Flexibility services for distribution network operation

On the way towards a low carbon electricity system, flexibility has become one of the main sources for achieving it. Flexibility can be understood as the ability of a power system to cope with the variability and uncertainty of demand and supply. Both the generation-side and the demand-side can provide it. This research is focused on the role of the demand-side flexibility for providing a service to the distribution system operator, who manages the medium and low-voltage network. By activating this flexibility from the demand-side to the distribution network operator, the latter can avoid or mitigate congestions in the network and prevent grid reinforcement. This thesis starts with analyzing the current state of the art in the field of local electricity markets, setting the baseline for flexibility products in power systems. As a result of the previous analysis, the definition of flexibility is developed more specifically, considering the flexible assets to be controlled, the final client using this flexibility and the time horizon for this flexibility provision. Following the previous step, an aggregated flexibility forecast model is developed, considering a flexibility portfolio based on different flexible assets such as electric vehicles, water boilers, and electric space heaters. The signal is then modeled under a system-oriented approach for providing a service to the distribution network operator under the operation timeline on a day-ahead basis. The flexibility required by the distribution network operator is then calculated through an optimization problem, considering the flexibility activation costs and the network power flow constraints. Finally, since this scenario aims to lower the environmental impacts of the power system, its sustainability is assessed with the life-cycle assessment, considering the entire life cycle and evaluating it in terms of greenhouse gas emissions. This approach enhances the analysis of the potential role of flexibility in the power system, quantifying whether, in all cases, there is a reduction of emissions when shifting the consumption from peak hours to non-peak hours.En el camí cap a un sistema elèctric amb baixes emissions de carboni, la flexibilitat s'ha convertit en una de les principals fonts per aconseguir-ho. La flexibilitat es pot entendre com la capacitat d'un sistema de reaccionar davant la variabilitat i la incertesa provocades per la demanda i la generació. Tant la part de la generació com el costat de la demanda tenen actius per a poder proporcionar-ho. La recerca presentada en aquest manuscrit està enfocada en el paper de la flexibilitat oferta per la demanda, per a proporcionar un servei a l'operador del sistema de distribució, que gestiona les xarxes de mitja i baixa tensió. Gràcies a l'activació de la flexibilitat de la demanda, l'operador de les xarxes de distribució pot evitar o mitigar la congestió de la xarxa i evitar-ne les inversions per a reforçar-la, així com el seu impacte ambiental. Aquesta tesi comença amb l'anàlisi de l'estat de l'art en el camp dels mercats d'electricitat locals, establint-ne la línia base per a la definició dels productes de flexibilitat en els sistemes elèctrics. Com a resultat de l'estudi anterior, la definició de flexibilitat es desenvolupa més específicament, considerant els actius flexibles que han de controlar-se, el client final que utilitza aquesta flexibilitat i l'horitzó temporal per a aquesta disposició de flexibilitat. A continuació es desenvolupa un model de predicció de flexibilitat agregada, considerant una cartera de flexibilitat basada en diferents actius flexibles, com ara vehicles elèctrics, calderes d'aigua i escalfadors elèctrics, gestionats per la figura de l’agregador. El senyal es modela sota un enfocament orientat al sistema per proporcionar un servei a l'operador de la xarxa de distribució, per un horitzó temporal corresponent a l'operació de la xarxa de mitja i baixa tensió. El resultat és un model de la flexibilitat que pot oferir l’agregador. Una vegada desenvolupat el model de flexibilitat pel costat de l’agregador, la tesi s’enfoca al càlcul de la flexibilitat requerida per l’operador de la xarxa de distribució. Això es desenvolupa mitjançant un problema d'optimització, tenint en compte els costos d'activació de la flexibilitat, la localització dels punts on s’injectarà la flexibilitat i les restriccions de flux de potència de la xarxa de distribució. Finalment, atès que aquest escenari pretén reduir l'impacte mediambiental del sistema elèctric, la seva sostenibilitat s'avalua considerant tot el cicle de vida de les tecnologies que hi participen, i avaluant-la en termes d'emissions de gasos d'efecte d'hivernacle. L'ús d'aquest enfocament millora l'anàlisi del potencial paper de la flexibilitat en el sistema elèctric, quantificant si, en tots els casos, hi ha una reducció de les emissions traslladant el consum de les hores punta a hores vall.Postprint (published version

The potential role of flexibility during peak hours on greenhouse gas emissions: A life cycle assessment of five targeted national electricity grid mixes

