Hydropower in Scotland: Linking changing energy and environmental agendas with sustainability outcomes

As the UK energy sector moves to a greater contribution from low-carbon and renewable sources it faces significant challenges in delivering affordability, security of supply and sustainability. Although hydropower in Scotland emerged on a large scale in the mid-20th century against an influential, changing wider context of energy policy, environmental regulation and debate, it is now subject to an evolving renewables agenda. This further shapes the national and scheme level characteristics of hydropower and in turn outcomes for the water environment. Contingent upon these considerations, hydropower regulation must now deliver on EU obligations to protect and improve the ecological status of water bodies, whilst also supporting domestic efforts to meet high profile binding renewable energy targets. Yet, despite an acknowledged potential for energy policy to constrain the delivery of water policy objectives, there is little policy harmonisation between disciplines. As Scotland orientates itself as a leader in Europe on climate change, transitioning to increasing amounts of renewable generation across a handful of technologies, there is a gap in knowledge about how specific renewable policies and trends can influence hydropower sustainability outcomes and regulatory challenges. This thesis therefore contributes an innovative and timely critical examination of the effect a changing wider renewable energy and policy context has on hydropower sustainability in Scotland, at a scheme and national level. This research uses an interdisciplinary, temporal analysis to identify linkages and create dialogue between disciplines and scales, informing the pursuit of sustainable renewable energy through policy and regulation in a changing world. It finds firstly, that the changing national generation mix towards an increased contribution from renewable sources, including potentially intermittent technologies such as wind power, has contributed to an alteration in the operational characteristics and reservoir variability profile of Cruachan pumped-storage scheme, presenting positive outcomes for reservoir littoral habitats. Secondly, it finds that whilst not operating in isolation, renewable energy incentive policies, through their eligibility criteria, financial reward frameworks and timing, influence hydropower characteristics and sustainability challenges, providing trade-offs but also synergies for hydropower regulation. Finally, it finds that there is a degree of divergence in hydropower outcomes and challenges in Scotland and Norway, due to the characteristics and especially interaction of wider contextual elements such as topography, profile of precipitation input, national energy needs and the role of regional and municipal government. By highlighting these linkages, this thesis is of value to energy policy and environmental regulation in Scotland and across the EU, and is seen as a first step in addressing these uncertainties and supporting a more integrated and sustainable hydropower and renewables governance framework

Impact of different market designs in the CWE market area on electricity prices and on the competitiveness of Swiss hydropower (PowerDesign)

