Modellering van energiesystemen: adequaatheid van generatiesystemen in het EPOC 2030-2050-project

Dit proefschrift onderzoekt (1) hoe energie-beperkte bronnen, zoals batterijopslag, het gebruik van kostenminimaliserende operationele en planningsmodellen voor de toereikendheid van bronnen beïnvloeden en (2) hoe op optimalisatie gebaseerde planningsmodellen voor capaciteitsuitbreiding kunnen worden verbeterd om hoge penetraties van variabele hernieuwbare energiebronnen, zoals wind en zon, te accommoderen. De context die dit onderzoek motiveert is het toenemende volume van variabele hernieuwbare energieopwekking in het Europese elektrische energiesysteem en de groeiende toepassing van technologieën, zoals batterij- en chemische opslagoplossingen, om deze opwekking aan te vullen.

De toereikendheid van bronnen beschrijft het vermogen van een elektrisch energiesysteem om te voorzien in de totale behoefte aan elektrische energie, rekening houdend met geplande en ongeplande uitval van systeemcomponenten. In tegenstelling tot thermische generatoren zoals gascentrales, kunnen er veel manieren zijn om energie-beperkte bronnen te gebruiken die resulteren in verschillende adequaatheidsindicatoren terwijl ze nog steeds kostenoptimaal zijn. Dit proefschrift kwantificeert dit effect en laat zien dat het van dezelfde grootteorde is als de onzekerheid die inherent is aan adequaatheidbeoordelingen. Het toont aan dat de analytische uitdrukking voor het optimale adequaatheidsniveau, die de EU-lidstaten wettelijk verplicht zijn te gebruiken, een pieksparende werking van energiebeperkte bronnen voorschrijft. Deze operatie moet consequent worden toegepast op alle aspecten van het kader voor toereikendheid van de hulpbronnen, namelijk de berekening van de betrouwbaarheidsnorm, de toereikendheidsbeoordelingen en de capaciteitsmechanismen. Deze consistentie is van cruciaal belang om het kader coherent te houden en te laten functioneren zoals bedoeld. Als deze aanpak niet wordt gevolgd, kan dit leiden tot een economisch inefficiënt elektriciteitssysteem met onvoldoende of te veel capaciteit.

Planningsmodellen voor capaciteitsuitbreiding zijn technisch-economische optimalisatieproblemen die vaak worden gebruikt om besluitvormers te helpen bij het vormgeven van de overgang naar een koolstofarm energie- of elektriciteitssysteem. Deze modellen maken meestal aannames waarvan de geldigheid voor toekomstige elektriciteitssystemen twijfelachtig is. Ze gebruiken bijvoorbeeld slechts een paar representatieve dagen aan gegevens en verwaarlozen intertemporele beperkingen daartussen. Hierdoor wordt de waarde van langetermijnopslag voor het balanceren van zeer duurzame systemen niet weergegeven. Dit proefschrift vergelijkt nieuwe tijdreeks aggregatiemethoden en modelformuleringen die representatieve dagen gebruiken maar nog steeds langetermijnopslag kunnen waarderen. Hoewel er oplossingen bestaan, kunnen deze nog steeds meer representatieve dagen vereisen dan wanneer er geen langetermijnopslag is. Grotere volumes variabele hernieuwbare opwekking zullen meer operationele reserves vereisen om voorspellingsfouten op te vangen. Dit proefschrift stelt een nieuwe, computationeel efficiënte methode voor om hiermee rekening te houden in planningsmodellen voor capaciteitsuitbreiding.