On the path towards the decarbonization of the electricity supply, flexibility and demand response have become key factors to enhance the integration of distributed energy resources, shifting the consumption from peak hours to off-peak hours, optimizing the grid usage and maximizing the share of renewables. Despite the technical viability of flexible services, the reduction of greenhouse gas emissions has not been proven. Traditionally, emissions are calculated on a yearly average timescale, not providing any information about peak hours’ environmental impact. Furthermore, peak-hours’ environmental impacts are not always greater than on the base load, depending on the resources used for those time periods. This paper formulates a general methodology to assess the potential environmental impact of peak-hourly generation profiles, through attributional life cycle assessment. This methodology was applied to five different countries under the INVADE H2020 Project. Evaluation results demonstrate that countries like Spain and Bulgaria could benefit from implementing demand response activities considering environmental aspects, enhancing potential greenhouse gas reductions by up to 21% in peak hours.Peer ReviewedPostprint (published version

Local flexibility market design for aggregators providing multiple flexibility services at distribution network level

This paper presents a general description of local flexibility markets as a market-based management mechanism for aggregators. The high penetration of distributed energy resources introduces new flexibility services like prosumer or community self-balancing, congestion management and time-of-use optimization. This work is focused on the flexibility framework to enable multiple participants to compete for selling or buying flexibility. In this framework, the aggregator acts as a local market operator and supervises flexibility transactions of the local energy community. Local market participation is voluntary. Potential flexibility stakeholders are the distribution system operator, the balance responsible party and end-users themselves. Flexibility is sold by means of loads, generators, storage units and electric vehicles. Finally, this paper presents needed interactions between all local market stakeholders, the corresponding inputs and outputs of local market operation algorithms from participants and a case study to highlight the application of the local flexibility market in three scenarios. The local market framework could postpone grid upgrades, reduce energy costs and increase distribution grids’ hosting capacity.Postprint (published version

Profitability analysis on demand-side flexibility: A review

Flexibility has emerged as an optimal solution to the increasing uncertainty in power systems produced by the continuous development and penetration of distributed generation based on renewable energy. Many studies have shown the benefits for system operators and stakeholders of diverse ancillary services derived from demand-side flexibility. Cost-benefit analysis on these flexibility services should be carried out to determine the profitable applications, as well as the required adjustments on energy market, price schemes and normative framework to maximize the positive impacts of the available flexibility. This paper endeavors to review the main topics, variables and indexes related to the profitability analysis on demand-side flexibility, as well as the influence of energy markets, pricing and standards on revenue maximization. The conclusions drawn from this review demonstrate that the profitability of flexibility services considerably de-pends on energy market structure, involved assets, electricity prices and current ancillary services remuneration.Peer ReviewedPostprint (published version

Anàlisi tèrmic i posada en marxa d'un gasificador tipus Downdraft per a microgeneració elèctrica a partir de biomassa

Premi al millor projecte de fi de màster, atorgat pel Clúster de l'Energia Eficient de Catalunya, a la Nit de l'Eficiència de 2017Aquest Projecte Final de Carrera té per objectiu analitzar el comportament tèrmic d’un gasificador de biomassa i la posada en marxa del prototip per a la producció d’electricitat. S’encabeix dins d’un projecte dirigit pel CITCEA-UPC, amb el propòsit de dissenyar i fabricar un prototip de gasificador de biomassa de fins a 10 kW elèctrics de potència per a l’Hospital de Goundi, Txad. En la primera part del projecte es realitza un estudi de l’estat de l’art de la tecnologia de gasificació i de l’ús de biomassa com a font d’energia, fent èmfasi a la seva viabilitat com a sistema de cogeneració elèctrica mitjançant energies renovables, per al desenvolupament un model energètic sostenible. Se segueix descrivint el sistema físic que conforma el prototip fabricat i explicant quin és el funcionament del reactor, l’element amb més importància del sistema. A continuació es detallen quins són els criteris de dimensionament del reactor. D’aquesta manera és possible comprovar el dimensionat del reactor ja existent i així determinar si serien necessaris canvis en la geometria del reactor en futures versions del prototip. A continuació, en la segona part del projecte, es realitza un model de simulació fluido-tèrmica mitjançaant ANSYS Fluent® del reactor per a poder-ne simular el seu comportament. Es determina quin és el domini on es realitzarà l’estudi, quins models són més adients per a realitzar les primeres simulacions i quines dades de partida es consideren per a la simulació. Tot seguit es realitza una primera simulació del model del reactor. La última part del projecte es centra en la posada en marxa del prototip de gasificador fabricat. S’elabora un manual de muntatge dels diferents subsistemes que el componen i un manual de posada en marxa. Es detallen les diferents posades en marxa que s’han dut a terme per poder validar el funcionament del gasificador. S’analitza cadascuna de les proves experimentals i s’extreuen resultats i conclusions per a un correcte ús del prototip.Award-winnin

Anàlisi tèrmic i posada en marxa d'un gasificador tipus Downdraft per a microgeneració elèctrica a partir de biomassa

