The case of residential photovoltaics

This report maps the regulatory features underpinning prosumer activities in Germany. It is structured according to a case study design which was developed to compare different countries and to draw respective lessons on policies which enable the prosumer uptake. With a total installed capacity of 38 GW (2015) PV power has reached a stage of systemic importance for the whole power system. Although residential PV (<10 kWp) accounts for only 13 percent of total installed PV capacity, it is an important segment for several reasons. “Prosuming” — although never defined as an official term in Germany — is both a subject and a driver of the adaptive legislation on the RES support scheme and on system integration of RES. It is the result of a dynamic incentive structure set by both regulatory provisions as well as by market developments and the permanent interplay between these factors, rather than as a result of a targeted prosumer policy. Thus, the challenge this case study is confronted with is to map these factors and their respective interplay over a rather long period of time

An Exchange Mechanism to Coordinate Flexibility in Residential Energy Cooperatives

Energy cooperatives (ECs) such as residential and industrial microgrids have the potential to mitigate increasing fluctuations in renewable electricity generation, but only if their joint response is coordinated. However, the coordination and control of independently operated flexible resources (e.g., storage, demand response) imposes critical challenges arising from the heterogeneity of the resources, conflict of interests, and impact on the grid. Correspondingly, overcoming these challenges with a general and fair yet efficient exchange mechanism that coordinates these distributed resources will accommodate renewable fluctuations on a local level, thereby supporting the energy transition. In this paper, we introduce such an exchange mechanism. It incorporates a payment structure that encourages prosumers to participate in the exchange by increasing their utility above baseline alternatives. The allocation from the proposed mechanism increases the system efficiency (utilitarian social welfare) and distributes profits more fairly (measured by Nash social welfare) than individual flexibility activation. A case study analyzing the mechanism performance and resulting payments in numerical experiments over real demand and generation profiles of the Pecan Street dataset elucidates the efficacy to promote cooperation between co-located flexibilities in residential cooperatives through local exchange.Comment: Accepted in IEEE ICIT 201

Contributing to sustainable and just energy systems? The mainstreaming of renewable energy prosumerism within and across institutional logics

Renewable energy (RE) prosumerism comes with promises and expectations of contributing to sustainable and just energy systems. In its current process of becoming mainstream, numerous challenges and doubts have arisen whether it will live up to these. Building on insights from sustainability transitions research and institutional theory, this article unpacks the mainstreaming by considering the range of institutional arrangements and logics through which these contributions might be secured. Taking a Multi-actor Perspective, it analyses the differences, combinations, and tensions between institutional logics, associated actor roles and power relations. Firstly, it unpacks how mainstreaming occurs through mechanisms of bureaucratisation and standardisation (state logic), marketisation and commodification (market logic), as well as socialisation and communalisation (community logic). Secondly, it highlights the concomitant hybridisation of institutional logics and actor roles. Such hybrid institutional arrangements try to reconcile not only the more known trade-offs and tensions between for-profit/non-profit logics (regarding the distribution of benefits for energy activities and resources), but also between formal/informal logics (gaining recognition) and public/private logics (delineating access). This institutional concreteness moves the scholarly discussion and policy debate beyond idealistic discussions of ethical principles and abstract discussions about power: Simplistic framings of ‘prosumerism vs incumbents’ are dropped in favour of a critical discussion of hybrid institutional arrangements and their capacity to safeguard particular transformative ideals and normative commitments.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Balancing responsibilities:Effects of growth of variable renewable energy, storage, and undue grid interaction

Electrical energy storage is often proposed as a solution for the mismatch between supply patterns of variable renewable electricity sources and electricity demand patterns. However, effectiveness and usefulness of storage may vary under different circumstances. This study provides an abstract perspective on the merits of electrical energy storage integrated with decentralized supply systems consisting of solar PV and wind power in a mesolevel, residential sector context. We used a balancing model to couple demand and supply patterns based on Dutch weather data and assess the resultant loads given various scenarios. Our model results highlight differences in storage effectiveness for solar PV and wind power, and strong diminishing-returns effects. Small storage capacities can be functional in reducing surpluses in overdimensioned supply systems and shortages in under-dimensioned supply systems. However, full elimination of imbalance requires substantial storage capacities. The overall potential of storage to mitigate imbalance of variable renewable energy is limited. Integration of storage in local supply systems may have self-sufficiency and cost-effectiveness benefits for prosumers but may have additional peak load disadvantages for grid operators. Adequate policy measures beyond current curtailment strategies are required to ensure proper distribution of benefits and responsibilities associated with variable renewable energy and storage

