7.pdf
Size:
534.68 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
publication8.pdf
Size:
740.19 KB
Format:
Adobe Portable Document Format