Premi al millor projecte de fi de màster, atorgat pel Clúster de l'Energia Eficient de Catalunya, a la Nit de l'Eficiència de 2017Aquest Projecte Final de Carrera té per objectiu analitzar el comportament tèrmic d’un gasificador de biomassa i la posada en marxa del prototip per a la producció d’electricitat. S’encabeix dins d’un projecte dirigit pel CITCEA-UPC, amb el propòsit de dissenyar i fabricar un prototip de gasificador de biomassa de fins a 10 kW elèctrics de potència per a l’Hospital de Goundi, Txad. En la primera part del projecte es realitza un estudi de l’estat de l’art de la tecnologia de gasificació i de l’ús de biomassa com a font d’energia, fent èmfasi a la seva viabilitat com a sistema de cogeneració elèctrica mitjançant energies renovables, per al desenvolupament un model energètic sostenible. Se segueix descrivint el sistema físic que conforma el prototip fabricat i explicant quin és el funcionament del reactor, l’element amb més importància del sistema. A continuació es detallen quins són els criteris de dimensionament del reactor. D’aquesta manera és possible comprovar el dimensionat del reactor ja existent i així determinar si serien necessaris canvis en la geometria del reactor en futures versions del prototip. A continuació, en la segona part del projecte, es realitza un model de simulació fluido-tèrmica mitjançaant ANSYS Fluent® del reactor per a poder-ne simular el seu comportament. Es determina quin és el domini on es realitzarà l’estudi, quins models són més adients per a realitzar les primeres simulacions i quines dades de partida es consideren per a la simulació. Tot seguit es realitza una primera simulació del model del reactor. La última part del projecte es centra en la posada en marxa del prototip de gasificador fabricat. S’elabora un manual de muntatge dels diferents subsistemes que el componen i un manual de posada en marxa. Es detallen les diferents posades en marxa que s’han dut a terme per poder validar el funcionament del gasificador. S’analitza cadascuna de les proves experimentals i s’extreuen resultats i conclusions per a un correcte ús del prototip.Award-winnin

Tecnologia vestible: combinant disseny, art i tecnologia

Entenem per tecnologia vestible o teixits intel·ligents (e-textiles) la incorporació de microcontroladors i elements tecnològics a la roba. Les activitats basades en teixits intel·ligents ens permeten acostar la tecnologia a aquelles persones que no se senten atretes per la robòtica o la programació. Es pot començar fent elements vestibles senzills que no requereixen programació i anar evolucionant cap a aplicacions més complicades que incloguin altres elements, com LED que poden canviar de color (coneguts com a LED adreçables), sensors i altres elements. Fins ara el llenguatge de programació dels microcontroladors (típicament el C++ d’Arduino) suposava una dificultat afegida. Des de fa poc temps, la programació en MakeCode (un llenguatge gràfic) o en CircuitPython (un llenguatge textual però més assequible) permeten un aprenentatge més ràpid i eliminen les esperes mentre es compila el programa. La tecnologia vestible pot ser, ras i curt, una bona manera d’engrescar el jovent cap a la tecnologia, l’enginyeria i la informàtica. Bona part de les aplicacions vestibles que es realitzen actualment tenen una orientació visual o artística, però també n’hi ha que van encaminades a solucionar problemes concrets de les persones (detectar caigudes, ajudar a les persones que van d’excursió monitorant el seu recorregut o indicant-los el nord, etc.).Postprint (published version

A data acquisition pipeline for home energy management systems

This paper presents a modular data acquisition pipeline to integrate exible assets and distributed and renewable energy sources in households. This modular and general system's main aim is to enhance the data acquisition, data cleaning, and data storage steps of the different assets included in a Home Energy Management System, for the later scheduling of these resources based on economic optimization. The services that Home Energy Management Systems and data acquisition systems can provide to tackle the current distribution network challenges are identi ed. The data acquisition pipeline design is presented, being able to stock and collect data from many di erent real assets, as well as cloud-based data providers such as the electricity market price or the weather forecast. The description of the system is complemented by a study case, to validate the pipeline design and the data acquisition process.Postprint (author's final draft

Data science and energy : some lessons from Europe on higher education course design and delivery

Data science is seen as a key enabler for technologies that help decarbonize global energy use. However, the energy sector continues to struggle to attract and train enough data scientists. The primary reason for this is the lack of emphasis on data science in most graduate programs in energy engineering, and the high barriers of entry for data scientists from other sectors. In this article, we present a snapshot of the data science–related curriculum being taught in graduate energy programs in four different European universities as well as include feedback we received from students and alumni of these programs. While knowledge of data science remains low across the board, students in these programs already recognize data science as an important element of their future professional careers. We also present findings from running three separate iterations of an energy data science course we developed in light of this feedback—one of these iterations was offered only in KU Leuven (Belgium), while the other two were accessible to students at all four universities. In the article, we also discuss challenges and opportunities arising from designing and delivering courses in a cross-university context. This foundational course and others like it are seen as a necessary means to enable students to take more specialized courses in data science, and eventually contribute toward realizing a sustainable energy transition and meeting climate change mitigation objectives