Community energy microgrids: the role of energy exchange between prosumers

Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018In the European Union, the current energy paradigm promotes the deployment and integration of renewables, particularly of the distributed kind, as a way to increase the share of clean energy in the global energy mix. Investments made in this sense have simultaneously been allowing and leading towards the integration of energy produced at the local level on the distribution grid. Recent price drops in small and micro scale energy generation systems have allowed residential consumers to invest in small scale units for self-production. Due to its low maintenance requirements and modularity, photovoltaic panels are the preferred choice when it comes to small energy generation. However, as solar energy alone cannot match all daily consumption needs, only by investments in energy storage units one can further decrease the dependency on the main grid. In this dissertation a second option is suggested – energy exchange between local prosumers in a smart microgrid. The hypothesis was studied through the simulation, in AIMMS software, of an energy system intended to reproduce a typical urban neighborhood, composed by six prosumers of different activity sectors and, hence, having different daily load profiles. Considering that at least some of those will have an energy surplus during a part of the day, the idea of a local energy market for trading such surplus is introduced. For the management of this virtual energy market, two models were proposed: a centralized management model, which is intended to simulate a microgrid controlled by a single entity holding access to all data regarding production and demand of the microgrid participants, and a decentralized management model, simulating a scenario where prosumers individually manage their energy trades. Both models were optimized with mixed integer linear programming for cost minimization and simulated for four day-types, with hourly time intervals: winter week- and weekend-days and summer week- and weekend-days. A base scenario with no energy exchange between the prosumers, only with the main grid, serves as a reference for comparison. The results were quantified in terms of self-consumed power and financial balance analyses. Finally, a contextualization for the Portuguese legislation regarding self-consumption was made, in order to determine if this case-study and corresponding results could be adequate for the national legal situation. The results show that very similar outcomes of self-consumption are obtained for both management approaches, with a maximum daily divergence of 2,3%. Considering the overall average for the daily self-consumption values obtained, the difference between the two models is below 1%. When comparing with the base scenario it was verified that, on average, an overall 10% increase in self-consumption is obtained for the micro-grid as a whole. Regarding the financial outcomes, the application of a local energy market for energy exchange between microgrid prosumers resulted in an energy surplus valorization of 135%, on average for the day types simulated, compared to the value stipulated by the Portuguese legislation for self-consumption units. As a logical consequence of this result, an average of 21,6% increase in overall revenues for the prosumers was verified, compared with the revenues in the base scenario. The highest increases on the revenues are verified in the winter week-day scenario, in particular for the office. On average, the individual costs’ reduction is 1,2%, mostly due to savings during the summer. An overall economic analysis on the expected electricity bill of each prosumer and for the microgrid as a whole, revealed that the local energy market can cause a bill reduction of 3,3% for the winter week, and 5,3% for the summer. It can be concluded that, when considering the whole microgrid, the overall economic benefits in terms of economic savings are not so relevant as the results obtained in terms of self-consumed energy, for this particular case-study, although a more profound economic evaluation would be interesting to fully acknowledge the impacts of the observed financial benefits on the overall implied investment. When analyzing the results under the Portuguese legal framework it was concluded that 3 of the production units were oversized in terms of resulting connection power.No atual contexto de descarbonização da rede energética e da sua