Assessment and optimization of wind energy integration into the power systems: application to the portuguese system

The increasing integration of wind energy in power systems can be responsible for the occurrence of over-generation, especially during the off-peak periods. This paper presents a dedicated methodology to identify and quantify the occurrence of this over-generation and to evaluate some of the solutions that can be adopted to mitigate this problem. The methodology is applied to the Portuguese power system, in which the wind energy is expected to represent more than 25% of the installed capacity in a near future. The results show that the pumped-hydro units will not provide enough energy storage capacity and, therefore, wind curtailments are expected to occur in the Portuguese system. Additional energy storage devices can be implemented to offset the wind energy curtailments. However, the investment analysis performed show that they are not economically viable, due to the present high capital costs involved.

Coordinated Operation of PV and Battery Energy Storage Systems

Despite tough economic times, the uptake of photovoltaic (PV) technology has seen tremendous growth over the past decade. More than 21 GW of rooftop PV systems were installed globally in the year 2012 alone. This is fueled by various incentives offered by policy makers around the world with a goal of enhancing renewable energy integration and reducing the dependence on fossil fuels. For instance, the goal of achieving 20% energy consumption from renewable resources by 2020 has been unanimously accepted by numerous countries in Europe, North America, and Australia. Uptake of PVs by residential and small businesses has been augmented by generous rebates offered by government on installations and on the amount of energy injected into the grid. Furthermore, the global market outlook report published by EPIA predicts that the rooftop PV installations will continue to grow for the foreseeable future.

Smart electricity networks based on large integration of renewable sources and distributed generation

