A methodology to optimize the techno-economic design of solar power plants with storage systems

Este trabajo de investigación se centra en la optimización tecno-económica de plantas de energía solar y sistemas de almacenamiento bajo las condiciones meteorológicas y de mercado eléctrico de Chile. La investigación se presenta a lo largo de tres artículos de revistas científicas. El objetivo general es desarrollar una metodología que permita determinar el conjunto de configuraciones óptimas de plantas de generación solar y de sistemas de almacenamiento para una ubicación y una estrategia de despacho dadas en Chile. Los objetivos específicos planteados incluyen: desarrollar el modelo físico de una planta solar híbrida con almacenamiento, que presente una planta de receptor central de Concentración Solar de Potencia (CSP), una planta fotovoltaica (PV), un sistema de almacenamiento térmico (TES) y baterías (BESS) para obtener su producción anual; desarrollar un modelo tecno-económico para evaluar la factibilidad de las plantas en términos de Costo Nivelado de Electricidad (LCOE) y factor de planta; realizar una optimización multiobjetivo considerando minimizar el LCOE y maximizar el factor de suficiencia como funciones objetivos para diferentes estrategias de despacho y ubicaciones; y determinar los rangos de competitividad y viabilidad de la planta híbrida frente a otras combinaciones tecnológicas de tecnologías solares y sistemas de almacenamiento. La metodología de esta investigación comprende tres fases principales: modelación y simulación, análisis tecno-económico, y optimización multi-objetivo. La tesis está organizada en cinco capítulos. El Capítulo 1 presenta la introducción. Los Capítulos 2, 3 y 4 corresponden al primer, segundo y tercer paper de esta tesis respondiendo a los objetivos específicos. Finalmente, el Capítulo 5 presenta las conclusiones de esta investigación. De la etapa de modelación y simulación, se encontró que la resolución temporal tiene un impacto significativo en la simulación y estimación de producción de energía de la planta híbrida. Los resultados de esta tesis indican que utilizar una resolución temporal horaria en la simulación puede llevar a una sobreestimación de la producción anual de la planta híbrida CSP-PV-TES-BESS (y por tanto, a una subestimación del LCOE) entre un 2-6% con respecto a los resultados obtenidos con una resolución temporal de 1 minuto. El análisis también demostró que la operación de los sistemas térmicos como el receptor central de la planta CSP fueron los más afectados por la resolución temporal. De tal manera, una sobreestimación de la producción anual de la planta de CSP entre 14-15% se obtuvo al utilizar un paso de tiempo de 1h. Estos resultados enfatizan la importancia de elegir una resolución de tiempo apropiada al modelar plantas de energía solar con almacenamiento. Por otro lado, los resultados de la evaluación tecno-económica de la planta híbrida CSP-PV-TES-BESS para proporcionar generación base en Chile confirman que ambas tecnologías y ambos tipos de almacenamiento pueden operar de forma sinérgica para proporcionar factores de suficiencia superiores al 80%, sin embargo, la rentabilidad de las baterías depende en gran medida de los objetivos de optimización evaluados. Cuando el único objetivo es minimizar el LCOE, las configuraciones de diseño no incluyen baterías en la planta híbrida debido a que el alto costo de inversión de las baterías supera su beneficio técnico de incrementar el factor de suficiencia de la planta. Sobre este punto, se determinó que diseñar plantas de energía solar con almacenamiento para alcanzar el mínimo LCOE puede no ser el enfoque más adecuado cuando se quiere garantizar un cierto nivel de suministro. Por ejemplo, los resultados de esta tesis de investigación muestran que la combinación PV-BESS siempre ofrece los LCOE más bajos para todas las estrategias de despacho, pero estas soluciones con costo mínimo también proporcionan los factores de suficiencia más bajos entre 30 y 70%, dependiendo de la estrategia de despacho. Los resultados de esta tesis tienen como objetivo demostrar que, para cada ubicación y estrategia de despacho, se puede utilizar una optimización tecno-económica para obtener las soluciones de diseño óptimas que satisfagan funciones objetivo-conflictivas, como minimizar el LCOE y maximizar el factor de suficiencia. De la etapa de optimización multi-objetivo, este estudio revela que las soluciones más costo-efectivas para proporcionar energía en Chile incluyen la combinación PV-BESS cuando se requieren pocas horas de almacenamiento (4-5h), y centrales híbridas CSP-PV integradas con TES (y opcionalmente BESS) cuando se requieren largas horas de almacenamiento (>12h). Esto primero demuestra el valor que la energía solar puede tener en Chile para incrementar la diversidad de recursos en su futura matriz energética, y, en segundo lugar, destaca el valor de la hibridación como solución para complementar tecnologías, brindando flexibilidad al despacho y logrando costos de electricidad más competitivos.