transição para um modelo de funcionamento mais distribuído e flexível, tem sido dado uma ênfase crescente ao papel que as micro redes poderão desempenhar na integração de fontes de energia descentralizadas e de pequena escala nas redes nacionais. Por outro lado, o paradigma atual é de desruralização e crescimento e densificação das cidades, criando necessidade de fomentar a produção de energia próxima do consumo em ambiente urbano, mesmo com todas as limitações associadas, e.g. de espaço. Uma das formas de aproveitamento descentralizado de energia mais utilizadas na atualidade é a conversão de energia solar em energia elétrica através de painéis solares fotovoltaicos. A nível global tem-se assistido a uma grande adesão a esta tecnologia, que pode ser explicada pelas políticas económicas de incentivo à sua utilização e constantes desenvolvimentos na tecnologia que levaram a uma queda no seu preço de mercado, tornando-a competitiva mesmo sem subsídios. Isto levou a que utilizadores e investidores de pequena escala apostassem em unidades para autoconsumo ou pequena produção, com ou sem ligação à rede elétrica nacional. As pequenas unidades urbanas de produção de energia solar fotovoltaica têm vindo portanto a ganhar destaque, embora a sua curva de produção coincida com a da radiação solar disponível a cada instante, tornando indispensável o recurso a sistemas de armazenamento de energia, como baterias, ou a esquemas de venda de energia à rede em horas de produção excessiva, eventualmente beneficiando de tarifas subsidiadas, e à compra em horas de défice. Uma terceira alternativa é exposta nesta dissertação – a da troca de energia entre consumidores-produtores (para os quais foi criada a designação de ‘prosumers’) de uma micro-rede. Neste trabalho analisa-se um caso em que dado conjunto de prosumers com painéis fotovoltaicos instalados no espaço disponível da cobertura dos respetivos edifícios consumem em primeira instância a energia que produzem, sendo o excesso disponibilizado num mercado local de energia para venda aos restantes prosumers. Para demonstrar os hipotéticos benefícios desta alternativa, dois cenários com modos diferentes de gestão de micro-redes, com troca de energia, foram comparados com um cenário base, sem troca de energia. Os cenários foram montados para o mesmo sistema energético, constituído por seis prosumers (dois prédios residenciais, um restaurante, uma escola, um pequeno escritório, e um banco). Os dois diferentes modelos de gestão são: (1) gestão centralizada , que pretende simular um cenário em que existe uma unidade central gestora que tem total conhecimento e acesso aos perfis de produção e consumo dos participantes da micro-rede durante o dia todo, e com essa informação gere os recursos; (2) gestão descentralizada, que simula uma situação em que cada prosumer gere a energia que compra no mercado energético consoante o preço desta em comparação com a da rede nacional. Os dois modelos incluem uma otimização matemática do balanço entre custos e receitas, com vista à minimização da conta da energia para os prosumers da micro rede em estudo. Para fins de simulação, os consumidores foram considerados clientes da EDP, e divididos em escalões de potência contratada, de maneira a definir os preços a pagar pela energia da rede nacional. Os dados de consumo dos consumidores residenciais (dois prédios com vários apartamentos) e do banco foram cedidos pela Intelligent Sensing Anywhere, referentes a consumidores de Lisboa, com formatação de intervalos de quinze em quinze minutos. Os restantes perfis foram retirados de uma base de dados de perfis padrão criada pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos da América, com intervalos de tempo horários. Assim dos perfis anuais foram escolhidas semanas representativas da época de Verão e Inverno para cada consumidor, e destas foram selecionados dois dias representativos, um dia de semana e um dia de fim-de-semana. Referentemente à produção fotovoltaica, foram feitos dimensionamentos dos sistemas fotovoltaicos com base na média do consumo diário para os dias considerados, permitindo, de acordo com as áreas consideradas como sendo utilizáveis para o efeito, determinar o número de painéis a instalar e a capacidade instalada para cada um. De acordo com os resultados das simulações foi possível verificar as diferenças entre os modelos de gestão do mercado local e o cenário base sem troca de energia, em termos de autoconsumo, individual e coletivo, e balanço financeiro, bem como uma análise