Das Grünbuch 2006 der Europäischen Kommission "Eine Europäische Strategie für nachhaltige, wettbewerbsfähige und sichere Energie" unterstreicht, dass Europa in ein neues Energie-Zeitalter eingetreten ist. Die vorrangigen Ziele europäischer Energiepolitik müssen Nachhaltigkeit, Wettbewerbsfähigkeit und Versorgungssicherheit sein, wobei sie eine zusammenhängende und logische Menge von Taktiken und Maßnahmen benötigt, um diese Ziele zu erreichen. Die Strommärkte und Verbundnetze Europas bilden das Kernstück unseres Energiesystems und müssen sich weiterentwickeln, um den neuen Anforderungen zu entsprechen. Die europäischen Stromnetze haben die lebenswichtigen Verbindungen zwischen Stromproduzenten und Verbrauchern mit großem Erfolg seit vielen Jahrzehnten gesichert. Die grundlegende Struktur dieser Netze ist entwickelt worden, um die Bedürfnisse großer, überwiegend auf Kohle aufgebauten Herstellungstechnologien zu befriedigen, die sich entfernt von den Verbraucherzentren befinden. Die Energieprobleme, denen Europa jetzt gegenübersteht, ändern die Stromerzeugungslandschaft in zwei Gesichtspunkten: die Notwendigkeit für saubere Kraftwerkstechnologien verbunden mit erheblich verbesserten Wirkungsgraden auf der Verbraucherseite wird es Kunden ermöglichen, mit den Netzen viel interaktiver zu arbeiten; andererseits müssen die zukünftigen europaweiten Stromnetze allen Verbrauchern eine höchst zuverlässige, preiswerte Energiezufuhr bereitstellen, wobei sowohl die Nutzung von großen zentralisierten Kraftwerken als auch kleineren lokalen Energiequellen überall in Europa ausgeschöpft werden müssen. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Informationen, die in dieser Arbeit dargestellt werden, auf aktuellen Fragen mit großem Einfluss auf die gegenwärtigen technischen und wirtschaftspolitischen Diskussionen basieren. Der Autor hat während der letzten Jahre viele der hier vorgestellten Schlussfolgerungen und Empfehlungen mit Vertretern der Kraftwerksindustrie, Betreibern von Stromnetzen und Versorgungsbetrieben, Forschungsgremien und den Regulierungsstellen diskutiert. Die folgenden Absätze fassen die Hauptergebnisse zusammen: Diese Arbeit definiert das neue Konzept, das auf mehr verbraucherorientierten Netzen basiert, und untersucht die Notwendigkeiten sowie die Vorteile und die Hindernisse für den Übergang auf ein mögliches neues Modell für Europa: die intelligenten Stromnetze basierend auf starker Integration erneuerbarer Quellen und lokalen Kleinkraftwerken. Das neue Modell wird als eine grundlegende Änderung dargestellt, die sich deutlich auf Netzentwurf und -steuerung auswirken wird. Sie fordert ein europäisches Stromnetz mit den folgenden Merkmalen: – Flexibel: es erfüllt die Bedürfnisse der Kunden, indem es auf Änderungen und neue Forderungen eingehen kann – Zugänglich: es gestattet den Verbindungszugang aller Netzbenutzer besonders für erneuerbare Energiequellen und lokale Stromerzeugung mit hohem Wirkungsgrad sowie ohne oder mit niedrigen Kohlendioxidemissionen – Zuverlässig: es verbessert und garantiert die Sicherheit und Qualität der Versorgung mit den Forderungen des digitalen Zeitalters mit Reaktionsmöglichkeiten gegen Gefahren und Unsicherheiten – Wirtschaftlich: es garantiert höchste Wirtschaftlichkeit durch Innovation, effizientes Energiemanagement und liefert „gleiche Ausgangsbedingungen“ für Wettbewerb und Regulierung. Es beinhaltet die neuesten Technologien, um Erfolg zu gewährleisten, während es die Flexibilität behält, sich an weitere Entwicklungen anzupassen und fordert daher ein zuversichtliches Programm für Forschung, Entwicklung und Demonstration, das einen Kurs im Hinblick auf ein Stromversorgungsnetz entwirft, welches die Bedürfnisse der Zukunft Europas befriedigt: – Netztechnologien, die die Stromübertragung verbessern und Energieverluste verringern, werden die Effizienz der Versorgung erhöhen, während neue Leistungselektronik die Versorgungsqualität verbessern wird. Es wird ein Werkzeugkasten erprobter technischer Lösungen geschaffen werden, der schnell und wirtschaftlich eingesetzt werden kann, so dass bestehende Netze Stromeinleitungen von allen Energieressourcen aufnehmen können. – Fortschritte bei Simulationsprogrammen wird die Einführung innovativer Technologien in die praktische Anwendung zum Vorteil sowohl der Kunden als auch der Versorger stark unterstützen. Sie werden das erfolgreiche Anpassen neuer und alter Ausführungen der Netzkomponenten gewährleisten, um die Funktion von Automatisierungs- und Regelungsanordnungen zu garantieren. – Harmonisierung der ordnungspolitischen und kommerziellen Rahmen in Europa, um grenzüberschreitenden Handel von sowohl Energie als auch Netzdienstleistungen zu erleichtern; damit muss eine Vielzahl von Einsatzsituationen gewährleistet werden. Gemeinsame technische Normen und Protokolle müssen eingeführt werden, um offenen Zugang zu gewährleisten und den Einsatz der Ausrüstung eines jeden Herstellers zu ermöglichen. – Entwicklungen in Nachrichtentechnik, Mess- und Handelssystemen werden auf allen Ebenen neue Möglichkeiten eröffnen, auf Grund von Signalen des Marktes frühzeitig technische und kommerzielle Wirkungsgrade zu verbessern. Es wird Unternehmen ermöglichen, innovative Dienstvereinbarungen zu benutzen, um ihre Effizienz zu verbessern und ihre Angebote an Kunden zu vergrößern. Schließlich muss betont werden, dass für einen erfolgreichen Übergang zu einem zukünftigen nachhaltigen Energiesystem alle relevanten Beteiligten involviert werden müssen.

