Abstract | U današnje je doba gotovo nezamislivo funkcioniranje bilo kojeg sektora, kao i razvoj te
opstanak današnje civilizacije bez pouzdanog elektroenergetskog sektora, koji je star tek nešto
više od jednog stoljeća. Prvotno su nastali izolirani (otočni) elektroenergetski sustavi koji su se
širenjem počeli međusobno povezivati pa tako danas primjerice postoji zajednička europska
elektroenergetska mreža. Ta mreža, dakako, nije savršena jer postoje tehnička ograničenja u
prijenosnim kapacitetima unutar pojedinih država i između njih. Bitno je naglasiti da se
tradicionalni elektroenergetski sustav (EES) temeljio na termoelektranama (na ugljen, plin, pa
čak i na naftu/loživo ulje) te protočnim i akumulacijskim hidroelektranama. U početku također
nije bilo uspostavljeno ni tržište električnom energijom, koja se po mnogim karakteristikama
razlikuje od ostalih dobara kojima se trguje.
Nakon procesa deregulacije, liberalizacije i restrukturiranja vertikalnih monopolističkih
energetskih poduzeća, prije nekoliko desetljeća, uspostavljene su burze električne energije, a
pristup u sustav omogućen je i manjim privatnim investitorima. Istodobno s tim događanjima
Europa ali i ostale svjetske regije i velike države uočile su problem klimatskih promjena i
globalnog zatopljenja, razlog kojega je uglavnom velika količina emisija CO2, koje velik udio
ima podrijetlo u elektroenergetskom sustavu.
Na temelju navedenih promjena uspostavljena je globalna, ali i zasebna europska regulativa i
izrađeni su strateški dokumenti koji potiču održivi razvoj, prije svega korištenjem obnovljivih
izvora električne energije, ponajviše vjetrenih i sunčanih elektrana. Problem je isprva bio što
te, tada nekonvencionalne, tehnologije nisu bile dovoljno razvijene, a samim time ni tržišno
konkurentne tradicionalnim elektranama. Stoga su se na različite načine, ponajviše putem
sustava poticaja (feed-in tarifa – zajamčena cijena otkupa električne energije), poticali održivi
obnovljivi izvori energije. Zbog poticanja tehnološkog razvoja i smanjenja investicijskih
troškova (kod vjetrenih i sunčanih elektrana fiksni troškovi su praktično jedini troškovima
pogona, jer je trošak izvora energije približno jednak nuli) došlo je do eksponencijalnog porasta
u penetraciji obnovljivih izvora u elektroenergetski sektor. Stoga se u jednom dijelu ove
disertacije istražuju nivelirani troškovi električne energije (engl. Levelized cost of energy,
LCOE) elektrana na obnovljive izvore energije (OIE) i uspoređuju s LCOE tradicionalnih
elektrana. Ipak, osim dobrobiti koje donose, ovi obnovljivi izvori električne energije unose i
određene izazove u elektroenergetski sustav.
U disertaciji se na temelju modela elektroenergetskog sustava Republike Hrvatske, koji se
modelira u optimizacijskom alatu PLEXOS, identificiraju navedeni problemi te se predlaže
rješenje za iste. Osnovni problem vjetrenih i sunčanih elektrana je nepredvidivost njihove
proizvodnje, odnosno nisu upravljive na način kao što su tradicionalne elektrane, a jedan od
preduvjeta normalnog funkcioniranja elektroenergetskog sustava jest ravnoteža između
potrošnje i proizvodnje električne energije. Ovo pak traži dodatne izvore fleksibilnosti u
sustavu. Stoga su u disertaciji obrađeni različiti načini pružanja dodatne fleksibilnosti kao npr.
proširenje prijenosnih i distribucijskih sustava (kapitalno intenzivno), plinske termoelektrane
(ugljikov otisak), reverzibilne hidroelektrane (manjak povoljnih lokacija za izgradnju novih
postrojenja) te baterijski sustavi. Od svih navedenih balansirajućih tehnologija,
najperspektivnijima su se pokazali baterijski skladišni sustavi.
vi
Stoga se glavni dio istraživanja bavi konkurentnošću baterijskih sustava u postojećem
elektroenergetskom sustavu. Osnovni kriterij isplativosti baterije jest njezin LCOE koji se
uspoređuje s prosječnom tržišnom cijenom te se na osnovi te usporedbe donosi odluka o
isplativosti projekta ulaganja u baterijski sustav. Bitno je naglasiti da su za potrebe analize i
istraživanja u disertaciji definirana dva scenarija buduće penetracije vjetrenih i sunčanih
elektrana: optimističan (velika penetracija OIE – najviši iznosi na temelju strateških
dokumenata Republike Hrvatske) i pesimističan (godišnje povećanje penetracije OIE dva puta
sporije nego u optimističnom scenariju).