detalhada aos custos e receitas obtidos por cada um. A análise das simulações permitiu verificar que as diferenças obtidas entre os modelos centralizado e descentralizado são pouco significativas– uma análise comparativa dos valores de autoconsumo do sistema para os dois casos demonstra uma diferença máxima de 2,3 %, no dia de semana de Inverno, sendo que para o dia de verão de fim-de-semana a diferença era inexistente. Para os restantes dias, o nível de autoconsumo no sistema estudado foi superior sob gestão centralizada. Assumindo uma relação entre o aumento da diferença entre o autoconsumo para cada modelo e a quantidade de energia disponível no mercado local (no Inverno há menos produção pelos painéis fotovoltaicos e os consumos são superiores nos dias de semana), procurou-se demonstrar que estas diferenças podem ser explicadas como uma resposta aos preços praticados. Por outras palavras, no modelo descentralizado havendo menos energia disponível para venda no mercado local da micro-rede, a tendência será para os preços subirem, o que eu comparação com o preço de comprar à rede nacional pode tornar o mercado local uma fonte de energia menos atrativa. Já para o modelo centralizado, onde uma entidade gestora tem informação plena, terá presumivelmente capacidade para atribuir preços mais baixos à energia no mercado local, mesmo quando há pouca energia disponível, de maneira a aumentar o rendimento do sistema no seu todo. Comparativamente ao cenário base, verificou-se que em termos diários se atingiram aumentos em média de 10% na quantidade de energia autoconsumida pela totalidade do sistema. Uma análise às trocas de energia entre prosumers da micro-rede permitiu determinar que o restaurante é o que mais beneficia do mercado local de energia em termos de quantidade comprada, seguido pelos edifícios residenciais. Em média as poupanças nos custos rondaram os 1,2% para cada, e o aumento das receitas foi em média 21,6%. Uma análise financeira revelou que a aplicação de um mercado local de energia resultou numa valorização média de 135% do excedente de energia, em comparação com o valor a este atribuído em linha com a legislação portuguesa referente. Já para a micro rede como unidade, os balanços financeiros estimados para uma semana inteira de cada estação revelaram que a conta da eletricidade poderia ser reduzida em 3,3% no Inverno e 5,3% no Verão. Embora estes valores não sejam muito elevados, permitem apoiar a ideia defendida nesta dissertação, e quantificar os seus benefícios, na medida em que a implementação de um modelo de troca de energia, quer centralizada quer descentralizada, permite benefícios económicos para os prosumers envolvidos e um maior grau de autoconsumo da energia produzida na micro-rede. Considerou-se importante frisar que para a atual legislação em vigor em Portugal para o que diz respeito a autoconsumo, esta seria uma maneira de conseguir valorizar o excedente de energia produzida. De maneira geral um mercado local como o sugerido beneficiaria tanto consumidores como produtores, dando opção aos primeiros de comprar energia mais barata do que a vendida na rede nacional, e aos produtores uma opção viável de venda do excedente. Uma análise crítica aos valores considerados de potência instalada e máximas potências injetadas na rede em comparação com os limites estipulados pelo Decreto-Lei 2014 referente a unidades de autoconsumo permitiu concluir que: 1) no que toca à potência instalada, os valores considerados constituem sobredimensionamentos em 3 casos; 2) relativamente à potência injetada na rede nacional, esta excedeu o limite estipulado apenas nos casos de sobredimensionamento. Com isto se conclui que os benefícios obtidos, em termos de autoconsumo e redução nos custos da eletricidade, poderão ter interesse no contexto nacional, uma vez que para alguns dos participantes da micro rede, não se verificando sobredimensionamento ou excedente de energia injetada na rede, foi possível beneficiar de melhorias no autoconsumo e redução dos custos. A ter em consideração há que várias simplificações foram feitas neste estudo, tal como a atribuição de uma eficiência de 100% para o sistema de transmissão da micro-rede, ou a assunção de que não existem perdas no inversor e cablagem dos sistemas fotovoltaicos. É também de referir que a utilização de intervalos de tempo com dimensão de uma hora implica maiores erros que numa simulação de escala mais fina, uma vez que não retrata com tão grande aproximação uma situação real de produção e consumo de energia