Dieselmotor-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen im Kontext der Integration Erneuerbarer Energien in die Energieversorgung

In dieser Arbeit werden die sich abzeichnenden zukünftigen Möglichkeiten, Stärken und Schwächen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) untersucht. Dies geschieht vor dem Hintergrund des Klimawandels, der Integration steigender Anteile Erneuerbarer Energien in die Stromerzeugung und unter Berücksichtigung der sich damit ergebenden Herausforderungen, eine sichere und nachhaltige Stromversorgung zu gestalten. Der Fokus liegt auf der Dieselmotor-KWK und der Nutzung nachwachsender Kraftstoffe. Es wird davon ausgegangen, dass der Übergang zu einer reinen Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energiequellen in Deutschland unter erheblicher Einbindung des hohen Potentials der kostengünstigen, umweltfreundlichen, aber in der Leistung extrem fluktuierenden Windenergie erfolgen wird. Als dezentrales Integrationswerkzeug wurde die Kraft-Wärme-Kopplung mit Dieselmotoren untersucht. Sie entspricht aufgrund ihrer großen Flexibilität und ihrer hohen Wirkungsgrade mit vergleichsweise kleinen Leistungen sehr gut den Anforderungen der gleichzeitigen dezentralen Wärmenutzung. In der Dissertation werden die Randbedingungen der Dieselmotor-KWK untersucht und beschrieben. Darauf aufbauend werden unterschiedliche Modelle der Windintegration durch KWK erarbeitet und in diversen Variationen wird der Ausgleich der Stromerzeugung aus Windenergie durch KWK simuliert. Darüber hinaus werden dezentrale KWK-Anlagen hinsichtlich eines koordinierten gemeinsamen Betriebs und hinsichtlich der optimalen Auslegung für den Windenergieausgleich betrachtet. Es wird für den beschriebenen Kontext der Erneuerbaren Energien und der Kraft-Wärme-Kopplung das Thema „Umweltwirkungen“ diskutiert. Es wird dargelegt, dass die heute verwendeten Ansätze zur Bewertung der KWK zu einer Verzerrung der Ergebnisse führen. Demgegenüber wurde mit der so genannten Outputmethode eine Methode der Ökobilanzierung vorgestellt, die, im Gegensatz zu den anderen Methoden, keine verzerrenden Annahmen in die Wirkungsabschätzung aufnimmt und somit eine eindeutige und rein wissenschaftliche Auswertung bleibt. Hiermit ist die Grundlage für die Bewertung der unterschiedlichen Technologien und Szenarien sowie für die Einordnung der KWK in den Kontext der Energieerzeugung gegeben. Mit der Outputmethode wird u.a. rechnerisch bewiesen, dass die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung in KWK-Anlagen tatsächlich die optimale Nutzung der regenerativen Kraftstoffe „Biogas“ und „Pflanzenöl“ im Hinblick auf Ressourceneinsatz, Treibhausgaseinsparung und Exergieerzeugung ist. Es wurde darüber hinaus die Frage untersucht woher die für die Stromerzeugung durch Dieselmotor-KWK-Anlagen notwendige Bioenergie genommen werden kann. Es ist erwiesen, dass die in Deutschland nutzbare landwirtschaftliche Fläche nur zur Deckung eines Teils der Stromerzeugung ausreichen würde. Einheimisches Biogas und nachhaltiges importiertes Pflanzenöl, das in hohem Maße auf degradierten Böden angebaut werden sollte, können die notwendige Brennstoffenergie liefern. Um im Ausland ausreichend Pflanzenöl herstellen zu können, wird eine landwirtschaftliche Fläche von 6 bis 12 Mio. ha benötigt. Das Ergebnis ist, dass ein voller Ausgleich von Windenergie-Restlast durch KWK mit Erneuerbaren Energieträgern sinnvoll und machbar ist! Dieses Wind-KWK-DSM-System sollte durch ein Stromnetz ergänzt sein, das Wasserkraftstrom für den Großteil der Regelenergieaufgaben nutzt, und das den großräumigen Ausgleich Erneuerbarer Energien in Europa und den Nachbarregionen ermöglicht.

