Objetivos
O projeto XFLEX pretende aumentar o potencial hídrico em termos de eficiência da instalação, disponibilidade e fornecimento de serviços de flexibilidade para o Sistema Elétrico (SE).
O cenário de elevada aposta em Fontes de Energia Renováveis (FER), resultante do processo de descarbonização, promove uma mudança drástica do SE na União Europeia, com uma integração massiva de FER não despacháveis e desconexão das chamadas unidades convencionais (emissoras de gases de efeito de estufa). Estas alterações influenciam em larga medida os serviços de balanceamento da rede elétrica, desafiando assim a operação e estabilidade do SE.
Torna-se então necessário uma maior flexibilização dos recursos despacháveis. As Centrais Hidroelétricas (CH) já apoiam significativamente a flexibilidade das FER em termos de capacidade de regulação, rápido controlo de frequência, rápido arranque e paragem, rápida transição para modo de bombagem, “ramping rate”, emulação de inércia, capacidade “fault ride through”, etc. O objetivo do XFLEX passa por demonstrar uma metodologia inovadora para a integração de sistemas de soluções tecnológicas hidroelétricas, sendo a velocidade variável crucial e uma referência para fornecer serviços de flexibilidade aprimorados, sendo avaliados por uma análise transversal do seu impacto ao nível tecnológico e de aspetos de mercado.
Em linha com a visão do projeto XFLEX de demonstração de soluções que permitirão uma maior integração de renováveis intermitentes no SE e com isso construir-se um futuro com baixos níveis de índices de carbono.
Os principais objetivos são:
- Demonstrar o potencial aumento de fornecimento de serviços de flexibilidade ao SE por tecnologias hídricas, atingindo, simultaneamente, uma melhoria na eficiência média anual das instalações hidroelétricas e conferindo uma alta disponibilidade às CH e maximizando o seu desempenho;
- Demonstração de funcionalidades inovadoras, de baixo custo, nas centrais hídricas presentes na demonstração, tais como: velocidade variável, regulação de potência de bombagem, hibridização com baterias, monitorização e digitalização avançada. As tecnologias hídricas em demonstração pretendem ser representativas do portfólio hídrico europeu, pelo que os desenvolvimentos poderão ser replicados para, praticamente, todos os tipos de CH na Europa.
Destaques
- Consórcio liderado pela EPFL - Ecole Polytechnique Federale De Lausanne;
- O NEW R&D irá liderar os pacotes de trabalho 7 e 8, que correspondem aos demonstradores de Alqueva, Alto Lindoso e Caniçada;
- A EDP Produção irá liderar o pacote de trabalho 5, correspondente ao demonstrador de Frades 2.
Demonstradores
As demonstrações estão definidas para os casos CH de fio de água, armazenamento e armazenamento com bombagem para os casos de CH remodeladas, capacidade aumentada e existentes para ser aplicado e escalado para unidades de qualquer dimensão:
- Z’Mutt (Suíça): Central de Armazenamento por Bombagem que está atualmente equipada com 5 bombas de armazenamento e é parte constituinte do esquema hidroelétrico de Grande Dixence, localizado em Canton Valais, in Suíça. O objetivo é substituir a unidade 5 por uma nova turbina Francis reversível e de velocidade variável e assim, para potenciar a sua performance implementando o Smart Power Plant Supervisor (SPPS);
- FRADES 2 (Portugal): CH com bombagem construída entre 2010 e 2017 no rio Rabagão, no Norte de Portugal. A CH de Frades 2, da EDP Produção, está equipada com 2 unidades de velocidade variável, composta por duas turbinas com bombagem acopladas a motores-geradores de 420 MVA. Estas unidades são as duas maiores máquinas de indução duplamente alimentadas da Europa, constituindo assim um avanço tecnológico a ter em conta para CH de velocidade variável;
- Grand Maison (França): CH com bombagem construída nos meados dos anos 80, nos Alpes Franceses. Esta CH tem a maior capacidade instalada da Europa – 1800 MW. Os reservatórios a montante e a jusante tem uma capacidade de 150 milhões de m3 e 15 milhões de m3, respetivamente. As turbinas de Pelton utilizadas irão ser substituídas por turbinas semelhantes com uma potência de 170 MW;
