Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Increasing Photovoltaic penetration rate on isolated grid using storage, overbuilding and curtailment: Case study of the Reunion Island
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM).
2019 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

In the global context of GHG emissions reduction, insular isolated grids which are the most vulnerable systems in terms of fossil fuel dependency have to conduct their energy transition. Conventional units using fossil fuels are well adapted to those systems because they are dispatchable, reliable and flexible, so they can easily respond to grid requirements. Despite that, their large negative environmental impact and their dependence on geopolitical and economical context encourage islands to develop renewables. The Reunion Island wants to achieve a 100% renewable electricity mix by 2030. This ambitious goal can be achieved using the high solar resource’s potential in the region. However, this renewable potential is limited in the electricity mix because of issues related to uncertainty and variability of grid-connected PV systems.

To deal with these issues a solution is to combined PV systems with storage systems to guarantee a firm power production. Considering the high costs for storage and the decreasing costs for PV systems, using overbuilding and curtailment could reduce the needs for storage and thus the cost related to it. The goal of this study is to develop an algorithm that will test and size this solution for the entire power production of the Reunion Island.

To do so, satellite based data for solar resource (GHI and DNI) with resolutions of 1km² and 15min over the year 2018 were available from the SUNY model. These data were evaluated by a comparison with 13 ground measurements stations for the GHI and two trackers for the DNI in terms of power and energy. It was shown that estimation errors were quite large (relative RMSE between 27.5% and 78.8%) and that stations with the higher altitudes were the one with highest errors.

This solar resource was used as well as temperatures and installed PV capacities to model the entire PV production fleet of the island. Different models were tested using a representative PV installation for the entire island and its parameters were adjusted to fit the real PV power production of 2018. The model with the lowest relative RMSE for power comparison uses only efficiency, tilt and orientation angles with installed PV capacities gathered at each 63kV/15kV transformer’s zone to reach a relative RMSE of 14.3%.

Using this model, the algorithm was developed to size PV production fleet, PHES and Li-ion batteries capacities for a given desired production profile. Different production profiles were tested to cover from 10% to 100% of the total electricity demand of the Reunion Island in 2030 with different profile’s shapes. For each of these profiles, best configuration was chosen by minimizing the LCOE resulting in a range from 14.8c/kWh to 22.1c/kWh. Order of magnitude for the different system parts were found to range from 0.5 to 5 GW for PV, 2 to 37 GWh for PHES and 3 to 70 MWh for Li-ion batteries. In some cases, curtailed energy could serve to cover the annual consumption of 44 000 hydrogen cars or the half of 2018 water consumption by using desalinization. Profiles to replace fossil fuels power production were tested and a 100% renewable mix could be achieved with 4 GW of PV, 27 GWh of PHES and 50 MWh of Li-ion batteries for a LCOE of 19.8c/kWh. This profile allows dividing by almost ten the estimated GHG emissions related to the electricity production in 2030.

The final conclusion of this study is that variability and uncertainty of solar PV production can be overcome by using overbuilding, curtailment and storage to guarantee a firm power production profile, no matter the desired energy penetration rate and this without increasing the cost of electricity compared to the current mix.

Abstract [sv]

Med global kontexten av växthusgasersreduktion måste isolerad elnäter av öar, som är de sårbaraste systemerna för beroende av fossilt bränsler, förätta deras energisövergången. Eftersom konventionnela enheter, som användar sig av fossilt bränsler, är dispatchable, pålitlig och anpassningsbar, är de väl anpassad till de här systemerna. Trotts det, uppmuntrar deras stora negativ miljöseffekterna och deras beroenden av geopolitiska och ekonomiska kontexter öar att utveckla förnybar energi. Reunion Ön vilja uttföra en 100% förnybar elektrisk mix till 2030. För att uttföra det här ambitiöst målet kan den regionspotentialen av solenergi bli exploatera. Den här potentialen är emellertid begränsad i den elektriska mixen på grund av problem relaterad av oregelbundenhet och osäkerhet av nätkopplad solceller (PV) systemer.

För att hantera med de här problemen, kan PV system kombineras med lagringssystemer för att garantera en fast kraftsproduktion. Med tänke på stora priser för lagringssystemer och minskanda priser för PV systemer, kan användning av överbyggnad och avkortning reducera behoven för lagringssytermer och kostnader relaterad av dem. Målet av den här studien är att utveckla en algoritm, som ska testa och design den här lösningen för hela krasproduktion av Reunion Ön.

För att göra det är solstrålningsdata (GHI och DNI) med en upplösning av 1 km² och 15 min på året 2018 tillgänglig från SUNY modell. De här data utvärderades av jämförelse med 13 marksmåttenheter för GHI och två solspårare för DNI med avseende på kraft och energi. Det visas som beräkningsfelen är stor (relativa RMSE mellan 27.5% och 78.8%) och som marksmåttenheter med högre altituden är med de största felen.

Den här solarstrålningen används med temperaturer och installerad PV kapaciteter för att modellera hela PV kraftsproduktion på ön. Olika modeller testades med en representativ PV system för hela ön och dessa parametrar modifierades för att passa den verklig PV kraftsproduktion av 2018. Modellen med den minsta relativ rms-värden för kraftsjämförelse använder sig av bara effektivitet, lutning och orientering vinklar med installerad PV kapaciteter samlade in på vardera 63kV/15kV transformatorsområden för att uttföra en relativ rms-värden av 14.3%.

Med den här modellen utvecklas en algoritm som ritas PV produktion system, pumpkraftverkoch Li-ion batteriskapaciteter för en bestämd kraftsproduktion profil. Olika produktionsprofiler med olika profilsformer provas för att täcka 10% till 100% av total efterfrågan efter el för Reunion Ön på 2030 året. För varje profil valdes den layout med minst elprisen resulterar i ett omfång från 14.8 c€/kWh till 22.1 c€/kWh. Storlekar för olika delar av systemen är mellan 0.5 till 5 GW för PV, 2 till 37 GWh för pumpkraftverk och 3 till 70 MWh för Li-ion batteri. I några fall skulle förkorta energi kunna fungera för att täcka årlig åtgång av 44 000 vätgasbilar eller hälften av vattensåtgång på året 2018 med användning av avsaltning. Profilerna, som överensstämmar med fossilt bränsler kraftsproduktion, provas och en 100% förnybar elektrisk mix kan bli utföras med 4GW av PV, 27 GWh av pumpkraftverk och 50 MWh av Li-ion batteri med en elpris av 19.8 c€/kWh. Den här profilen minskas uppskattad växthusgaser relaterad av elproduktion på året 2030 med nittio procent.

Studiens slutsats är som oregelbundenhet och osäkerhet av PV elproduktion kan bli lösas med användning av lagring, överbyggnad och avkortning för att garantera en fast kraftsproduktionsprofil, oberoende av önskade årlig energi och det utan att öka elprisen jämfört med nuvarande elmix.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 98
Series
TRITA-ITM-EX ; 2019:598
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-264249OAI: oai:DiVA.org:kth-264249DiVA, id: diva2:1372684
External cooperation
PIMENT Laboratory
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-11-25 Created: 2019-11-25 Last updated: 2019-11-29Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(4535 kB)8 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 4535 kBChecksum SHA-512
c08e8ca16b0e342a0edb78ca3bf543da9509325520db3195b6c6366111e1e882425086d02b5ab76fef46f6e31b76b90a8a54843228a805177aefcf2c06fdfe1f
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Industrial Engineering and Management (ITM)
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 8 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 9 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf