Towards flexible photovoltaic power, using energy storage and power forecasts : a thecno-economic assessment
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Date
2021
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Abstract
El presente trabajo refiere al diseño y operación de centrales fotovoltaicas acopladas con
sistemas de almacenamiento de energía en baterías, usando pronósticos de generación
fotovoltaica e información del Mercado eléctrico para formular el despacho de la planta y
proveer un nivel de cumplimiento técnico, analizando el efecto de la estructura de costos en
la factibilidad económica de estos proyectos. El objetivo principal de este trabajo es
desarrollar una metodología para el dimensionamiento apropiado de plantas fotovoltaicas
acopladas a sistemas de almacenamiento de energía en baterías, considerando pronósticos
de generación e información del mercado eléctrico. Para este efecto, cuatro objetivos
específicos se definieron, relacionados con: un análisis detallado de las características del
recurso solar, determinando el efecto de su variabilidad en los pronósticos de generación
fotovoltaica; el desarrollo de un sistema de pronóstico de generación fotovoltaica y su
aplicación para su despacho eléctrico considerando acople con un sistema de baterías, y la
evaluación de su desempeño técnico y económico bajo distintos escenarios económicos. Esta
tesis se compone de 6 capítulos, de los cuales 3 corresponden a artículos científicos en
revistas indexadas.
Metodológicamente, este estudio se divide en cuatro etapas. La primera (en los capítulos 2
y 3) se enfoca en las técnicas para la evaluación del recurso solar y su aplicación para la
definición y análisis de sus características dinámicas en distintos contextos espaciotemporales, lo cual sirve como dato de entrada para la simulación de plantas y la formulación
de los pronósticos (capítulo 4). La segunda etapa se enfoca en las técnicas de pronóstico de
radiación solar y su estado del arte, con el propósito de desarrollar metodologías efectivas
tanto para el pronóstico como la evaluación de su desempeño, caracterizándolo bajo distintas
circunstancias y tomando en cuenta consideraciones operacionales relacionadas con la
utilidad de los pronósticos como herramienta para la toma de decisiones. La tercera etapa
refiere al modelado de la planta fotovoltaica y el sistema de baterías, la integración con el pronóstico meteorológico y el desarrollo del algoritmo de despacho, considerando tanto el
pronóstico de generación como información del mercado eléctrico, restricciones
operacionales y la compleja dinámica de las baterías en cuanto a los fenómenos eléctricos y
térmicos y su relación con la degradación de las mismas. La etapa final (capítulo 5) se enfoca
en la evaluación técnica de estas plantas, para determinar su cumplimiento con la
planificación de despacho, pero también evaluando su costo nivelado de energía (LCOE).
Esta evaluación se realiza considerando los precios actuales y proyectados para los
componentes de la panta y, evalúa medidas adicionales para la reducción de los costos totales
a lo largo del ciclo de vida de la planta, modificando ciertos parámetros de diseño.
Los resultados de este trabajo demuestran que es necesario considerar las características
dinámicas del recurso solar en su evaluación, ya que locaciones con niveles de energía
similares pueden exhibir patrones dinámicos muy disímiles a través de distintas escalas
temporales. Similarmente, las características del recurso solar tienen un efecto definitivo en
el desempeño de los métodos de pronóstico y es necesario evaluarlos no solamente en los
comúnmente reportados indicadores anuales o estacionales, sino para condiciones
meteorológicas específicas, ya que los resultados pueden ser muy disímiles entre estos. La
anticipación del pronóstico es una consideración operacional importante para la toma de
decisiones, que tiene un efecto pronunciado en el desempeño de un método de pronóstico y
por tanto es un parámetro clave a considerar en su evaluación. Para alcanzar un despacho
confiable de plantas fotovoltaicas tanto en cantidad de energía como su tasa de cambio, es
necesaria una combinación de sobredimensionamiento del campo solar y la adición de
almacenamiento de energía (respectivamente). El sistema de baterías es el principal
contribuyente (~60%) al costo total durante el ciclo de vida, con su degradación siendo un
parámetro definitorio para la evaluación económica y por tanto requiere una evaluación
cuidadosa, ya que depende mayormente del patrón de uso de las mismas. Así mismo, la
selección del umbral de reemplazo de baterías tiene una influencia significativa en el costo
durante el ciclo de vida, su valor apropiado es específico para el tamaño de planta y su
selección cuidadosa tiene el potencial de disminuir el LCOE entre 10-20%. Finalmente, es
posible lograr plantas con mayor a 90% de cumplimiento en planificación de despacho una
vez que reducciones de costo substanciales en los componentes de la planta ocurran y
técnicas apropiadas de dimensionamiento sean utilizadas, permitiendo alcanzar LCOEs
menores a 70$/MWh para plantas con hasta 4 horas de almacenamiento de energía.
Description
Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2021