Simultaneous synthesis of heat exchanger networks with pressure recovery: optimal integration between heat and work

The optimal integration between heat and work may significantly reduce the energy demand and consequently the process cost. This paper introduces a new mathematical model for the simultaneous synthesis of heat exchanger networks (HENs) in which the pressure levels of the process streams can be adjusted to enhance the heat integration. A superstructure is proposed for the HEN design with pressure recovery, developed via generalized disjunctive programming (GDP) and mixed-integer nonlinear programming (MINLP) formulation. The process conditions (stream temperature and pressure) must be optimized. Furthermore, the approach allows for coupling of the turbines and compressors and selection of the turbines and valves to minimize the total annualized cost, which consists of the operational and capital expenses. The model is tested for its applicability in three case studies, including a cryogenic application. The results indicate that the energy integration reduces the quantity of utilities required, thus decreasing the overall cost.

Out of Challenge, Opportunity: Central America's Electric Sector & Key Issues and Recommendations for Enhanced Regional Electric Integration

Taken together, the six nations of Central America count a population of roughly 40 million people and an energy market equal in size to that of Colombia, sufficient to benefit from economies of scale. The region has traditionally been a net importer of hydrocarbons, and hydroelectricity has dominated electric generation. But more recently, thermoelectric generation (diesel and fuel oil) has greatly increased as a percentage of the regional generation market. Progress has been made across the region’s electric sector, beginning with reforms in the 1990s and the 1996 signing of a regional treaty aimed at the development of a regional energy integration project – the Central American Electrical Interconnection System, or SIEPAC. A fundamental SIEPAC goal is to set up a regional electric market and a regulatory system. Indeed, after many years of development, SIEPAC is poised to open a new chapter in Central America’s electric infrastructure and market. But this new era must contend with critical issues such as the need to consolidate the regional electric market, political issues surrounding the venture, and security concerns. Moreover, local conflicts, in different degrees, have become priorities for policymakers, and these are possible barriers to completing the project. The goals of the SIEPAC project and of deepening the broader electric integration process are possible if national and regional decision makers understand that cooperative decision making will produce better results than separate national decision making. Enhanced regional understanding and cooperative decision making, combined with an effort to reorient the terminology and dialogue vis-à-vis energy efficiency in Central America, form the core recommendations of this paper.

An iterative analytical design framework for the optimal designing of an off-grid renewable energy based hybrid smart micro-grid

Creative ways of utilising renewable energy sources in electricity generation especially in remote areas and particularly in countries depending on imported energy, while increasing energy security and reducing cost of such isolated off-grid systems, is becoming an urgently needed necessity for the effective strategic planning of Energy Systems. The aim of this research project was to design and implement a new decision support framework for the optimal design of hybrid micro grids considering different types of different technologies, where the design objective is to minimize the total cost of the hybrid micro grid while at the same time satisfying the required electric demand. Results of a comprehensive literature review, of existing analytical, decision support tools and literature on HPS, has identified the gaps and the necessary conceptual parts of an analytical decision support framework. As a result this research proposes and reports an Iterative Analytical Design Framework (IADF) and its implementation for the optimal design of an Off-grid renewable energy based hybrid smart micro-grid (OGREH-SμG) with intra and inter-grid (μG2μG & μG2G) synchronization capabilities and a novel storage technique. The modelling design and simulations were based on simulations conducted using HOMER Energy and MatLab/SIMULINK, Energy Planning and Design software platforms. The design, experimental proof of concept, verification and simulation of a new storage concept incorporating Hydrogen Peroxide (H2O2) fuel cell is also reported. The implementation of the smart components consisting Raspberry Pi that is devised and programmed for the semi-smart energy management framework (a novel control strategy, including synchronization capabilities) of the OGREH-SμG are also detailed and reported. The hybrid μG was designed and implemented as a case study for the Bayir/Jordan area. This research has provided an alternative decision support tool to solve Renewable Energy Integration for the optimal number, type and size of components to configure the hybrid μG. In addition this research has formulated and reported a linear cost function to mathematically verify computer based simulations and fine tune the solutions in the iterative framework and concluded that such solutions converge to a correct optimal approximation when considering the properties of the problem. As a result of this investigation it has been demonstrated that, the implemented and reported OGREH-SμG design incorporates wind and sun powered generation complemented with batteries, two fuel cell units and a diesel generator is a unique approach to Utilizing indigenous renewable energy with a capability of being able to synchronize with other μ-grids is the most effective and optimal way of electrifying developing countries with fewer resources in a sustainable way, with minimum impact on the environment while also achieving reductions in GHG. The dissertation concludes with suggested extensions to this work in the future.

