Optimization and time-series models for large-scale integration of variable renewable energy sources

Aiemmin sähköjärjestelmät ovat koostuneet hyvin ennakoitavasta kulutuksesta sekä säädettävästä tuotannosta. Globaalit päästövähennystavoitteet ovat johtaneet vaihtelevien uusiutuvien energiamuotojen laaja-alaiseen käyttöönottoon näissä järjestelmissä. Vaihtelevat uusiutuvat energiamuodot kuten tuuli- ja aurinkovoima ovat heikommin ennakoitavia ja säädettäviä eikä niillä ole marginaalituotantokustannuksia. Tästä johtuen näiden laaja-alainen käyttöönotto vaikuttaa sähköjärjestelmien riittävyys- ja joustavuusvaatimuksiin sekä sähkön hinnoitteluun seuraavan päivän ja päivänsisäisissä markkinoissa. Väitöskirjassa kehitetään uusia optimointi- ja aikasarjamalleja vastaamaan tutkimuskysymyksiin, jotka liittyvät vaihtelevan uusiutuvan energiamuotojen laaja-alaiseen integroimiseen sähköjärjestelmiin. Siksi työssä estimoidaan tuuli- ja aurinkovoiman vaikutuksen sähkönhintoihin pohjoismaalaisissa ja länsieurooppalaisissa sähköjärjestelmissä kehittämällä autoregressiivisen aikasarjamallin ulkopuolisilla muuttujilla. Lisäksi työssä kehitetään seuraavat kolme optimointimallia: (i) kaksitasoinen optimointimalli, joka määrittää kapasiteettimaksut joustaville tuotantomuodoille, jotta sähköjärjestelmän joustavuus ja odotetut kustannukset ovat optimaaliset, (ii) kaksitasoinen optimointimalli, joka optimoi joustavan tuottajan tarjoukset seuraavan päivän ja päivänsisäiselle markkinalle huomoiden uusiutuvan energian vaihtelevuuden, (iii) kolmitasoinen stokastinen ja robusti optimointimalli, joka optimoi pitkänajan tuotanto- ja siirtolinjainvestoinnit päästötavoitteiden saavuttamiseksi huomioiden uusiutuvan energian ja kulutuksen epävarmuuden. Kullekin optimointimallille (i)-(iii) kehitetään tehokkaita ratkaisumenetelmiä numeerisia tapaustutkimuksia varten, joissa käytetään yksityiskohtaista sähköjärjestelmädataa. Väitöskirjassa on kolme pääkontribuutiota. Ensinnäkin aikasarja- ja optimointimallit yleistävät aiempia malleja ottamalla huomioon uusia ominaisuuksia, kuten päivänsisäisen markkinan, aikaulottuvuuden tai uusia tuotannollisia yksityiskohtia. Toiseksi siinä esitetään uusia linearisointi-, reformulointi- ja hajotelmatekniikoita, joiden avulla optimointimallit saadaan ratkaistua nopeasti ja tarkasti. Kolmanneksi se vastaa tutkimuskysymyksiin laajamittaisen uusiutuvan energian integroimiseen sekä sen vaikutuksiin sähkönhintoihin hyödyntämällä pohjoismaalaista ja länsieurooppalaista markkinadataa. Väitöskirjassa tuotetaan tutkimustietoa esimerkiksi päästöjä vähentävästä pitkän aikavälin siirto- ja tuotantokapasiteetin laajentumisesta ja tuuli- ja aurinkovoiman vaikutuksista sähkönhintoihin. Tämä tieto on hyödyttää sekä tuottajia että kuluttajia ja se auttaa suunnittelemaan mekanismeja, joilla uusiutuvan energian lähteitä voidaan integroida helpommin. Väitöskirjan menetelmiä on hyödynnetty muissa tutkimuksissa esimerkiksi arvioitaessa vaihtelevan uusiutuvan energia vaikutuksia muissa