Optimización automatizada basada en datos de pequeñas cascadas de energía hidroeléctrica

Dalane Kraft AS es un productor noruego de energía hidroeléctrica de tamaño mediano con 100 años de experiencia y una cartera hidroeléctrica de aproximadamente 45 MW de capacidad instalada. En la actualidad, la empresa posee y opera nueve centrales eléctricas en el condado de Rogaland, en Noruega. Cuenta con varias cascadas en el rango de hasta 10 MW.

Haukland es una de sus cascadas, una pequeña central hidroeléctrica (SHP) construida en 1913, con una capacidad de 4,9 MW ubicada en el suroeste de Noruega, en el centro de Moi, municipio de Lund. La central eléctrica utiliza agua de los ríos Hauklandsbekken y Brekkebekken.

A pesar de su pequeña capacidad, era un desafío operar esta planta. La planta tiene una topología compleja (figura 3) y Dalane Kraft AS se enfrentaba a limitaciones técnicas, ambientales y de otro tipo.

Los desafíos clave

• Depósitos múltiples conectados
• Múltiples compuertas utilizadas para el control del flujo
• Diferentes áreas de captación con diferentes condiciones de entrada y horizontes de planificación
• La planificación precisa a corto plazo de las cuencas pequeñas, en particular de Skårstemmevatn, es muy difícil, ya que el desbordamiento no solo provoca derrames, sino que también puede provocar la inundación de un puente ubicado en las inmediaciones.
• La flexibilidad de los embalses aguas arriba solo se puede utilizar a corto plazo y solo durante un número limitado de horas cuando sea hidrológicamente posible

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Alcance del proyecto

1. Automatización en tiempo real: coordinar un sistema de múltiples depósitos, compuertas y turbinas en tiempo real es clave para evitar derrames y desequilibrios en los costos;
2. Envío basado en el precio: aprovechar las oportunidades de ingresos creadas por la volatilidad del mercado y, al mismo tiempo, garantizar que se respeten todas las restricciones técnicas y ambientales.

Como requisito previo para la capacidad en tiempo real, la disponibilidad de datos confiables y una comunicación de datos sólida y segura eran fundamentales. Durante los últimos años, para lograr un sistema de producción totalmente automatizado, la empresa ha desarrollado KraftsCADA, una solución de control remoto SCADA (2018). La solución KraftsCADA, junto con el sistema de optimización, HYDROGRID Insight ofrece un enfoque innovador y dinámico basado en datos que ayuda a optimizar las centrales hidroeléctricas de diferente capacidad de forma automatizada.

HYDROGRID Insight modela el complejo sistema en cascada de Haukland como una copia digital que comprende los múltiples depósitos, compuertas y turbinas de Haukland, teniendo en cuenta sus diferentes tiempos de flujo, así como sus limitaciones técnicas y ambientales. La telemetría real de Haukland se transmite con una granularidad horaria a través de un punto final de API RESTful estandarizado y seguro (una API REST es un medio para que dos ordenadores se comuniquen a través de HTTP [Protocolo de transferencia de hipertexto], de la misma manera que se comunican los clientes y los servidores). HYDROGRID Insight utiliza los datos telemétricos para calibrar su modelo de optimización y entrada y calcula los planes óptimos para la generación y la apertura de puertas cada hora. El plan de despacho y las instrucciones de la puerta de embarque se leen en el KraftsCADA de Dalane Kraft, para automatizar por completo la dirección de la central eléctrica. Además, HYDROGRID Insight calcula los archivos de ofertas de órdenes limitadas para el mercado diario, lo que permite a Dalane Kraft aprovechar al máximo las oportunidades que ofrece la volatilidad del mercado eléctrico y, de este modo, maximizar los ingresos del sistema en cascada de Haukland.