High penetration of rooftop photovoltaic cells in low voltage distribution networks : voltage imbalance and improvement

Installation of domestic rooftop photovoltaic cells (PVs) is increasing due to feed–in tariff and motivation driven by environmental concerns. Even though the increase in the PV installation is gradual, their locations and ratings are often random. Therefore, such single–phase bi–directional power flow caused by the residential customers can have adverse effect on the voltage imbalance of a three–phase distribution network. In this chapter, a voltage imbalance sensitivity analysis and stochastic evaluation are carried out based on the ratings and locations of single–phase grid–connected rooftop PVs in a residential low voltage distribution network. The stochastic evaluation, based on Monte Carlo method, predicts a failure index of non–standard voltage imbalance in the network in presence of PVs. Later, the application of series and parallel custom power devices are investigated to improve voltage imbalance problem in these feeders. In this regard, first, the effectiveness of these two custom power devices is demonstrated vis–à–vis the voltage imbalance reduction in feeders containing rooftop PVs. Their effectiveness is investigated from the installation location and rating points of view. Later, a Monte Carlo based stochastic analysis is utilized to investigate their efficacy for different uncertainties of load and PV rating and location in the network. This is followed by demonstrating the dynamic feasibility and stability issues of applying these devices in the network.

Interconnected autonomous microgrids in smart grids with self-healing

In order to minimize the number of load shedding in a Microgrid during autonomous operation, islanded neighbour microgrids can be interconnected if they are on a self-healing network and an extra generation capacity is available in Distributed Energy Resources (DER) in one of the microgrids. In this way, the total load in the system of interconnected microgrids can be shared by all the DERs within these microgrids. However, for this purpose, carefully designed self-healing and supply restoration control algorithm, protection systems and communication infrastructure are required at the network and microgrid levels. In this chapter, first a hierarchical control structure is discussed for interconnecting the neighbour autonomous microgrids where the introduced primary control level is the main focus. Through the developed primary control level, it demonstrates how the parallel DERs in the system of multiple interconnected autonomous microgrids can properly share the load in the system. This controller is designed such that the converter-interfaced DERs operate in a voltage-controlled mode following a decentralized power sharing algorithm based on droop control. The switching in the converters is controlled using a linear quadratic regulator based state feedback which is more stable than conventional proportional integrator controllers and this prevents instability among parallel DERs when two microgrids are interconnected. The efficacy of the primary control level of DERs in the system of multiple interconnected autonomous microgrids is validated through simulations considering detailed dynamic models of DERs and converters.

O desafio foi lançado: o Brasil em busca da integração energética sul-americana (2000-2010)

Em anos recentes, a temática energética vem sendo objeto de barganhas políticas e econômicas na América do Sul. O presente trabalho visou a trazer tal temática para as Relações Internacionais, no âmbito da Integração Regional, com ênfase no papel do Brasil em suas relações internacionais com os vizinhos sul-americanos, no recorte temporal 2000-2010. Argumentou-se que o Brasil vem buscando a integração energética relacionada à infraestrutura na América do Sul com vistas à promoção do seu desenvolvimento. O desenvolvimento regional está conectado com o nacional. O Brasil também teve como objetivo garantir a estabilidade regional. Trabalhou-se com o conceito de integração energética definido como a constituição de ativos comuns permanentes entre os países. Ademais, as iniciativas dos processos integracionistas em energia foram analisadas com foco na IIRSA, iniciativa até então inédita. Posteriormente, a IIRSA foi reestruturada e incorporada à UNASUL e um novo e exclusivo Conselho para assuntos energéticos foi criado. A OLADE e o MERCOSUL também entraram no debate, de forma breve, a fim de contextualizar a energia como fator vital para o desenvolvimento regional antes dos anos 2000. Os setores potenciais para a integração energética sul-americana foram os de gás natural e hidroeletricidade com base na definição proposta na presente pesquisa.