Kako bi se testirale postavljene hipoteze i istraživačka pitanja, kreirano je više od 20 scenarija
koji se među ostalim razlikuju prema veličini baterijskog sustava koji se integrira u
elektroenergetski sustav te brzini buduće penetracije OIE u razdoblju od 2021. do 2030. godine
(optimističan i pesimističan scenarij). Rezultati pokazuju da uz pretpostavku da baterija koja se
koristi za balansiranje sustava, za punjenje plaća tržišnu cijenu te za pražnjenje prima tržišnu
cijenu, ne može ostvariti profit u predviđenom životnom vijeku. Drugim riječima, potrebni su
određeni poticaji za nove baterijske sustave. Rezultati također upućuju na to da integracija
baterija u pesimističnom scenariju smanjuje društveno dobro, odnosno nema sredstava za
poticanje baterijskih sustava. Nasuprot tomu, u optimističnom scenariju integracija baterija
povećava društveno dobro, odnosno postoje sredstva za poticanje baterijskih sustava. |
Abstract (english) | Nowadays, the functioning of any sector and the development and survival of todayʼs
civilization is almost unthinkable without the reliable power system, which is just over a century
old. Initially, isolated (island) power systems emerged that began to interconnect with the
expansion, so today, for example, there is a common European power network. This network is
certainly not perfect, as there are technical limitations in transmission capacity within and
between countries. It is important to emphasize that the traditional power system was based on
thermal power plants (coal, gas and even oil – fuel oil) and run-of-the-river and storage
hydropower plants. Initially, the electricity market was also not established, and electricity is
a good that differs in many respects from other tradable goods.
After the process of deregulation, liberalization and restructuring of vertically integrated
monopolistic power utilities, several decades ago, electricity pools were established, access of
smaller, private investors in the system was allowed. In parallel with these events, Europe, as
well as other world regions and large countries, have noticed the problem of climate change
and global warming, which is mainly due to large amounts of CO2 emissions, a large share of
which originates from the power system.
Based on these changes, global and more specifically European regulations have been
established, and strategic documents have been drafted, that encourage sustainable
development, primarily through the use of renewable energy sources, mostly wind and solar
power plants. The problem at first was that these, then unconventional, technologies were not
sufficiently developed, and therefore not really competitive with traditional power plants.
vii
Therefore, sustainable renewable energy sources are encouraged in various ways, mostly
through the system of incentives (feed-in tariffs - guaranteed purchase price of electricity). Due
to the encouragement of technological development and reduction of investment costs (for wind
and solar power plants, fixed costs are practically the only costs, because the cost of energy
sources is approximately equal to zero) there has been an exponential increase in the
penetration of renewable sources into the power sector. Therefore, in one part of this
dissertation, the levelized cost of energy (LCOE) of renewable energy power plants (RES) is
investigated and compared with the LCOE of traditional power plants. However, in addition to
the benefits they bring, these renewable energy sources also bring certain challenges to the
power systems.
In the dissertation, based on the model of the power system of the Republic of Croatia, which
is modeled in the optimization tool PLEXOS, the mentioned problems are identified and a
solution for them is proposed. The main problem of wind and solar power plants is the
unpredictability of their production, i.e. they are not dispatchable in the same way as traditional
power plants, and one of the prerequisites for the normal functioning of the power system is the
balance between consumption and electricity production. This in turn requires additional
sources of flexibility in the power system. Therefore, the dissertation deals with different ways
of providing additional flexibility, such as expansion of transmission and distribution systems
(capital intensive), gas thermal power plants (carbon footprint), pumped storage hydropower
plants (lack of favorable locations for the construction of new plants) and battery systems. Of
all these balancing technologies, battery storage systems have proven to be the most promising.
Therefore, the main part of the research deals with the competitiveness of battery systems in
the existing power system. The basic criterion of cost-effectiveness of a battery is its LCOE,
which is compared with the average market price, and based on this comparison, a decision is
made on the cost-effectiveness of the project of investing in the battery system. It is important
to emphasize that for the needs of analysis and research the dissertation defines two scenarios
of future penetration of wind and solar power plants: optimistic (high RES penetration - highest
amounts based on strategic documents of the Republic of Croatia) and pessimistic (twice slower
annual increase in RES penetration than in the optimistic scenario).
In order to test the set hypotheses and research questions, over 20 scenarios were created,
which differ in the size of the battery system integrated into the power system and the speed of
future RES penetration in the period from 2021 to 2030 (optimistic and pessimistic scenario).
The results show that assuming that the battery used to balance the system, pays the market
price for charging, and to receive the market price for discharge, cannot make a profit in the
projected lifetime. In other words, certain incentives are needed for new battery systems. The
results also indicate that the integration of batteries in the pessimistic scenario reduces the
social welfare, i.e. there are no means to stimulate battery systems in this case. In contrast, in
the optimistic scenario, the integration of batteries increases the social welfare, i.e. there are
means to stimulate battery systems. |