- Alqueva (Portugal): CH com bombagem é parte constituinte do complexo da Barragem do Alqueva, cuja infraestrutura permitiu a criação do maior lago artificial da Europa. Esta instalação é composta por duas CHs: Alqueva I, comissionada em 2004, constituída por turbinas Francis reversíveis com potência nominal de 129,6 MW em modo de geração e 106,9 MW em modo de bombagem; Alqueva II construída com o intuito de aumentar a potência da central, comissionado em 2017, adicionando mais duas turbinas reversíveis Francis, com potência nominal de 130 MW em modo de geração e 110 MW em modo de bombagem;
- Alto Lindoso & Caniçada (Portugal): CH de armazenamento do Alto Lindoso, comissionada em 1992, é constituída por duas turbinas Francis verticais com uma potência nominal de 317 MW e estão conectadas a geradores de 350 MVA e possui uma queda de água compreendida entre 227 m e 288 m. A central mini-hídrica da Caniçada é uma unidade de queda de água média, sendo ideal para complementar o estudo feito na CH do Alto Lindoso, analisando assim casos diferentes ao nível da dimensão da instalação e da queda de água. A CH de armazenamento da Caniçada está em operação desde 1954 e foi remodelada em 2017/2018, tendo na sua constituição duas turbinas Francis verticais com uma potência nominal de 35 MW a 300 min-1 each, ligadas a geradores de 37 MVA e com uma queda de água entre 77 m e 121 m;
- Vogelgrün (França): Construída em 1959 no Grand Canal d'Alsace, no rio Rhine. Vogelgrün é uma central de fio de água com quatro unidades Kaplan para uma queda de baixa altitude. Também inclui dois locks da maior importância para a navegação internacional em rios, com mais de 20000 navios por ano. Estas unidades têm sido utilizadas para o controlo do nível de água e do caudal, consoante vão surgindo novas necessidades para dar suporte à rede.
Âmbito do NEW R&D
O NEW R&D terá uma posição central e de liderança ao longo do desenvolvimento do projeto XFLEX e dos seus pacotes de trabalho, onde mais especificamente, irá:
- Ser responsável por duas demonstrações em Portugal: Alqueva e Alto Lindoso, liderando as atividades de instalação e operação, assim como como as conclusões resultantes destas demonstrações (Pacotes de trabalho 7 e 8);
- Apoiar a EDP P na outra demonstração a realizar em Portugal, Frades 2;
- Desempenhar um papel importante no pacote de trabalho 2, liderando a definição de casos/modelos de negócio para o fornecimento de serviços de flexibilidade para o sistema elétrico;
- Traçar e atualizar o Plano de Gestão de Risco durante o projeto, incluindo identificação de riscos, planeamento de mitigação de riscos, qualificação e quantificação de riscos.
- Participar ativamente na avaliação dos benefícios das soluções de flexibilidade desenvolvidas no pacote de trabalho 11.
Parceiros
Hydroelectric Power Plants key assets for the Electrical Power System Flexibility – the XFLEX HYDRO outcome
by Prof. François Avellan, Eng. Dr., EPFL Emeritus Professor, and XFLEX HYDRO Project Scientific Advisor
The European fleet of Hydroelectric Power Plants (HPP) is a key strategic asset enabling to build a low carbon and climate resilient future for the energy system mix across the European continent and to ensure the electricity supply safety for its inhabitants. Indeed, the electrical system is challenged by the increasing reliance on non dispatchable renewable sources, such as solar and wind power, which are subject to weather conditions, as well as market induced imbalances; without mentioning the actual conflictual situation putting at risk the generating assets at the Eastern Europe borders! For facing this challenge and enabling the development of renewable sources, particularly in terms of frequency control, it is key to enhance the Electrical Power System (EPS) "Flexibility", i.e., the ability for the electric power system, and specifically for generating assets, to adjust the operating set point in a controllable manner.
