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Using Supply Chain Management Techniques to Make Wind Plant and Energy Storage Operation More Profitable By Prashant Saran & Clay Siegert Thesis Advisor: Dr. Jarrod Goentzel

Using Supply Chain Management Techniques to Plant and

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Using Supply Chain Management Techniques to Make Wind Plant and Energy Storage Operation

More Profitable 

By

Prashant Saran

&

Clay Siegert

Thesis Advisor: Dr. Jarrod Goentzel

Key Results

• Applying SCM techniques to Wind Plant and Storage operation works:– Increase gross profit up to 19% of base case revenues

– Increase operating profit up to 15% of base case revenues

– Make overall pre‐tax profit in certain scenarios

• Novel approach applying SCM to wind plant and storage operation

2Prashant Saran & Clayton Siegert

Agenda

Problems facing wind plants and energy storage

Our hypothesis: SCM can solve these problems

Relevant SCM techniques

Simulation model to test hypothesis

Simulation results and management insights

3Prashant Saran & Clayton Siegert

Problems Facing Wind Plants and Energy Storage

Wind plants earn sub‐optimal revenue– Issue #1: Remote location  low prices

– Issue #2: Intermittency  revenue unpredictability

– Issue #3: Intermittency  low installed capacity payments

– Electrical energy absolutely perishable

Spatial and temporal variability of electricity prices– Spatial: At noon, $75 in Maine vs. $92 in Cambridge vs. $101 in Providence

– Temporal: At midnight in Maine = $55, while at noon in Maine = $75

– Premium prices paid for: predictability, availability in high‐demand areas at right time

Energy storage possible solution for wind plants– Rapidly‐evolving technology

– Existing research says not profitable

4Prashant Saran & Clayton Siegert

Our Hypothesis

SCM techniques can make wind plant and energy

storage operation more profitable

Network Design Decisions1

• Facility Location: Where should storage unit be located?

• Capacity Allocation: How much storage capacity should be built?

• Supply Allocation: How will storage unit get charged?

• Market Allocation: What markets should each facility participate in? 

Daily Operating Policies (Inventory Management)2

• Input Policies for charging storage

• Output Policies for discharging storage

1 Chopra & Meindl, 2004; 2 Silver, Pyke, & Peterson, 1998 5Prashant Saran & Clayton Siegert

Relevant SCM Techniques:Network Design Decisions

Decisions:

‐Facility location?

‐Capacity allocation?

‐Supply allocation?

‐Market allocation?

“Co‐Located”

“Located” (Cambridge)

“Located” (Providence)

“Located” (Cos Cob)

6

Relevant SCM Techniques: Daily Operating Policies

• Electricity Characteristics and Model Assumptions– Product:  Perishable – Planning Horizon: 1 Day– Demand: Infinite– Lead Time: Variable– Review Period: Continuous / Periodic

• Total Cost Function– Unit Variable Cost: Electricity Cost– Inventory Carrying Cost: Standby Loss– Ordering or Setup Cost: Round Trip Loss– Shortage Cost: Penalty in DA

• Single Period (Newsvendor) Problem– Cost of Overage: Sell after peak hours– Cost of Underage: Not enough for peak hours

Four Daily Operating Policies:

•Simple

•Cost Based

•Max Peak

•Rapid Arb

7Prashant Saran & Clayton Siegert

Daily Operating Policies

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Amou

nt of E

nergy Stored

 in Storage Unit 

(MWh)

Hour of Day

8

Max Energy

Min Energy

Charge

Discharge

Standby Loss

Standby Loss & Discharge

SimpleCost Based

Max Peak

Rapid Arb

Standby Loss, Charge & Discharge

Model

Wind PlantElectricity Output

Electricity Market Prices

Storage TechnologyCosts & Technical Specifications

Simulation Model

Supply Chain Management

NetworkDesign

Decisions

DailyOperatingPolicies

Supply Chain Management

Incremental Revenue & Profit

Simulation Model Runs

• 121K possible scenarios– Location, seasonality, market, operating policy, etc.

• 10K runs for each scenario:

• Intelligently reduced to 5,130 scenarios  51.3M simulations:‐ Rapid Arb ‐ 190 days (Summer & Winter)

‐ ‘Co‐Located’ and ‘Located’ ‐ ‘Hybrid’  vs. ‘Linked’

‐ Day‐Ahead and Real‐Time Markets ‐ Storage Capacity (10% to 100%)

10Prashant Saran & Clayton Siegert

Results: Daily Operating Policy

Design Scenario 1

LOCATION Co‐LocatedSTORAGE CAPACITY

as % of WindCapacity

  

50%

MARKET Real Time

SUPPLY LINKAGE Linked

Wind Day 95

Rapid Arb is the Best Policy

Scenario

11Prashant Saran & Clayton Siegert

Impact of Network Design Decisions (Summer)

Location:Cos Cob > Co‐Located

Supply Linkage:Hybrid > Linked

Market:Day Ahead > Real Time(if Installed Capacity 

Payments) 12

Impact of Network Design Decisions (Winter)

Location:Cos Cob > Co‐Located

Supply Linkage:Hybrid > Linked

Market:Day Ahead > Real Time(if Installed Capacity 

Payments)13

Storage CapacityLINKED HYBRID

14

Diminishing Returns: 20% optimal capacity if costs 

increase linearly

Constant Increasing Returns: Limited by technology, space and 

capital constraints

Prashant Saran & Clayton Siegert

P&L Snapshot

15

Alpha Battery: Capital Cost, Operating Profit & Installed Capacity Payments

16

Total: $14,922

Total: $8,623

Battery Life:  15 years

Prashant Saran & Clayton Siegert

Beta Battery: Capital Cost, Operating Profit & Installed Capacity Payments

17

Total: $11,470

Total: $5,171

Battery Life:  30 years

Prashant Saran & Clayton Siegert

Management InsightsOperators

Use SCM techniques to manage Wind Plant and Storage operationDaily Operating Policies 

Use policies based on Inventory Management concepts to improve profitability

Iterate policies regularly 

Network Design DecisionsLocate storage in densely‐populated areas

Operate storage with “Hybrid” policy 

Size storage to maximize utilization

Use storage to commit in Day‐Ahead market

Battery Manufacturers

Lower capital and operating costs to the targets specified by our research

ISO Policymakers

Qualify batteries for Installed Capacity Payments  drive penetration of more profitable wind energy

Prashant Saran & Clayton Siegert 18

Key Results

• Applying SCM techniques to Wind Plant and Storage operation works:– Increase gross profit up to 19% of base case revenues

– Increase operating profit up to 15% of base case revenues

– Make overall pre‐tax profit in certain scenarios

• Novel approach applying SCM to wind plant and storage operation

19Prashant Saran & Clayton Siegert

Thank You!

Questions?

20Prashant Saran & Clayton Siegert