Discussion on drivers and proposition of approaches to support the transition of traditional electricity consumers to prosumers

In recent years, traditional power systems have undergone a significant transition, mainly related to the massive penetration of Renewable Energy Sources (RES). More specifically, the transformation of residential consumers into prosumers has been challenging to the traditional operation of electricity markets. This transition brings new challenges and opportunities to the power system, leading to new Business Model (BM). One widely discussed change is related to a consumer-centric or prosumer-driven approach, promoting increased participation of small consumers in power systems. The present thesis aims at discussing the recent BMs as enablers of the increasing prosumers’ role in the energy market and power system worldwide, deepening the discussion with a holistic view of the Brazilian context. To do so, it defines the main features of prosumers and their general related regulation as well as possible market designs within power systems. Moreover, the work intends to contribute to the knowledge, identification and understanding of the main regulatory barriers and enablers for the development of those BMs in the Brazilian energy market. In addition, it discusses enabling technologies to properly create the conditions that sustain new prosumer-driven markets. Then, it presents a comprehensive review of existing and innovative BMs and a discussion on their future roles in modern power systems and, in the Brazilian regulatory framework seeking to guide the decisions for the country to develop its political and regulatory environment in the future. Moreover, a set of recommendations for promoting these BMs in the power system worldwide is provided along with policy recommendations to promote prosumers aggregation in the Brazilian energy sector. An important conclusion is that, even though economically possible, not all innovative BMs can spread around the world due to regulatory issues. Seeking to further explore one of the prosumer-driven approaches presented and the challenges imposed by this innovative BM, a study of energy and reserve markets based on the Peer-to-Peer (P2P) structure is carried out. This structure is very promising for the prosumers’ promotion but presents some challenges for the network operation. A critical challenge is to ensure that network constraints are not violated due to energy trades between peers and neither due to the use of reserve capacity. Therefore, two methodologies are proposed. First, is proposed a three-step approach (P2PTDF), using Topological Distribution Factors (TDF) to penalize peers responsible for violations that may occur in the network constraints, ensuring a feasible solution. Second, it is proposed a new integrated prosumers-DSO approach applied in P2P energy and reserve tradings that also ensures the feasibility of both energy and reserve transactions under network constraints. The proposed approach includes the estimation of reserve requirements based on the RES uncertain behavior from historical generation data, which allows identifying RES patterns. The proposed models are assessed through a case study that uses a 14-bus system, under the technical and economic criteria. The results show that the approaches can ensure a feasible network operation.Nos últimos anos, os sistemas tradicionais de energia passaram por uma transição significativa, principalmente relacionada à penetração massiva de fontes de energia renováveis (do inglês, Renewable energy sources-RES). Mais especificamente, a transformação de consumidores residenciais em prosumidores tem desafiado a atual operação do mercado de energia elétrica. Essa transição traz novos desafios e oportunidades para o sistema elétrico, levando a novos modelos de negócios (do inglês, Business Models-BM). Uma mudança amplamente discutida está relacionada a uma abordagem centrada no consumidor ou direcionada ao prossumidor, promovendo maior participação de pequenos consumidores nos sistemas de energia. A presente tese tem como objetivo discutir os recentes BMs como facilitadores do crescente papel dos prosumidores no mercado de energia e no sistema elétrico mundial, aprofundando a discussão com uma visão holística do contexto brasileiro. Para tanto, define as principais características dos prosumidores e sua regulamentação geral relacionada, bem como possíveis designs de mercado dentro dos sistemas de energia. Além disso, o trabalho pretende contribuir para o conhecimento, identificação e compreensão das principais barreiras regulatórias e facilitadoras para o desenvolvimento desses BMs no mercado brasileiro de energia. Assim como, discutir as tecnologias importantes para criar adequadamente as condições que sustentam novos mercados orientados ao consumidor final. Em seguida, apresenta uma revisão abrangente dos BMs existentes e inovadores e uma discussão sobre seus papéis futuros nos sistemas de energia modernos e, no quadro regulatório brasileiro, buscando orientar as decisões para que o país desenvolva seu ambiente político e regulatório no futuro. Além disso, um conjunto de recomendações para promover esses BMs no sistema de energia em todo o mundo é fornecido juntamente com recomendações de políticas para promover a agregação de prosumidores no setor de energia brasileiro. Uma conclusão importante é que, mesmo sendo economicamente possível, nem todos os BMs inovadores podem se espalhar pelo mundo devido a obstáculos regulatórias. Buscando explorar ainda mais uma das abordagens orientadas ao prosumidor apresentadas e os desafios impostos por este BM inovador, é realizado um estudo dos mercados de energia e de reserva com base na estrutura ponto a ponto (do inglês, peer-to-peer-P2P). Esta estrutura é muito promissora para a promoção dos prosumidores mas apresenta alguns desafios para o funcionamento da rede. Um desafio crítico é garantir que as restrições da rede não sejam violadas devido a negociações de energia entre pares e nem devido ao uso da capacidade de reserva. Portanto, duas metodologias são propostas. Primeiramente, é proposta uma abordagem em três passos (P2PTDF), utilizando Fatores de Distribuição Topológica (do inglês, Topological Distribution Factors-TDF ) para penalizar os peers responsáveis por violações que possam ocorrer nas restrições da rede, garantindo uma solução viável. Em segundo lugar, é proposta uma nova abordagem integrada de prosumidores-DSO aplicada em transações P2P de energia e reserva que também garante a viabilidade de transações de energia e reserva sob restrições de rede. A abordagem proposta inclui a estimativa dos requisitos de reserva com base no comportamento incerto da RES a partir de dados históricos de geração, o que permite identificar padrões de RES. Os modelos propostos são avaliados através de um estudo de caso que utiliza um sistema de 14 barras, sob os critérios técnico e econômico. Os resultados mostram que as abordagens podem garantir uma operação de rede viável abrangendo energia e mercados de reserva