El contexto mundial de la industria hidroeléctrica: una tendencia de digitalización

La intensificación de la volatilidad de las condiciones meteorológicas y del mercado ha llevado a una mayor demanda de soluciones de optimización automatizadas y en tiempo real. Dado el tipo de insumo (como las precipitaciones, la demanda de energía o los datos sobre los precios de mercado), las soluciones de optimización se enfrentan a un conjunto complejo de problemas no lineales. Además, diversas restricciones ambientales y operativas requieren un proceso de planificación complejo, lo que hace que se necesiten más recursos, tanto en términos de tiempo como de personal. En consecuencia, la capacidad de reaccionar en tiempo real es un desafío importante para la mayoría de los productores de energía hidroeléctrica. Sin embargo, las soluciones existentes para la planificación y la optimización requieren grandes inversiones y recursos manuales.

Por lo tanto, no suelen ser rentables para muchos operadores de centrales hidroeléctricas de pequeña y mediana escala, lo que los excluye de la posibilidad de un control optimizado de las centrales eléctricas. La falta de posibilidades para un control óptimo de las plantas en tiempo real hace que los productores de centrales hidroeléctricas no utilicen plenamente la flexibilidad de generación física disponible en su cartera. Se necesitan nuevas soluciones técnicas para que la energía hidroeléctrica de pequeña y mediana escala pueda utilizarse como «batería verde» (centrales de almacenamiento de energía), así como para promover nuevas inversiones en energía renovable mediante una mayor rentabilidad.

La industria hidroeléctrica internacional está atravesando actualmente un proceso de digitalización masivo, y tecnologías como el aprendizaje automático con su amplia gama de soluciones metodológicas (por ejemplo, el aprendizaje profundo mediante redes neuronales) se pueden utilizar para optimizar las operaciones hidroeléctricas para todos los actores del mercado. El potencial de los procesos automatizados y optimizados abarca toda la cadena de valor, desde la previsión hidrológica hasta el despacho automatizado, la comercialización de energía y el mantenimiento predictivo.

Se puede lograr una estrategia de despacho optimizada que genere eficiencia y ganancias resolviendo el problema no lineal implícito de la optimización de la energía hidroeléctrica, utilizando modelos matemáticos combinados con enfoques de optimización y aprendizaje automático. La complejidad de la optimización depende de los siguientes parámetros:

1. Número de componentes de la topología de la planta (compuertas/escotillas, masas de agua interconectadas, turbinas)
2. Características de las conexiones entre los componentes individuales de la planta
3. Tiempos de flujo y retrasos
4. Restricciones ambientales
5. Restricciones técnicas
6. Características de las áreas de captación (tamaño, topología, etc.)

La cantidad de parámetros relevantes, combinada con su rango posible, da como resultado un alto grado de complejidad para las soluciones de optimización que son difíciles de resolver mediante el uso de engorrosos procesos manuales o modelos estadísticos individuales para cada problema subyacente. Las nuevas soluciones tecnológicas respaldan la eficiencia de los procesos, ahorran tiempo y pueden ayudar a los equipos de operaciones a centrarse en otras tareas importantes.

Operador/propietario de la planta SHP: Dalane Kraft — Proveedor de tecnología: HYDROGRID GmbH

Características técnicas

Características técnicas clave de Haukland Kraftverk

Control de puertas en tiempo real

El modelado de la planta se realiza previamente en una etapa separada e incorpora todos los parámetros técnicos relevantes de la planta real, así como las restricciones ambientales. La modelización precisa de las compuertas es particularmente importante en el caso de la compleja cascada de Haukland, ya que las compuertas desempeñan un papel importante a la hora de equilibrar el flujo de agua del sistema, evitando que se derrame y desequilibre los costes. Para optimizar Haukland, un aspecto clave fue la capacidad de HYDROGRID Insight para modelar las aberturas de las puertas en función del nivel, lo que dio como resultado un modelo de mapeo de puertas en 3D. Además, el mapeo 3D de las compuertas de HYDROGRID Insight permite correlacionarlas con el nivel del agua, el caudal y la apertura de las compuertas. Las puertas de Haukland se pueden controlar automáticamente mediante el KraftsCADA de Dalane Kraft.

En consecuencia, KraftsCADA recoge tanto el plan de despacho óptimo como los planes de apertura de puertas a través de los puntos finales de API de HYDROGRID Insight para controlar todos los componentes de la cascada de Haukland de una manera totalmente automatizada, pero óptima.

