Flexibele uitbating van elektriciteitscentrales in systemen met een hoog aandeel hernieuwbare energie

De grootschalige integratie van variabele en slechts gedeeltelijk voorspelbare hernieuwbare energiebronnen (zoals wind- en zonne-energie) in moderne elektriciteitssystemen stelt ons voor uitdagingen met betrekking tot de beperkte flexibiliteit van elektriciteitscentrales, de kostenefficiënte werking van de elektriciteitsmarkt en de betrouwbaarheid van het elektriciteitssysteem. Dit proefschrift beschrijft een operationeel modelleerraamwerk, dat vervolgens wordt ingezet in gevalstudies om nieuwe of verbeterde inzichten te verwerven over technische en kostengerelateerde aspecten van elektriciteitsproductiesystemen in het licht van deze uitdagingen. De kern van het ontwikkelde modelleerraamwerk is een operationeel model van het elektriciteitsproductiesysteem, een zogenaamd \emph{unit commitment} model. Dit operationele model berekent het kostenoptimale productieschema voor een portefeuille van elektriciteitscentrales en -opslaginstallaties met inachtneming van hun technische beperkingen. Tegelijkertijd zorgt het unit commitment model voor voldoende operationele controlereserves om de onzekerheid van intermitterende hernieuwbare energie het hoofd te kunnen bieden. Wanneer het unit commitment model wordt ingezet in combinatie met een techniek voor het genereren van productiescenarios van windenergie, is het resulterende modelleerraamwerk geschikt voor het bestuderen van de flexibele uitbating van elektriciteitscentrales en wijzigingen aan het ontwerp van elektriciteitsmarkten  in elektriciteitssystemen met een hoog aandeel hernieuwbare energie. In dit proefschrift wordt eerst ingegaan op de moeilijkheden om de variaties in hernieuwbare energieproductie te beheersen en voorspellingsfouten op te vangen, rekening houdend met de beperkte flexibiliteit van de overige productieportfolio. De impact van het groeiend aandeel van variabele hernieuwbare energie op het af- en aanschakelen van thermische centrales wordt in kaart gebracht. Er wordt bijzondere aandacht besteed aan de hogere onderhoudskosten die ermee gepaard gaan, aangezien wordt aangetoond dat deze een belangrijk deel van de totale operationele kosten vertegenwoordigen en beduidend zijn in verhouding tot de marginale productiekosten van de thermische centrales. Bovendien wordt de mogelijke afweging tussen opstartflexibiliteit en de bijbehorende kosten endogeen meegenomen in de productieplanning, wat leidt tot kostenbesparingen en een lagere kostenoptimale dimensionering van het controlereservevolume. Betreffende de kostenefficiënte werking van de elektriciteitsmarkt is de grote onzekerheid ten gevolge van de beperkt voorspelbaarheid van intermitterende hernieuwbare energieproductie een belangrijk aspect om rekening mee te houden. De gevalstudies in dit proefschrift demonstreren een aanzienlijk kostenbesparingspotentieel van het vastleggen van het uiteindelijke productieschema korter bij het moment van levering. Dit wordt voornamelijk gedreven door een afnemende behoefte aan controlereserves om de onzekerheid van intermitterende hernieuwbare energieproductie op te vangen, die immers daalt naarmate het moment van levering korter bij komt. De kostenbesparing wordt echter geremd door de beperkte flexibiliteit van de thermische productieportfolio. Flexibiliteit in de vorm van controlereserves is nodig om voorspellingsfouten te kunnen anticiperen. De voordelen van het verfijnen van de temporele granulariteit van controlereservemarkten worden in kaart gebracht. De bevindingen van een gevalstudie tonen aan dat de voorziening van reserves op kortere termijn (frequente en dynamische dimensionering en frequente toewijzing met kortlopende producten) tot aanzienlijke operationele kostenbesparingen leidt en eventuele schaarste op controlereservemarkten zou kunnen voorkomen. Bovendien bevorderen de onderzochte wijzigingen in het ontwerp van de reservemarkten de integratie van intermitterende hernieuwbare energiebronnen in het elektriciteitssysteem.  Ten slotte levert dit proefschrift een bijdrage aan de materie van bevoorradingszekerheidsstudies van elektriciteitsproductiesystemen. Het verband tussen de bevoorradingszekerheid en de operationele betrouwbaarheid wordt onderzocht. Er wordt aangetoond dat de bevoorradingszekerheidsindices bekomen uit operationele modellen die doorgaans gebruikt worden in de huidige bevoorradingszekerheidsstudies een worst-case situatie weerspiegelen en met zorg moeten worden geïnterpreteerd. Door gebruik te maken van een geavanceerde reservevoorzieningsmethode wordt de bijdrage van controlereserves aan de bevoorradingszekerheid correcter ingeschat en worden accuratere bevoorradingszekerheidsindices bekomen. Deze bevindingen zouden beoefenaars in de praktijk moeten aanmoedigen om verbeterde operationele elektriciteitsproductiemodellen voor bevoorradingszekerheidsstudies in te zetten om daarbij de bijdrage van controlereserves aan de bevoorradingszekerheid accuraat in te schatten.