The Synergy of Natural Resources in Renewable Power Generation - Optimising Operation and Dimension of Grid-connected Wind and Solar Power Plant with Pumped Hydro Energy Storage

Abstract

Renewable energy projects are essential for a sustainable energy transition. In addition to the fundamental benefits of renewable power generation, such as climate change mitigation and clean air, renewable power projects with energy storage solutions can provide economic benefits for electricity producers and add value to the operation of the national grid. This thesis investigates the innovative operation of a grid-connected wind and solar power plant coupled with pumped hydro energy storage system based on operability and techno-economic feasibility.

A comprehensive model for optimising the hourly management of a grid-connected hybrid power plant coupled with pumped hydro energy storage system was introduced and applied to a case study in Sweden. The energy management model was formulated as a mixed-integer optimisation problem in MatLab with the objective of maximising operating profit. To assess the functionality of the proposed model, another electrical system model in the OpenModelica software was utilised. This thesis analyses generation curtailment of a stand-alone hybrid power plant in relation to generation curtailment of a hybrid power plant coupled with pumped hydro energy storage. The dimension of the pumped hydro energy storage plant was techno-economically optimised through an iterative process of testing different energy storage sizes in the two models and analysing the financial results in investment appraisals.

Results revealed that pumped hydro energy storage decreases the lost revenue due to generation curtailment, increases the system operating profit from electricity arbitrage trading on the day-ahead market and opens up the possibility for participation in frequency regulation markets. This thesis concludes that coupling both a solar power plant and a pumped hydro energy storage to a wind power plant can be more financially profitable than coupling only the solar power plant to the wind power plant. The prospect is that this type of co-integrated renewable energy project will contribute to bringing the future Swedish power grid into balance.

Popular Abstract (Swedish)

Det sker en global energiomställning till förnybara energikällor för att minska koldioxidutsläppen och bekämpa klimatförändringar. I Sverige är det tydligt att andelen vind- och solkraft ökat de senaste åren och denna trend förväntas fortsätta parallellt med det ökade elbehovet. En utmaning med vind- och solkraft är dess intermittenta elproduktion med stora effektvariationer som elnätet behöver klara av att hantera. Solkraft kännetecknas av högst elproduktion under sommarmånaderna och mitt på dagen medan det motsatta gäller för vindkraft.

Genom att anlägga en vind- och solkraftanläggning i närheten av varandra och koppla samman till en gemensam elnätsanslutning kan det bidra till att få ökad effektbalans i elnätet. Dessutom kan solkraftanläggningar installeras på platser där vindkraftverk redan exiserar och därmed öka utnyttjandet av befintliga elnätsanslutningar. I Sverige är redan många landbaserade vindkraftanläggningar i drift, vilket innebär att potentialen för hybridanläggningar med vind- och solkraft är stor.

För att ytterligare öka balanseringsmöjligheterna och tillgängligheten av effekt kan olika former av energilager användas. En enkel form av energilagring är pumpkraft som utnyttjar skillnader i lägesenergi mellan vattenreservoarer på olika höjdnivåer. Genom att i tidpunkter med låga elpriser pumpa vatten från en lågt belägen reservoar till en högt belägen reservoar och vid tidpunkter med höga elpriser istället låta vatten rinna genom en turbin och producera el, kan pumpkraft fungera som ett “mekaniskt batteri”. I Sverige finns endast ett fåtal pumpkraftverk idag och tekniken har av vissa ansetts förlegad. Dock har nu diskussionen kring nyttorna med pumpkraftverk som energilager i Sveriges energisystem blossat upp och modern teknik har gjort det möjligt att anlägga pumpkraftverk i nedlagda gruvor. Genom att utnyttja nedlagda gruvor minimerar man den visuella inverkan av energilager och tar tillvara på gamla gruvområden som inte längre har några funktioner.

I det här examensarbetet har en modell för att optimera rörelsevinsterna från ett elnätsanslutet system med vind-, sol- och pumpkraft utvecklats. Modellen tar hänsyn till tekniska begränsningar hos de olika komponenterna och belägger ogynnsam drift av pumpkraftverket med “straff”. Den föreslagna energihanteringsmodellen utgår ifrån den svenska elmarknaden och har applicerats på en fallstudie i elområde SE3 i Sverige. Tillsammans med ytterligare simuleringar av det elektriska systemet och en teknoekonomisk analys, har resultatet från simuleringar av energihanteringsmodellen utnyttjats för att bedömma behovet av energilager samt vilken dimension av energilager som vore lämplig att koppla till hybridanläggningen i fallstudien.

Undersökningen visar på att pumpkraft kan bidra till ökad lönsamhet av ett hybridanläggningsprojekt. En elnätsansluten sol-, vind- och pumpkraftanläggning kan ha en högre installerad kapacitet än elnätsanslutningens kapacitet och sålunda öka den årliga elproduktionen från anläggningen genom att använda energilagret till att ta tillvara på överskottsenergin. Hela anläggningen har potential att erbjuda stödtjänster till elnätet, förskjuta elförsäljningen i tid och möjliggöra för inköp av el när elpriserna är låga. En förhoppning är att hybridanläggningar med energilagring i form av pumpkraft ska kunna bidra till att få Sveriges framtida kraftsystem i balans.

• author: Rörstrand, Tova
• supervisor: Jörgen Svensson
• organization: Industrial Electrical Engineering and Automation
• course: EIEM01 20241
• year: 2024
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: solar power, wind power, hybrid power production, variable renewable energy sources, pumped hydro energy storage, energy storage operating strategy, energy management system, mixed integer linear programming
• publication/series: CODEN:LUTEDX/TEIE
• report number: 5512
• language: English
• id: 9166896
• date added to LUP: 2024-06-24 11:07:45
• date last changed: 2024-06-24 11:08:09