Gas generation in interconnected power systems with high wind power penetration

Increasing installed capacities of wind power in an effort to achieve sustainable power systems for future generations pose problems for system operators. Volatility in generation volumes due to the adoption of stochastic wind power is increasing. Storage has been shown to act as a buffer for these stochastic energy sources, facilitating the integration of renewable energy into a historically inflexible power system. This paper examines peak and off peak benefits realised by installing a short term discharge storage unit in a system with a high penetration of wind power in 2020. A fully representative unit commitment and economic dispatch model is used to analyse two scenarios, one ‘with storage’ and one ‘without storage’. Key findings of this preliminary study show that wind curtailment can be reduced in the storage scenario, with a larger reduction in peak time ramping of gas generators is realised.

What do high penetrations of wind power mean for gas generation?

Dependency on thermal generation and continued wind power growth in Europe due to renewable energy and greenhouse gas emissions targets has resulted in an interesting set of challenges for power systems. The variability of wind power impacts dispatch and balancing by grid operators, power plant operations by generating companies and market wholesale costs. This paper quantifies the effects of high wind power penetration on power systems with a dependency on gas generation using a realistic unit commitment and economic dispatch model. The test system is analyzed under two scenarios, with and without wind, over one year. The key finding of this preliminary study is that despite increased ramping requirements in the wind scenario, the unit cost of electricity due to sub-optimal operation of gas generators does not show substantial deviation from the no wind scenario.

Avaliação da qualidade do ar e classificação energética de uma piscina coberta e propostas de melhoria

A presente dissertação tem dois objetivos, o primeiro é a realização de uma auditoria energética e avaliação da qualidade do ar às instalações de uma Piscina Municipal, permitindo a sua classificação energética, e o segundo é o estudo de propostas de melhoria que contribuam para uma melhor eficiência energética do edifício. Na análise à qualidade do ar interior os parâmetros avaliados encontravam-se todos dentro dos limites estabelecidos por lei, com exceção dos valores de COVs que em dois pontos de medição (ambos na nave) ultrapassaram os limites estabelecidos por lei. A auditoria ao edifício permitiu verificar que o caudal mínimo de água nova nas piscinas imposto por lei é cumprido pela instalação. No que diz respeito ao caudal de ar novo introduzido, este apenas é respeitado quando a unidade de tratamento de ar está a debitar 100% da sua capacidade. Quando a unidade opera a 50% da sua capacidade apresenta um défice de 5% do valor mínimo estabelecido. Relativamente às perdas energéticas associadas aos tanques de natação, estas apresentam um valor de 95,89 kW, em que 59,09 kW dizem respeito às perdas por evaporação. Foi também possível concluir que as perdas por evaporação representam cerca de 39% da energia calorifica produzida nas caldeiras. O edifício apresenta um consumo anual de eletricidade de 166 482 kWh em que 69% deste valor é provocado pelas unidades de tratamento de ar e a iluminação apresenta apenas um peso de 3%. Em relação ao gás natural consumido pelas caldeiras o seu valor anual é de 1 317 240 kWh. A simulação dinâmica do edifício permitiu concluir que este apresenta um IEE de 1 269,9 kWh/m2.ano. O rácio de classe energética (RIEE) é de 1,24 o que significa que o edifício pertence à classe energética C. As medidas estudadas para a melhoria da eficiência energética, nomeadamente integração energética com uma central de ciclo combinado, aplicação de cobertura isotérmica nas piscinas e substituição do telhado na zona da nave, mostraram-se viáveis. O estudo da possibilidade da realização de uma integração energética permitiu concluir que a poupança anual é de 9 374 € e o investimento é recuperado em menos de 1,5 anos. Relativamente à aplicação de cobertura isotérmica o investimento é de 14 000 € e é recuperado em 2 anos. A substituição do telhado na zona da nave tem um investimento de 20 500 € e a recuperação realiza-se num período de 3,5 anos.

La integración energética como instrumento para el fortalecimiento del proceso de integración suramericano UNASUR

La integración energética propicia la disminución de asimetrías entre los países de la región y permite la consolidación del proceso de integración UNASUR, por medio de la voluntad política entre los Estados, creación de instituciones supranacionales que regulen el intercambio energético.