Integración de sistemas de almacenamiento con baterías en parques eólicos y fotovoltaicos para mejorar el despacho económico en escenarios de alta generación eólica y solar

Abstract

Actualmente, los sistemas de almacenamiento con baterías o BESS – por sus siglas en inglés “Battery Storage System” – vienen siendo implementados a gran escala en varios países de Europa, Asia, Oceanía y últimamente en Latinoamérica (“LATAM”) para solucionar diferentes problemáticas que se presentan en las actividades que conforman el sector eléctrico (generación, transmisión, distribución y comercialización) y a la vez impulsar el desarrollo de la transición energética, motivando estudios y discusión sobre los impactos positivos y/o negativos en la cadena de valor del sector eléctrico, y los potenciales cambios normativos necesarios para su implementación, como por ejemplo, utilizar los BESS integrado a los parques eólicos y fotovoltaicos – en escenarios de alta inserción de energía renovable variable (ERV) al sistema eléctrico – para mejorar mediante una gestión eficiente el recurso primario (eólico y solar) en la producción de electricidad, impactando indirectamente en la minimización del costo de operación del sistema en el despacho económico y en las emisiones de gases de efectos invernadero al desplazar generación convencional que utiliza recurso no renovables. Además de mejorar la flexibilidad de la operación del sistema eléctrico. Por lo que, La integración de los BESS en parques eólicos y fotovoltaico es considerado − en varios países avanzados en desarrollo de energía renovables − como una de las formas más sofisticadas de almacenar energía renovable tanto a nivel de grandes plantas de generación de electricidad como al nivel de consumidor particular. El presente trabajo de investigación tiene como objetivo cuantificar el impacto de mejorar el despacho económico en la gestión eficiente de los recursos eólico y solar en la producción de electricidad, mediante la integración de los sistemas de almacenamiento con baterías a los parques eólicos y fotovoltaicos en un escenario de alta inserción de ERV (eólica y solar) en un sistema eléctrico multinodal, teniendo como características de operación en algunas etapas de tiempo del periodo de análisis, que la oferta de ERV supera a la demanda eléctrica. Para lograr el objetivo, se revisó y analizó diferentes fuentes de información tales como artículos científicos publicados en revistas indexadas, tesis de maestrías, tesis doctorales y videos de grabaciones de congresos y seminarios internacionales que están relacionadas con el presente trabajo de investigación. Esta información permite argumentar y sustentar el impacto de integrar los sistemas de almacenamiento con baterías en los parques eólicos y fotovoltaicos para mejorar el despacho económico en los sistemas eléctricos en escenarios de alta inserción de ERV. Cabe indicar que, la implementación del modelo matemático desarrollado en la presente investigación se ha realizado en el compilador del software GAMS (General Algebraic Modeling System) el cual resolverá un problema de optimización de despacho económico de tipo No Lineal (PNL), mediante el solver “CONPOT” que viene como parte de las licencias habilitadas en el software. El desarrollo de la formulación matemática que representa el modelamiento de la integración de sistemas de almacenamiento en parques eólicos y/o fotovoltaicos y su implementación como parte de las ecuaciones y restricciones en un modelo matemático de optimización de despacho económico, implica que los BESS gestionarán de manera eficiente la ERV generada en momentos de alta producción, almacenando el excedente (proceso de carga de la BESS) y liberándolo cuando sea necesario (proceso de descarga de la BESS). Esto permite evitar depender de fuentes de energía más costosas (que utilizan combustibles fósiles) y desaprovechar el recurso eólico y solar en la gestión eficiente de la ERV; logrando de manera indirecta la reducción del costo total de generación eléctrica y los gases de efecto invernadero de CO2 provocado por el uso de fuentes fósiles en la producción de electricidad. Cabe indicar que, el modelamiento de los BESS para su proceso de carga utiliza la propia generación de los parques eólicos y/o fotovoltaicos, no considerando el retiro de potencia activa de la red del sistema eléctrico. Asimismo, precisar que los Costos de Inversión (CI) y de Operación y Mantenimiento (OyM) de los BESS, no han sido considerados como parte de la función objetivo, parámetros, variables de decisión y/o restricciones; dado que el modelo matemático de optimización de despacho económico tiene como objetivo optimizar los costos operativos generados en la producción de electricidad y no los CI y OyM de los activos de generación y BESS que participan en el despacho económico. Se han realizado tres casos de estudio con diferentes escenarios de perfil de generación de Energía Renovable Variable (ERV) – 70% eólica y 30% fotovoltaica, 100% eólica y 100% fotovoltaica – teniendo en común que en cada caso la producción de ERV generada para el sistema eléctrico es la misma. Asimismo, la configuración del sistema eléctrico es Multinodal con seis barras, 11 líneas de transmisión, tres centrales térmicas, una central hidroeléctrica con embalse, parque eólico y/o fotovoltaico, evaluando en cada caso los escenarios SIN y CON sistemas de almacenamiento con baterías (BESS). Los resultados obtenidos han permitido cuantificar y analizar que la integración de los sistemas de almacenamiento con baterías a los parques eólicos y solares mejora la gestión de la ERV en el despacho económico del sistema eléctrico resultando en escenarios de alta generación eólica y solar. Para ello, se ha cuantificado el ahorro y beneficio sobre los costos de operación del sistema eléctrico y la matriz de electricidad, considerando escenarios SIN y CON sistemas de almacenamiento con baterías (BESS) para cuatro casos de estudio. Finalmente, la presente investigación se considera una contribución para cuantificar los impactos de las BESS en el aprovechamiento y gestión eficiente del recurso eólico y solar, vista desde la mejora del despacho económico de corto plazo al integrar las BESS a los parques eólicos y/o fotovoltaicos en escenarios de alta generación de ERV, situación que actualmente se vienen presentando en países de Europa y algunos de LATAM.

