Analysis of a hybrid PV-CSP plant integration in the electricity market

Abstract

[EN] One of the key challenges the world will need to face during the 21st century is global warming and the consequent climate change. Its presence is indisputable, and decarbonizing the gird emerges as one of the required pathways to achieve global sustainable objectives. Solar energy power plants have the potential to revert this situation and solve the problem. One way to harness this energy is through Concentrated Solar Power plants. The major advantage and potential of this technology is its ability to integrate cost-effective Thermal Energy Storage (TES), which is key with such an inherently intermittent resource. On the other hand, the drawback is the high current Levelized Cost of Energy (LCOE). The other main way to harness that highlighted solar energy is the use of Photovoltaic panels, which have recently achieved very competitive LCOE values. On the other hand, the storage integration is still a very pricey option, normally done with Battery Energy Storage Systems (BESS). As a conclusion, a hybrid power plant combining the LCOE of the PV and the TES of the CSP emerges as the key way of achieving a very competitive solution with a big potential. This master thesis aims at exploring the possibilities of a hybrid CSP and PV power plant with a sCO2 power cycle, integrated in the primary, secondary and tertiary electricity markets. To achieve this purpose, firstly, a Python-based Energy Dispatcher was developed to control the hybrid power plant. Indeed, the Dispatcher is the tool that decides when to produce, when to store¿ following an optimization problem. This can be formulated mathematically, and that was done and integrated into the Python code using Pyomo, a software for optimization problems. As a result, the Dispatcher achieved an effective control of the plant, showing intelligent decisions in detailed hourly analyses. The results were very promising and included optimization functions as maximizing the profitability of the plant or the total production, among others. To proceed with the Techno-economic assessment of the hybrid plant, the electricity markets were studied. The main source of income of any power plant is normally the revenue from selling electricity to the grid, but since there are several markets, there are also other possibilities. In this thesis, it was assessed from a Techno-Economic perspective how the performance and optimal design of the plants vary when providing different services extra to selling electricity to the grid. The conclusion was that even though the Net Present Value (NPV) achieved working on the spot market was already very high, the extra value added from participating in the secondary or tertiary markets was indisputable. Indeed, the profits attained in those markets were between two and four times higher than the ones of the spot market. This is a specific case, but a trend was identified: these hybrid power plants have a huge possibility and a bright future on the service markets. As a consequence, this thesis shows the huge potential of hybrid power plants integrated in the grid participating in several markets. It also lays the foundation for future studies in other locations, under different conditions and with different technologies, among others.

[ES] Uno de los desafíos clave que el mundo deberá enfrentar durante el siglo XXI es el calentamiento global y el consiguiente cambio climático. Su presencia es indiscutible y la descarbonización de la red eléctrica emerge como uno de los caminos necesarios para alcanzar objetivos sostenibles globales. Las plantas de energía solar tienen el potencial de revertir esta situación y resolver el problema. Una forma de aprovechar esta energía es a través de plantas de Energía Solar de Concentración. La principal ventaja y potencial de esta tecnología es su capacidad para integrar un almacenamiento de energía térmica (TES) rentable, que es clave con un recurso tan inherentemente intermitente. Por otro lado, el inconveniente es el elevado coste nivelado de la energía (LCOE) actual. La otra forma principal de aprovechar esa energía solar mencionada es el uso de paneles fotovoltaicos, que recientemente han alcanzado valores LCOE muy competitivos. Por otro lado, la integración del almacenamiento sigue siendo una opción muy costosa, normalmente realizada con sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS). Como conclusión, una central híbrida que combine el LCOE de la fotovoltaica y el TES de la CSP emerge como la vía clave para lograr una solución muy competitiva y con un gran potencial. Este trabajo final de máser tiene como objetivo explorar las posibilidades de una planta de energía híbrida de concentración y fotovoltaica con un ciclo de CO2 transcrítico, integrada en los mercados de electricidad primaria, secundaria y terciaria. Para lograr este propósito, en primer lugar, se desarrolló un Despachador de Energía basado en Python para controlar la planta de energía híbrida. De hecho, el Despachador es la herramienta que decide cuándo producir, cuándo almacenar¿ tras un problema de optimización. Esto se puede formular matemáticamente, y eso se hizo e integró en el código Python usando Pyomo, un software para problemas de optimización. Como resultado, el Despachador logró un control efectivo de la planta, mostrando decisiones inteligentes en análisis detallados por hora. Los resultados fueron muy prometedores e incluyeron funciones de optimización como maximizar la rentabilidad de la planta o la producción total, entre otras. Para proceder a la valoración tecnoeconómica de la planta híbrida se estudiaron los mercados eléctricos. La principal fuente de ingresos de cualquier central eléctrica normalmente son los ingresos por la venta de electricidad a la red, pero como existen varios mercados, también existen otras posibilidades. En esta tesis se evaluó desde una perspectiva Tecno-Económica cómo varía el rendimiento y diseño óptimo de las plantas al momento de brindar diferentes servicios adicionales a la venta de electricidad a la red. La conclusión fue que si bien el Valor Actual Neto (VAN) logrado trabajando en el mercado spot ya era muy alto, el valor agregado extra al participar en los mercados secundarios o terciarios era indiscutible. De hecho, los beneficios obtenidos en esos mercados fueron entre dos y cuatro veces superiores a los del mercado spot. Se trata de un caso concreto, pero se ha identificado una tendencia: estas centrales híbridas tienen enormes posibilidades y un futuro brillante en los mercados de servicios. En consecuencia, esta tesis muestra el enorme potencial de las centrales híbridas integradas en red participando en varios mercados. También sienta las bases para futuros estudios en otras localizaciones, en diferentes condiciones y con diferentes tecnologías, entre otras.