A multi-dimensional approach to the modelling of power plant flexibility

The increasing concerns about the lack of sustainability in the electricity supply are driving policy makers and governments towards the planning of decarbonisation pathways for the energy system. These pathways imply a deep shift towards an electricity supply mix based on renewable energy sources. The increasing penetration of intermittent and non-controllable renewables feeds, in turn, the need for flexible electricity supply. Fossil-fuel fired power plants, particularly combined cycles, are among the candidate units for backing up renewables and guaranteeing the adequacy of the electricity grids in the long-term. However, the flexible operation of the power plants has a cost, which may undermine their competitiveness and bring consequences to the electricity market and the energy system scales. A context emerges, where the flexibility of the electricity supply may have impacts on three different scales: the power plants, the electricity market and the energy system. This research looks into this multi-dimensional nature of flexibility, provides a unique definition for it, and develops models to quantify its impact on the three scales. An off-design thermodynamic model of a power plant, a Game Theory model of an electricity market, and an energy system model result, which are soft-linked by means of mathematical formulations. The models are applied to case studies developed in collaboration with industrial operators and Governments.

L’intenso dibattito riguardo alla scarsa sostenibilità dei sistemi per la generazione di energia elettrica sta conducendo policy makers e governi a considerare strade per decarbonizzare i sistemi energetici. Le soluzioni proposte prevedono tutte una rivoluzione del mix energetico a favore delle fonti rinnovabili. Tuttavia, data l’imprevedibilità delle rinnovabili, la loro crescente penetrazione nel mix di generazione elettrica sta alimentando la necessità di rendere il sistema di approvvigionamento più flessibile. Gli impianti alimentati a fonti fossili, in particolare i cicli combinati, sono fra le soluzioni candidate per garantire questa flessibilità del sistema e, di conseguenza, l’adeguatezza della rete elettrica nel lungo termine. Per contro, un regime ciclico di funzionamento è dannoso per questi impianti ed implica un aumento dei costi operativi, con conseguente riduzione della loro competitività. Questo potrebbe causare ricadute su larga scala, nei mercati elettrici e in tutto il sistema energetico. Emerge quindi uno scenario in cui la flessibilizzazione dell’approvvigionamento elettrico potrebbe avere ricadute su tre scale: quella degli impianti di generazione, quella dei mercati elettrici e quella del sistema energetico. La presente ricerca analizza questa natura multi-dimensionale della flessibilità, ne ricava una definizione unitaria e sviluppa modelli per quantificare l’impatto sulle tre scale. Nel dettaglio, si sviluppano un modello termodinamico off-design di un impianto di potenza, un modello di Teoria dei Giochi del mercato elettrico e un modello di sistema energetico. I tre modelli sono collegati attraverso formulazioni matematiche sviluppate dall’autore ed interagiscono fra di loro. Sono infine applicati a casi studio di interesse per operatori del settore elettrico e governi.