Currently, Battery Energy Storage Systems (BESS) are being implemented on a large scale in various countries across Europe, Asia, Oceania, and recently in Latin America (LATAM) to address different challenges in the activities that make up the electricity sector (generation, transmission, distribution, and commercialization) while also promoting the development of the energy transition. This has sparked studies and discussions on the positive and/or negative impacts on the value chain of the electricity sector, as well as the potential regulatory changes needed for its implementation. For instance, BESS can be integrated with wind and photovoltaic parks in scenarios of high penetration of variable renewable energy (VRE) into the electricity system, improving the efficient management of primary resources (wind and solar) in electricity production. This can indirectly impact the reduction of system operating costs in economic dispatch and reduce greenhouse gas emissions by displacing conventional generation that uses non-renewable resources. Moreover, it enhances the operational flexibility of the electrical system. Therefore, the integration of BESS into wind and photovoltaic parks is considered—by several countries advanced in renewable energy development—as one of the most sophisticated ways to store renewable energy, both at large-scale electricity generation plants and at the individual consumer level. The objective of this research is to quantify the impact of improving economic dispatch in the efficient management of wind and solar resources for electricity production through the integration of battery energy storage systems into wind and photovoltaic parks in a scenario of high VRE penetration (wind and solar) in a multi-node electrical system. A characteristic of operation in some time stages during the analysis period is that the VRE supply exceeds the electricity demand. To achieve the objective, various sources of information were reviewed and analyzed, including scientific articles published in indexed journals, master’s theses, doctoral dissertations, and recordings of international conferences and seminars related to this research. This information supports the argument and rationale behind the impact of integrating battery energy storage systems into wind and photovoltaic parks to improve economic dispatch in electrical systems in scenarios of high VRE penetration. It is worth noting that the mathematical model developed in this research was implemented using the GAMS (General Algebraic Modeling System) software, which will solve a nonlinear economic dispatch optimization problem (NLP) using the “CONOPT” solver, included in the licensed software package. The development of the mathematical formulation representing the modeling of the integration of storage systems into wind and/or photovoltaic parks and its implementation as part of the equations and constraints in an economic dispatch optimization model means that BESS will efficiently manage the VRE generated during periods of high production, storing the surplus (BESS charging process) and releasing it when needed (BESS discharging process). This avoids relying on more expensive energy sources (those using fossil fuels) and wasting wind and solar resources in VRE management, indirectly reducing total electricity generation costs and CO2 greenhouse gas emissions caused by the use of fossil fuels in electricity production. It should be noted that the BESS charging process modeling uses the generation from the wind and/or photovoltaic parks themselves, without considering the withdrawal of active power from the electrical system grid. Furthermore, the Investment Costs (CI) and Operation and Maintenance (O&M) Costs of BESS have not been considered as part of the objective function, parameters, decision variables, and/or constraints, as the objective of the economic dispatch optimization model is to optimize the operational costs generated in electricity production, not the CI and O&M costs of generation assets and BESS participating in the economic dispatch. Three case studies were carried out with different Variable Renewable Energy (VRE) generation profile scenarios—70% wind and 30% photovoltaic, 100% wind, and 100% photovoltaic—with the common factor that the VRE production for the electrical system is the same in each case. Additionally, the electrical system configuration is multi- node with six buses, 11 transmission lines, three thermal power plants, a hydroelectric power plant with a reservoir, wind and/or photovoltaic parks, evaluating in each case the scenarios WITHOUT and WITH battery storage systems (BESS).

The results obtained have allowed us to quantify and analyze that the integration of battery storage systems into wind and solar parks improves the VRE management in the economic dispatch of the electrical system, resulting in scenarios of high wind and solar generation. The savings and benefits on the operating costs of the electrical system and the electricity matrix have been quantified, considering scenarios WITHOUT and WITH BESS for four case studies. Finally, this research is considered a contribution to quantifying the impacts of BESS in the efficient utilization and management of wind and solar resources, as seen from the perspective of improving short-term economic dispatch by integrating BESS into wind and/or photovoltaic parks in scenarios of high VRE generation, a situation currently occurring in European countries and some in LATAM.