Techno-economic assessment of pumped storage hydro power in hybrid operation with floating photovoltaic and battery energy storage

Abstract

In dieser Arbeit werden die technisch-wirtschaftlichen Auswirkungen einer schwimmenden PV-Anlage (FPV) und eines Batteriespeichersystems (BESS) im Hybridbetrieb mit Pumpspeicher-Wasserkraftwerken (PSHP) untersucht, die auf dem Day-Ahead-Markt gehandelt werden. Es wird davon ausgegangen, dass die FPV dem PSHP zusätzliche Vorteile bringt, indem sie die Verdunstung reduziert und somit die Gesamteffizienz des Speichers erhöht. Weitere Vorteile, wie die gemeinsame Nutzung des Netzanschlusses und die Erhöhung der Auslastung der FPV-Erzeugung durch Verringerung der Abregelung, werden ebenfalls bewertet. Es wird ein Vergleich zwischen binärem und ternärem Betrieb des PSHP gezogen, bei dem der ternäre Betrieb die betriebliche Flexibilität erhöht. Für das PSHP wird ein bestehendes Speicherkraftwerk in Mittelschweden als Referenz genommen, für das Global Hydro spezifische Daten zur Verfügung stellt. Es wird eine stationäre Simulation angewendet, die für den Handel auf dem Day-Ahead-Markt optimiert ist. Als Simulationsframework für das technische Modell wird das interne TESCA-Framework des Austrian Institute of Technology (AIT) verwendet, welches ein Python-basiertes Tool zur techno-ökonomischen Bewertung verschiedener Technologien ist. Das Optimierungsmodell ist eine linearisierte Abstraktion, die mit dem Julia-basierten Optimierungstool IESOpt des AIT implementiert wurde. Die Simulation wird für verschiedene Größen der nominalen FPV-Leistung, der nutzbaren Energiekapazität der Batterie und der BESS-Speicherdauer (Verhältnis von nutzbarer Energiekapazität und maximaler Entlade-/Ladeleistung) innerhalb einer Parameterstudie durchgeführt, um den Einfluss auf die technischen und wirtschaftlichen Leistungsindikatoren zu zeigen. Die Stromgestehungskosten (LCOE) und der Kapitalwert (NPV) des gesamten Hybridsystems werden für verschiedene gewichtete durchschnittliche Kapitalkosten berechnet, um die wirtschaftliche Rentabilität zu bewerten. Es zeigt sich, dass durch den kombinierten Betrieb von FPV und PSHP die begrenzte Netzanschlusskapazität besser genutzt werden kann, da der FPV-Strom als Input für die Pumpen dienen kann. Das BESS fügt eine weitere Speicherkapazität hinzu, um die FPV-Erzeugung zu speichern und sie über Arbitrage auf Zeiten hoher Energiepreise zu verlagern. Insgesamt erhöhen FPV und BESS die LCOE, da die zusätzlichen Kosten nicht durch den Energieüberschuss kompensiert werden. Der Kapitalwert wird durch beide Technologien verringert und macht das gesamte System wirtschaftlich unrentabel, wenn die Nennleistung des FPV und die nutzbare Energiekapazität des BESS erhöht werden.

This thesis investigates the techno-economic impact of a floating PV system (FPV) and a battery energy storage system (BESS) in hybrid operation with pumped storage hydro power plants (PSHP) traded on the day-ahead market. It is assumed that FPV brings additional benefits to the PSHP by reducing evaporation and thus increasing the overall efficiency of the storage. Other advantages, such as sharing the grid connection and increasing the utilization of FPV generation by reducing curtailment, are also evaluated. A comparison is made between the binary and ternary operation of the PSHP, in which the ternary mode of operation increases operational flexibility. An existing storage power plant in central Sweden, for which Global Hydro provides specific data, is used as a reference for the PSHP. A steady-state simulation is used, which is optimized for trading on the day-ahead market. The simulation framework used for the technical model is the internal TESCA framework of the Austrian Institute of Technology (AIT), which is a Python-based tool for the techno-economic assessment of different technologies. The optimization model is a linearized abstraction implemented with the Julia-based optimization tool IESOpt of the AIT. The simulation is performed for different quantities of nominal FPV power, battery usable energy capacity and BESS storage duration (ratio of usable energy capacity and maximum discharge/charge power) within a parameter study to show the impact on the technical and economic key performance indicators. The levelized cost of energy (LCOE) and net present value (NPV) of the entire hybrid system are calculated for different weighted average costs of capital to assess the economic viability of the entire hybrid system. It is shown that the combined operation of FPV and PSHP can make better use of the limited grid connection capacity, as the FPV electricity can serve as input for the pumps. The BESS adds further storage capacity to store FPV generation and shift it via arbitrage to times of high energy prices. Overall, FPV and BESS increase the LCOE as the additional costs are not compensated by the energy surplus. The NPV is reduced by both technologies and makes the entire system economically nonviable for increasing nominal FPV power and BESS usable energy capacity.