Metodología de optimización del algoritmo HYDROGRID Insight - HIRO

Los enfoques más avanzados para la optimización en cascada se basan en modelos de programación dinámica estocástica. Estos tienen en cuenta las variaciones de todas las variables de entrada y, como resultado, proporcionan probabilidades para todos los escenarios. Sin embargo, esto produce un aumento drástico de los recursos computacionales necesarios a medida que aumenta la complejidad de la topología de un activo. Este aumento del tiempo de cálculo hace que sea casi imposible reaccionar en tiempo real a los cambios del mercado o de la hidrología.

Para superar este desafío, HYDROGRID Insight resuelve el problema de optimización en cascada utilizando un enfoque de modelado estocástico más heurístico basado en algoritmos patentados. La tecnología desarrollada internamente se centra en reducir con éxito el tiempo de cálculo. Por ejemplo, el tiempo de cálculo de Haukland se redujo de 20 minutos a menos de 3 minutos. Además, el enfoque de modelización de HYDROGRID Insight está totalmente basado en datos. El modelo de planta subyacente se reentrena continuamente en función de la telemetría real de la planta y otros datos de entrada externos. En combinación con soluciones propias para pronosticar los flujos de entrada y los precios mediante el aprendizaje automático, HYDROGRID Insight proporciona una solución de optimización integrada para la planificación a corto, mediano y largo plazo. De este modo, HYDROGRID Insight es capaz de identificar automáticamente los cambios en las condiciones hidrológicas o del mercado y ajustar automáticamente todo el horizonte de planificación.

Como resultado, el enfoque basado en datos de HYDROGRID Insight permite una optimización eficiente y de alta calidad de múltiples centrales eléctricas. Para Haukland, HYDROGRID Insight ayudó a lograr una reducción del tiempo de computación en un 65 por ciento.

Potencie el comercio con HYDROGRID Insight

Además del envío automatizado y óptimo de la cascada de Haukland, el otro objetivo principal de Dalane Kraft era utilizar la flexibilidad inherente de la cascada para maximizar sus resultados financieros. Una de las muchas ventajas de los sistemas de optimización en tiempo real es su capacidad para pronosticar y reaccionar con precisión ante los cambios en el mercado eléctrico y ajustar la generación de energía hidroeléctrica en consecuencia. De este modo, el proceso de nominación se puede acortar y es posible cambiar de ofertas de orden de mercado a ofertas de pedido limitado.

Actualmente, Dalane Kraft comercializa la generación de Haukland en Nord Pool AS Day-Ahead-Market. Como característica principal, HYDROGRID Insight calcula una posición óptima en el mercado al contado en cualquier momento. Esta posición se ofrece como una orden de mercado o limitada, según las necesidades del cliente. Históricamente, la venta al contado de la producción de Haukland al mercado al contado se basaba en una orden de mercado, es decir, un plan de generación por hora que se vende inmediatamente independientemente del precio real en el mercado. Para aprovechar mejor la volatilidad del mercado y maximizar los ingresos de Haukland, Dalane Kraft decidió pasar de una estrategia de órdenes de mercado a una estrategia de órdenes limitadas, que a su vez HYDROGRID Insight ofrece como oferta de órdenes limitadas. Una oferta de órdenes limitadas es una matriz de producción que proporciona la generación prevista cada hora a diferentes precios de ejercicio. Posteriormente, el plan de generación real se obtiene mediante la ejecución de la oferta con los precios reales realizados en el mercado diario.

Potencie el comercio con HYDROGRID Insight

Una de las principales ventajas de que Dalane Kraft utilizara HYDROGRID Insight fue la reducción del esfuerzo manual del equipo de operaciones de la organización, en particular en el caso del pequeño embalse Skårstemmevatn, que anteriormente generaba una gran carga de trabajo manual debido a su inflexibilidad y limitaciones operativas inherentes.

