Integrating Balancing Markets in Hydropower Scheduling Methods Integrasjon av balansemarkeder ved produksjonsplanlegging for vannkraft

Det framtidige europeiske kraftsystemet vil være tettere integrert og vil omfatte en større andel av uregulerbar fornybar produksjon enn i dag. Denne utviklingen blir drevet av bl.a. et sterkere utbygd nett, miljømål satt av EU og beslutninger om ned¬bygging av kjernekraft. Tettere markedskobling og mer uregulerbar produksjon vil kreve effektive balansetjenester, og muligens utvikling av nye produkter for håndtering av behovet for balansering i kraftsystemet. Den iboende fleksibiliteten i vannkraften gir muligheter for effektiv balansering av uregulerbar produksjon. Ved utnyttelse av denne fleksibiliteten kan vannkraftprodusenter optimalisere fordeling av produsert energi og tilgjengelig kapasitet på de forskjellige markeder for kraft. Således kan verdien av fleksibel vannkraft økes ved deltagelse i flere markeder. Viktigheten av de forskjellige typer produkter i markedet kan endre seg betydelig i forhold til dagens situasjon Norden. I dag er spotmarkedet med én dags horisont det viktigste markedet for produsenter. Men vannkraftens fleksibilitet gir muligheter for aktiv deltagelse også i balansemarkeder. I Sentral-Europa er vannkraftens inntekter fra balansemarkeder betydelig høyere enn i det nordiske markedet i dag. Prosjektet omhandler integrasjon av balansemarkeder i metoder for produksjonsplanlegging på lang- og mellomlang sikt. En viktig forskningsutfordring har vært å utvikle metodikk og datamodeller for å vurdere produsentenes inntektspotensial og den forventede marginale verdien av vann (vannverdi) for vannkraftsystem som selger både energi og balansetjenester. Vår forskning har omfattet mange balansemarkedsprodukter, f.eks. trege og hurtige reserver, balanseenergi og inertia. Hovedfokus har vært på salg av reservekapasitet, da det å gjøre produksjonskapasitet tilgjengelig som reserve er et alternativ til energiproduksjon, og kan dermed påvirke vannverdiene i vesentlig grad. Betydningen av å inkludere balansemarkeder i vannkraftplanleggingen har blitt analysert ved gjennom¬gang av eksisterende tilnærminger til problemet, demonstrasjon av konsepter ved konstruksjon av enkle konseptuelle modeller, og utvidelse av aktuell metodikk for produk¬sjonsplanlegging som brukes i dag. Vi har utvidet eksisterende og mye anvendt metodikk som stokastisk dynamisk programmering (SDP) og stokastisk dual dynamisk programmering (SDDP) til å omfatte salg av reservekapasitet. Utvidelsene har blitt implementert i form av forskningsprototype datamodeller og testet på reelle data, og er dokumentert i vitenskapelige artikler. Realistisk behandling av reservekapasitet vil normalt kreve mer presis representasjon av tekniske detaljer enn det som er mulig i modeller basert på lineærprogrammering. Eksempelvis vil representasjon av ikke-konvekse PQ-kurver og eksakt start-stopp av generatorer være viktig ved vurdering av reserver for nedregulering. For å kunne håndtere denne typen ikke-konveksiteter i planleggingsmodellene, har det blitt eksperimentert med en ny metodikk omtalt som stokastisk dual dynamisk heltall programmering (SDDiP). Prosjektet har i sum bidratt til utviklingen av en verktøykasse med metodikk og forskningsprototyper for vannkraftplanlegging som er godt egnet for å håndtere balansemarkeder i produksjonsplanlegging for vannkraft. Vi tror at kompetansen som er bygget i dette prosjektet, sammen med den metodiske verktøykassen, vil utgjøre viktige bidrag for å tilpasse den operasjonelle vannkraftplanleggingen til fremtidens kraftmarkeder.

I prosjektet har flere typer eksisterende og mye brukt metodikk for optimal planlegging av vannkraftsystemer har blitt utvidet til å omfatte forskjellige varianter av produktet reservekapasitet. Nye og erfarne forskerne i prosjektet har styrket sin kompetanse på metodikk for vannkraftplanlegging. Gjennom omfattende internasjonal publisering i anerkjente tidsskrift har prosjektet bidratt til å opprettholde SINTEF Energi og NTNU sin rolle som internasjonalt ledende på driftsplanlegging av vannkraftbaserte systemer. Prosjektdeltakerne har sammen diskutert betydningen av flere markeder i driftsplanleggingen. Med dagens priser og volum er betydningen liten. Det er derfor lite sannsynlig at metodikken umiddelbart tas i bruk blant Nordiske produsenter. Prosjektdeltakerne har øket sin kompetanse på hvordan man best tallfester betydningen av flere markeder og studerer virkningen på driftsresultatene.

The future European electricity system will be more integrated and will include a larger share of renewable intermittent generation than what is the case today. This development is e.g. driven by environmental targets set by the European Union and decisio ns on downscaling of nuclear generation capacity. Tighter market couplings and increased contributions from intermittent generation will call for efficient balancing services, and possibly the development of new products to handle system balancing. The flexibility of hydropower allows for efficient balancing of intermittent production. By fully utilizing this flexibility, hydropower producers can optimize the use and allocation of available capacity in the different electricity markets. Thus, the value of flexible hydropower generation can be enhanced by participating in multiple markets. An increasing share of the income from hydropower production is likely to come from other markets than the day-ahead market. This project aims at identifying how the increasing importance of balancing markets influences the hydropower scheduling process and the tools that are used in the planning process. This goal will be achieved by defining how the hydropower strategy should be computed and interpreted taking into account balancing markets. The focus of the project is the effect on seasonal and long-term hydropower scheduling, but in order to do this the whole planning process must be considered. We define the following major research tasks: 1) Review existing m ethods and tools. There is a need to develop general knowledge about integrated markets and how to model their co-existence. 2) Investigate the principles of integrated markets. Based on the findings in 1), simple models will be developed to illustrate an d investigate basic principles. 3) Establish stochastic parametric models for balancing markets. 4) Integrate balancing market models in seasonal or long-term hydropower scheduling models.