XFLEX HYDRO[1], the European innovation action project has explored the HPP flexibility enhancement opportunities through digitalization, advanced monitoring, battery hybridization, hydraulic short circuit operation and variable speed technologies[2]. Aiming to establish a roadmap for the integration and utilization of these flexible technology solutions in all type of HPPs, i.e., run-of-river, storage and pumped storage of all sizes; being existing, uprated or new, the XFLEX HYDRO project has demonstrated in seven significant European operated HPPs how hydroelectric technologies can be leveraged to provide flexibility to the Electric Power System (EPS) while improving overall efficiency, ensuring high availability of Hydroelectric Power Plants (HPP), and maximizing their performance.
In Portugal, EDP operated demonstrators are the pumped storage power plant PSP Alqueva, the storage hydro power plants SHP Alto Lindoso and SHP Caniçada, and the variable speed pumped storage power plant PSP Frades II. In Switzerland, ALPIQ operated demonstrator is the pumped storage power plant PSP Z’Mutt, which is a part of the Grande Dixence hydroelectric scheme, specifically the Z’MUTT variable speed pump turbine unit 5. In France, EDF operated demonstrators are the run-of-river power plant ROR Vogelgrün on the Rhine River and the largest European pumped storage power plant, PSP Grand Maison in the Alps. The seven HPPs for the demonstration of hydro flexible technology are scheduled by the XFLEX HYDRO partner utilities (ALPIQ, EDF, EDP) to implement specific features in each HPP, covering the full range of flexibility technologies to be demonstrated.
The EPS flexibility time horizon spans from milliseconds for electrical short circuit response, to several seconds for frequency support, and up to hours or even years for long term energy storage. XFLEX HYDRO has surveyed these EPS flexibility time horizons to establish a comprehensive framework for flexibility and the EPS support services, "Ancillary Services", that the HPPs can offer. The technical requirements associated with these Ancillary Services are investigated, along with the placement of these services within current and emerging market mechanisms. The XFLEX HYDRO identified ancillary services that HPP can provide are the following:
• Synchronous Inertia
• Synthetic Inertia
• Fast Frequency Response (FFR)
• Frequency Containment Reserve (FCR)
• Automatic Frequency Restoration Reserve (aFRR)
• Manual Frequency Restoration Reserve (mFRR)
• Replacement Reserve (RR)
• Voltage/Reactive Power
• Black Start
The system integration of hydroelectric flexible technology solutions enabling advanced unit control and maintenance, enhanced range of head values, and an extended power regulation range from full pumping to full generating demonstrates the HPP's ability to support the evolving EPS flexibility needs and to provide this portfolio of identified ancillary services. XFLEX HYDRO delivered to the industry a comprehensive sorting matrix[3], [4] developed to compare HYDRO technologies with flexibility services within current and emerging market mechanisms. However, even XFLEX HYDRO successfully unlocked hydroelectric flexible technology implementation challenges, the legal and market frameworks need to be setup, still, either at the regional or the European levels to take full benefit of the existing European HPP fleet.
References
[1] The Hydropower Extending Power System Flexibility (XFLEX HYDRO) project has received funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 857832.
[2] Jean-Louis Drommi and François Avellan, “Towards enhanced power system flexible services, XFLEX HYDRO paves the way”, IAHR Hydrolink Magazine, 2023-2 Hydropower. Towards enhanced power system flexible services, XFLEX HYDRO paves the way (iahr.org)
[3] XFLEX HYDRO Consortium, “Deliverable D2.2: Business Use Cases for the Provision of Flexibility Services by Hydropower”, XFLEX HYDRO Public Deliverable, July 5, 2021.
[4] XFLEX HYDRO Consortium, “Deliverable D2.3: Identification of flexibility services and standardisation”, XFLEX HYDRO Public Deliverable, March 20, 2023. Ancillary Services Matrix - Stage 2.
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