En la figura 6, se muestra una situación típica de desarrollo y despacho de yacimientos de Skårstemmevatn. Con HYDROGRID Insight, el riesgo de desbordamiento el 25 de octubre de 2022 se identificó automáticamente y se evitó optimizando el plan de apertura de las compuertas de la planta. Este plan, a su vez, fue adoptado rápidamente por el KraftsCADA de DalaneKraft, lo que evitó el derrame de los depósitos y, por lo tanto, evitó el desequilibrio de los costes. Como resultado, se aprovechó toda la flexibilidad del sistema de cascadas de Haukland.

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Un segundo objetivo principal de Dalane Kraft al utilizar HYDROGRID Insight era maximizar los ingresos mediante el aprovechamiento de la flexibilidad inherente de la cascada de Haukland. Con HYDROGRID Insight, se pueden realizar envíos basados en el precio.

La figura 7 muestra un ejemplo del envío automático basado en el precio calculado por HYDROGRID Insight para la cascada de Haukland. Siempre que la situación hidrológica lo permite, la producción se alinea con los precios del mercado eléctrico.

Prestaciones

Los beneficios clave del uso de la tecnología HYDROGRID Insight para la operación de la planta SHP de Haukland se describen a continuación.

Prestaciones económicas
El enfoque basado en datos de HYDROGRID Insight permite una optimización de alta calidad, pero eficiente, de múltiples centrales eléctricas con un esfuerzo numérico bajo y con un gasto mínimo de personal. Esto conlleva una reducción considerable de los costos de operación.
HYDROGRID Insight ayuda a la empresa operadora a controlar completamente todos los datos en todo momento. Esto permite a Dalane Kraft reaccionar con extrema rapidez ante los cambios externos y aprovechar las oportunidades que ofrece la volatilidad del mercado eléctrico. Gracias al HYDROGRID Insight, Dalane Kraft puede ejecutar la estrategia de limitar las órdenes, minimizar los riesgos derivados del comercio de energía y maximizar los ingresos del sistema en cascada de Haukland. En función de la situación hidrológica y de la evolución de los precios de mercado, el rendimiento financiero superior oscila entre el 5 y el 12 por ciento (lo que equivale a entre 70 000 y 200 000 euros).

HYDROGRID Insight también es una solución asequible para pequeñas centrales hidroeléctricas de menos de 5 MW, que no requieren grandes inversiones ni recursos manuales. Al implementar esta solución de optimización, Dalane Kraft no pone en riesgo su rentabilidad.

Este enfoque de optimización apoya las fortalezas del mercado y la competitividad de la empresa operadora: Dalane Kraft puede posicionarse como uno de los principales expertos en la operación de plantas SHP no solo en el mercado noruego, sino también a nivel internacional, aumentando su cartera con nuevos clientes.

Prestaciones sociales
HYDROGRID Insight ayuda a reducir el esfuerzo manual del equipo de operaciones de la organización y a liberar recursos para otras tareas importantes.

Beneficios ambientales
HYDROGRID Insight garantiza automáticamente que se cumplan todas las restricciones ambientales del proyecto.
Maximizar la eficiencia optimizando la utilización del agua (evitando el derrame del depósito) y aumentando la producción de electricidad a partir de fuentes de energía renovables.

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Lecciones aprendidas y conclusión

Las cascadas de SHP complejas pueden beneficiarse considerablemente de un enfoque innovador de optimización basado en datos de TI. La tecnología como HYDROGRID Insight puede ayudar a lograr la automatización en tiempo real y los envíos basados en los precios.

El potencial de los procesos automatizados y optimizados abarca toda la cadena de valor. En el caso práctico de HYDROGRID, estos procesos incluían la previsión hidrológica, el despacho automatizado, la comercialización de energía y el mantenimiento predictivo.

Las nuevas soluciones técnicas son esenciales para que la energía hidroeléctrica de pequeña y mediana escala pueda utilizarse como «batería verde», así como para promover nuevas inversiones en energía renovable mediante una mayor rentabilidad.

Reconocimiento
Los autores desean dar las gracias a Dalane Kraft por su visión de futuro y su actitud innovadora y por su fantástica colaboración.