In dieser Studie werden die Effekte der Marktdesignänderungen der Nachbarländer auf den Schweizer Strommarkt und insbesondere auf die Wirtschaftlichkeit der Schweizer Wasserkraft untersucht. Hierfür wird in einem ersten Schritt ein ökonometrisches Modell basierend auf einer multiplen linearen Re-gression erstellt, um die Treiber der Schweizer Strompreise am Elektrizitätsgroßhandelsmarkt zu be-stimmen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die französische Last und der Schweizer Großhan-delsstrompreis in Spitzenlastzeiten aufgrund der Strommarktkopplung stark zusammenwirken. Dar-über hinaus werden starke Korrelationen zwischen den Großhandelsstrompreisen in Deutschland, Frankreich und der Schweiz im Frühjahr und Sommer beobachtet. Außerdem haben die deutsche Windkraft- und die Photovoltaik-Stromerzeugung im Frühjahr und im Sommer einen negativen Einfluss auf die Schweizer Großhandelsstrompreise, der jedoch im Laufe des Herbsts und Winters abnimmt. Im Winter folgen die Schweizer Großhandelsstrompreise vor allem den italienischen und den französi-schen Großhandelspreisen. Ferner werden mit einem agentenbasierten Simulationsmodel (PowerACE) energiewirtschaftliche Sze-narien bezüglich der Entwicklung des Strommarktes untersucht. Im ersten Szenario werden alle Markt-designs (implementierte Kapazitätsmechanismen) so gewählt, wie sie zum Zeitpunkt der Erstellung der Studie den politischen Gegebenheiten entsprachen. Als zweites Szenario wird in allen umliegenden Ländern der Schweiz (Deutschland, Frankreich, Italien sowie Österreich) ein sogenannter Energy-only-Markt angenommen. In beiden Szenarien werden insbesondere die Entwicklung der Großhandelss-trompreise und der Kraftwerkskapazität untersucht. Auch die Ergebnisse des agentenbasierten Mo-dells verdeutlichen, dass eine starke Abhängigkeit der Großhandelsstrompreise von den Entwicklun-gen in den Nachbarländern, unabhängig vom gewählten Szenario, besteht oder sogar durch den Aus-bau der Handelskapazitäten noch zunimmt. Hinsichtlich der Kraftwerkskapazitäten ergeben sich nur geringe Unterschiede in den untersuchten Szenarien. So werden im Szenario mit Kapazitätsmechanis-men in den Nachbarländern weniger flexible Kraftwerke in der Schweiz zugebaut. Dies ist durch die höhere Kapazität in den Nachbarländern und die Möglichkeit des Imports von Elektrizität zu erklären. Die zugebaute flexible Kraftwerkskapazität ermöglicht zusammen mit dem Einsatz der Wasserkraftka-pazitäten in der Schweiz ein hohes Niveau an Erzeugungssicherheit. Unabhängig vom Szenario werden steigende Preise am Großhandelsmarkt erwartet, bedingt durch die Annahme steigender CO2-Zertifikats- und Brennstoffpreise bei mindestens gleichbleibender oder steigender Nachfrage. Darüber hinaus werden die Großhandelsmarktpreise der Szenarien, die mithilfe des agentenbasierten Modells simuliert wurden, für die Untersuchung der Fördermaßnahmen für erneuerbaren Energien her-angezogen (insbesondere die fixe Einspeisevergütung und Direktvermarktung kombiniert mit dem Marktprämienmodell). Durch die steigenden Großhandelsstrompreise ist mittelfristig ein Rückgang des Fördervolumens zu beobachten, da sich ein immer größerer Anteil der Investitionsausgaben durch Erlöse am Strommarkt erwirtschaften lassen. Allerdings ist durch den ab 2030 angenommenen über-proportionalen Zubau von Photovoltaikanlagen wieder mit einem Anstieg des Gesamtfördervolumens zu rechnen (ohne Unterstellung einer Degression der Einspeisevergütung). Deshalb sollte den sinken-den spezifischen Investitionen auch mit einem Rückgang der Einspeisevergütungen begegnet werden, um auch im Gesamtsystem entsprechend von den günstigen Preisentwicklungen der erneuerbaren Energien profitieren zu können. Die simulierten Großhandelspreise in den beiden Szenarien sind auch die Basis für die Untersuchung der operativen Erlöse der Schweizer Wasserkraft (Speicher- und Pumpspeicher) mit einem optimalen stochastischen Steuerungsmodell. Die Resultate zeigen, dass durch die erwarteten Strompreise am Großhandelsmarkt mit höheren Erlösen der Speicher- und Pumpspeicherkraft zu rechnen ist. Für sai-sonale Speicherkraftwerke, die einen wesentlichen, natürlichen Wasserzufluss haben, kann bereits im Jahr 2030 in beiden Szenarien mit einer signifikanten Erhöhung der Markterlöse gerechnet werden, da hierfür das mittlere Preisniveau ausschlaggebend ist, welches in beiden Szenarien stark ansteigt. Für reine Pump-Speicherkraftwerke mit kurzen Füllzyklen ist der Anstieg der Markterlöse mittelfristig bis 2030 kleiner, da dieser Kraftwerkstyp auf signifikante Preisschwankungen angewiesen ist, die sich im Jahr 2030 zwar schon leicht vergrößern, aber dennoch schwächer ansteigen als das mittlere Preisni-veau. Langfristig können bis 2050 dann die Pumpspeicher in beiden Szenarien umso mehr vom star-ken Anstieg der Preisvariabilität profitieren. Vor allem im Energy-only-Markt Szenario kommt es zu großen Preisausschlägen, was zu optimalen, hochfrequenten Pump-Turbinierungs-Umschalt-Zyklen führt, die sich jedoch negativ auf die technische Machbarkeit der Ausnutzung dieser Preisausschläge auswirken könnten. Bis zum Jahr 2050 steigt nochmals das allgemeine Preisniveau relativ zu 2030 stark an, sodass auch Speicherkraftwerke ohne (oder mit relativ geringer) Pumpkapazität die Erlöse nochmals steigern können. Die Untersuchung von sekundärer Regeldienstleistung in den Szenarien für 2030 und 2050 bezieht sich vor allem auf den Zusammenhang zwischen Großhandelsstrompreisen und Regeldienstleistungsprei-sen. Es stellt sich heraus, dass eine Untergrenze für den minimal zu erwartenden sekundären Regel-dienstleistungspreis durch die Schwankungen des Großhandelsstrompreises bestimmt ist, sodass auch sekundäre Regeldienstleistungspreise in der Zukunft proportional dazu ansteigen sollten. Die Analysen führen zu dem Schluss, dass aufgrund der Preisabhängigkeiten die Schweizer Behörden die Entwicklung der Großhandelspreise für Strom, der Kapazität und der Erzeugungssicherheit in den Nachbarländern beobachten sollten, um bei wesentlichen Änderungen angemessen reagieren zu kön-nen, insbesondere wenn das Niveau der Erzeugungssicherheit in Gefahr ist. Die Ergebnisse verdeutli-chen aber auch, dass die aktuellen Marktdesignänderungen keinen negativen Einfluss auf die Erzeu-gungssicherheit in der Schweiz haben und dass daher die Einführung eines Kapazitätsmechanismus in der Schweiz nicht zwangsläufig benötigt wird. Hinsichtlich des starken Anstiegs der Markterlöse für Speicherwasserkraft in beiden Szenarien bereits im Jahr 2030 könnte der Schweizer Wasserkraft unter den Annahmen und unter dem gegebenen Regulierungsrahmen wieder mittelfristig die Rolle einer ertragreichen Einnahmequelle zugewiesen werden

