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Conversão de centrais termoelétricas em compensadores síncronos como medida de estabilidade da frequência dos sistemas elétricos de energia
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As metas de neutralidade carbónica estabelecidas pela União Europeia e por diversos países em todo o mundo impulsionaram uma transformação dos Sistemas Elétricos de Energia (SEE), caracterizada pela substituição gradual da geração térmica síncrona por Fontes de Energia Renovável (FER), como a eólica e a solar. A transição energética, embora necessária para alcançar as metas estabelecidas, introduz desafios significativos à estabilidade dos SEE, uma vez que as FER ainda não contribuem para a estabilidade em níveis equiparáveis aos de um gerador síncrono, seja ao nível da inércia, que tem registado uma redução assinalável nos últimos anos,
seja no controlo de tensão ou na potência de curto-circuito. Neste contexto, os compensadores síncronos apresentam-se como uma solução promissora para assegurar, de forma eficaz, o papel de estabilidade até agora desempenhado pela produção termoelétrica. Entre as soluções de compensação síncrona destacam-se duas
abordagens: a conversão de centrais termoelétricas em compensadores síncronos e a construção de novos compensadores. Dado o contexto, a solução de conversão representa uma oportunidade única para rentabilizar ativos que seriam, de outro modo, descomissionados, apresentando custos de investimento até 50 % inferiores e prazos de implementação mais reduzidos, comparativamente à construção de novos compensadores síncronos.
Ainda assim, esta potencial vantagem económica e operacional deve ser avaliada face aos requisitos técnicos exigidos e à viabilidade específica de conversão de cada central, uma vez que nem todas se encontram em iguais condições técnicas e estado de conservação. Na literatura atual, a informação necessária para conduzir esta avaliação encontra-se dispersa e limitada, sobretudo ao nível técnico. Assim, nesta dissertação, propõe-se uma metodologia sistemática para analisar a viabilidade técnica e económica da conversão de centrais termoelétricas em compensadores síncronos, identificando os principais desafios e modificações técnicas, os aspetos económicos envolvidos, e comparando as vantagens e desvantagens desta opção face à construção de novos compensadores síncronos. Para validar a metodologia proposta, desenvolve-se um caso de estudo utilizando como referência as condições reais de uma central termoelétrica existente. Os resultados obtidos confirmam não só a viabilidade da conversão do caso estudado, como também a eficácia e aplicabilidade da metodologia enquanto ferramenta prática e replicável a diferentes contextos e tipologias de centrais. O trabalho desenvolvido demonstra que as centrais termoelétricas existentes podem desempenhar um papel essencial no contexto da transição energética, através da sua conversão em compensador síncrono, proporcionando benefícios económicos e as condições técnicas necessárias para que a crescente integração das FER decorra sem colocar
em causa os níveis de fiabilidade dos sistemas elétricos de energia.
The net-zero targets set by the European Union and many other countries worldwide are driving a significant transformation of the power systems, as conventional synchronous generators in thermal power plants are gradually phased out and replaced by Renewable Energy Sources (RES), such as wind and solar power. While the energy transition is necessary to achieve the net-zero targets, it poses challenges to grid stability, as RES technologies do not inherently provide the same level of support to system stability as synchronous generators, whether in system inertia (which has seen a significant decline in recent years), voltage control (reactive power support) or short-circuit power. In this context, synchronous condensers stand as a prominent solution to ensure power system stability, assuming the role historically provided by conventional power plants. Among the available approaches, two stand out: repurposing thermal power plants as synchronous condensers and the deployment of purpose-built synchronous condensers. Given the upcoming retirement, converting thermal generators into synchronous condensers provides a unique opportunity to generate revenue from otherwise stranded assets, while offering up to 50 % lower capital investment and shorter implementation times compared to purpose-built synchronous condensers. However, any potential economic and operational advantages must be weighed against the technical requirements and the feasibility of converting each specific case, given the variability in technical condition and configuration across power plants. The guidance available in the literature for such feasibility assessments is very limited and fragmented, particularly on the technical side. Therefore, this work proposes a systematic methodology to evaluate the technical and economic feasibility of converting thermal power plants into synchronous condensers, identifying the key technical modifications and challenges, relevant economic drivers, and the advantages and disadvantages of repurposing thermal power plants compared with the deployment of purpose-built synchronous condensers. A case study based on the actual operating conditions of an existing thermal power plant was conducted to illustrate the applicability of the proposed methodology. The results of the study not only confirm the feasibility of converting the evaluated power plant but also demonstrate the effectiveness of the methodology as a practical framework across various scenarios and plant configurations. This work shows that repurposing thermal power plants as synchronous condensers can act as a key enabler for energy transition, delivering economic benefits and providing the technical capabilities to integrate increasing levels of renewable energy sources into the grid, while maintaining a secure and reliable power system.
The net-zero targets set by the European Union and many other countries worldwide are driving a significant transformation of the power systems, as conventional synchronous generators in thermal power plants are gradually phased out and replaced by Renewable Energy Sources (RES), such as wind and solar power. While the energy transition is necessary to achieve the net-zero targets, it poses challenges to grid stability, as RES technologies do not inherently provide the same level of support to system stability as synchronous generators, whether in system inertia (which has seen a significant decline in recent years), voltage control (reactive power support) or short-circuit power. In this context, synchronous condensers stand as a prominent solution to ensure power system stability, assuming the role historically provided by conventional power plants. Among the available approaches, two stand out: repurposing thermal power plants as synchronous condensers and the deployment of purpose-built synchronous condensers. Given the upcoming retirement, converting thermal generators into synchronous condensers provides a unique opportunity to generate revenue from otherwise stranded assets, while offering up to 50 % lower capital investment and shorter implementation times compared to purpose-built synchronous condensers. However, any potential economic and operational advantages must be weighed against the technical requirements and the feasibility of converting each specific case, given the variability in technical condition and configuration across power plants. The guidance available in the literature for such feasibility assessments is very limited and fragmented, particularly on the technical side. Therefore, this work proposes a systematic methodology to evaluate the technical and economic feasibility of converting thermal power plants into synchronous condensers, identifying the key technical modifications and challenges, relevant economic drivers, and the advantages and disadvantages of repurposing thermal power plants compared with the deployment of purpose-built synchronous condensers. A case study based on the actual operating conditions of an existing thermal power plant was conducted to illustrate the applicability of the proposed methodology. The results of the study not only confirm the feasibility of converting the evaluated power plant but also demonstrate the effectiveness of the methodology as a practical framework across various scenarios and plant configurations. This work shows that repurposing thermal power plants as synchronous condensers can act as a key enabler for energy transition, delivering economic benefits and providing the technical capabilities to integrate increasing levels of renewable energy sources into the grid, while maintaining a secure and reliable power system.
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Keywords
Inertia frequency stability synchronous condenser repurposing thermal power plants energy transition renewable energy sources Inércia Estabilidade da frequência Compensador síncrono Conversão de centrais termoelétricas Transição energética Fontes de energia renovável
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