maissa.TAvainsanat optimointi, aikasarjamalli, peliteoria, uusiutuva energia, sähköjärjestelmä Aiemmin sähköjärjestelmät ovat koostuneet hyvin ennakoitavasta kulutuksesta sekä säädettävästä tuotannosta. Globaalit päästövähennystavoitteet ovat johtaneet vaihtelevien uusiutuvien energiamuotojen laaja-alaiseen käyttöönottoon näissä järjestelmissä. Vaihtelevat uusiutuvat energiamuodot kuten tuuli- ja aurinkovoima ovat heikommin ennakoitavia ja säädettäviä eikä niillä ole marginaalituotantokustannuksia. Tästä johtuen näiden laaja-alainen käyttöönotto vaikuttaa sähköjärjestelmien riittävyys- ja joustavuusvaatimuksiin sekä sähkön hinnoitteluun seuraavan päivän ja päivänsisäisissä markkinoissa. Väitöskirjassa kehitetään uusia optimointi- ja aikasarjamalleja vastaamaan tutkimuskysymyksiin, jotka liittyvät vaihtelevan uusiutuvan energiamuotojen laaja-alaiseen integroimiseen sähköjärjestelmiin. Siksi työssä estimoidaan tuuli- ja aurinkovoiman vaikutuksen sähkönhintoihin pohjoismaalaisissa ja länsieurooppalaisissa sähköjärjestelmissä kehittämällä autoregressiivisen aikasarjamallin ulkopuolisilla muuttujilla. Lisäksi työssä kehitetään seuraavat kolme optimointimallia: (i) kaksitasoinen optimointimalli, joka määrittää kapasiteettimaksut joustaville tuotantomuodoille, jotta sähköjärjestelmän joustavuus ja odotetut kustannukset ovat optimaaliset, (ii) kaksitasoinen optimointimalli, joka optimoi joustavan tuottajan tarjoukset seuraavan päivän ja päivänsisäiselle markkinalle huomoiden uusiutuvan energian vaihtelevuuden, (iii) kolmitasoinen stokastinen ja robusti optimointimalli, joka optimoi pitkänajan tuotanto- ja siirtolinjainvestoinnit päästötavoitteiden saavuttamiseksi huomioiden uusiutuvan energian ja kulutuksen epävarmuuden. Kullekin optimointimallille (i)-(iii) kehitetään tehokkaita ratkaisumenetelmiä numeerisiatapaustutkimuksia varten, joissa käytetään yksityiskohtaista sähköjärjestelmädataa. Väitöskirjassa on kolme pääkontribuutiota. Ensinnäkin aikasarja- ja optimointimallit yleistävät aiempia malleja ottamalla huomioon uusia ominaisuuksia, kuten päivänsisäisen markkinan, aikaulottuvuuden tai uusia tuotannollisia yksityiskohtia. Toiseksi siinä esitetään uusia linearisointi-, reformulointi- ja hajotelmatekniikoita, joiden avulla optimointimallit saadaan ratkaistua nopeasti ja tarkasti. Kolmanneksi se vastaa tutkimuskysymyksiin laajamittaisen uusiutuvan energian integroimiseen sekä sen vaikutuksiin sähkönhintoihin hyödyntämällä pohjoismaalaista ja länsieurooppalaista markkinadataa. Väitöskirjassa tuotetaan tutkimustietoa esimerkiksi päästöjä vähentävästä pitkän aikavälin siirto- ja tuotantokapasiteetin laajentumisesta ja tuuli- ja aurinkovoiman vaikutuksista sähkönhintoihin. Tämä tieto on hyödyttää sekä tuottajia että kuluttajia ja se auttaa suunnittelemaan mekanismeja, joilla uusiutuvan energian lähteitä voidaan integroida helpommin. Väitöskirjan menetelmiä on hyödynnetty muissa tutkimuksissa esimerkiksi arvioitaessa vaihtelevan uusiutuvan energia vaikutuksia muissa maissa.