The Importance of River Influx and Pump Storage Operation on Water Quality in a Storage Reservoir

Pump storage hydroelectricity is a system built by power companies where a dam separating an upper and lower reservoir is used in power generation by passing water between both reservoirs. Environmental regulations require a minimum of 5mg/L of dissolved oxygen be maintained at all times passing through each dam. In central Virginia, American Electric Power operates a hydroelectric Pump Storage Project that includes an upper reservoir, Smith Mountain Lake (SML), and a lower reservoir, Leesville Lake (LL). Unique to this system is the influx of high concentrations of nutrients and other pollutants into the upper reaches of Leesville Lake from a 1015 km2 Pigg River watershed less than 10 km from SML dam. This study examined the pump-storage operational influence of water exchanged between reservoirs with movement of Pigg River influx creating low dissolved oxygen concentrations at dam release. The study found that pump-storage coupled with Pigg River influx influences water quality parameters in Smith Mountain Lake release, specifically pertaining to dissolved oxygen reductions. Based on these findings, pump-storage operation should be considered in water quality management as these movements of water can be implicated in both release and overall observations in operational reservoirs

Geographic information system algorithms to locate prospective sites for pumped hydro energy storage

Pumped hydro energy storage is capable of large-scale energy time shifting and a range of ancillary services, which can facilitate high levels of photovoltaics and wind integration in electricity grids. This study aims to develop a series of advanced Geographic Information System algorithms to locate prospective sites for off-river pumped hydro across a large land area such as a state or a country. Two typical types of sites, dry-gully and turkey’s nest, are modelled and a sequence of Geographic Information System-based procedures are developed for an automated site search. A case study is conducted for South Australia, where 168 dry-gully sites and 22 turkey’s nest sites have been identified with a total water storage capacity of 441 gigalitres, equivalent to 276 gigawatt-hours of energy storage. This demonstrates the site searching algorithms can work efficiently in the identification of off-river pumped hydro sites, allowing high-resolution assessments of pumped hydro energy storage to be quickly conducted on a broad scale. The sensitivity analysis shows the significant influences of maximum dam wall heights on the number of sites and the total storage capacity. It is noted that the novel models developed in this study are also applicable to the deployments of other types of pumped hydro such as the locations of dry-gully and turkey’s nest sites adjacent to existing water bodies, old mining pits and oceans

Grid talk : giving a voice to energy infrastructures

Humans are energy hogs, intelligent purveyors of displaced electrical waves construed from ancient carbon compounds. Our built environment has let us forget this. Our collective ambivalence towards the subject has grown with the loss of these public assets to private companies under a socially engineered lack of public interest in energy production. There was once a time energy infrastructures were revered and upheld as public spaces, giant testaments to the greatness of society harnessing the natural world, gold stars congratulating the intelligence of humankind. Great designers, political leaders and visionaries created works of art, sculpture, landscape architecture which functioned for the greater good. Today, these works have been submerged, covered, cheapened and ill-maintained, forgotten by a society who assumes the complacent position of “consumer”. We are not consumers, and it is not a product. We are a system. This thesis aims to realign our energy needs back into public consciousness to recreate stewardship around our crumbling energy infrastructure and bring agency to those wishing to know where their energy comes from. Starting with secondary research on human energy consumption, it’s recent surge and the technologies which sustain it, the study will narrow its cartographic pursuits to the region of New England, where many individual companies hold rights to an intricate energy system which blurs political boundaries. In mapping this system, we will create a network wherein the public can occupy space within their energy infrastructures. In evaluating this network, the focus will downshift into a site specific, primary investigation of these ideals in an urban environment, concluding in a design exercise in landscape urbanism which focuses not on the adaptive reuse of infrastructures past, but the seamless political integration of the public realm and existing essential infrastructures which function today