New pathways for community energy and storage

Worldwide, the energy landscape is changing [...

Contributing to sustainable and just energy systems? The mainstreaming of renewable energy prosumerism within and across institutional logics

Renewable energy (RE) prosumerism comes with promises and expectations of contributing to sustainable and just energy systems. In its current process of becoming mainstream, numerous challenges and doubts have arisen whether it will live up to these. Building on insights from sustainability transitions research and institutional theory, this article unpacks the mainstreaming by considering the range of institutional arrangements and logics through which these contributions might be secured. Taking a Multi-actor Perspective, it analyses the differences, combinations, and tensions between institutional logics, associated actor roles and power relations. Firstly, it unpacks how mainstreaming occurs through mechanisms of bureaucratisation and standardisation (state logic), marketisation and commodification (market logic), as well as socialisation and communalisation (community logic). Secondly, it highlights the concomitant hybridisation of institutional logics and actor roles. Such hybrid institutional arrangements try to reconcile not only the more known trade-offs and tensions between for-profit/non-profit logics (regarding the distribution of benefits for energy activities and resources), but also between formal/informal logics (gaining recognition) and public/private logics (delineating access). This institutional concreteness moves the scholarly discussion and policy debate beyond idealistic discussions of ethical principles and abstract discussions about power: Simplistic framings of ‘prosumerism vs incumbents’ are dropped in favour of a critical discussion of hybrid institutional arrangements and their capacity to safeguard particular transformative ideals and normative commitments

Contributing to sustainable and just energy systems? The mainstreaming of renewable energy prosumerism within and across institutional logics

Renewable energy (RE) prosumerism comes with promises and expectations of contributing to sustainable and just energy systems. In its current process of becoming mainstream, numerous challenges and doubts have arisen whether it will live up to these. Building on insights from sustainability transitions research and institutional theory, this article unpacks the mainstreaming by considering the range of institutional arrangements and logics through which these contributions might be secured. Taking a Multi-actor Perspective, it analyses the differences, combinations, and tensions between institutional logics, associated actor roles and power relations. Firstly, it unpacks how mainstreaming occurs through mechanisms of bureaucratisation and standardisation (state logic), marketisation and commodification (market logic), as well as socialisation and communalisation (community logic). Secondly, it highlights the concomitant hybridisation of institutional logics and actor roles. Such hybrid institutional arrangements try to reconcile not only the more known trade-offs and tensions between for-profit/non-profit logics (regarding the distribution of benefits for energy activities and resources), but also between formal/informal logics (gaining recognition) and public/private logics (delineating access). This institutional concreteness moves the scholarly discussion and policy debate beyond idealistic discussions of ethical principles and abstract discussions about power: Simplistic framings of ‘prosumerism vs incumbents’ are dropped in favour of a critical discussion of hybrid institutional arrangements and their capacity to safeguard particular transformative ideals and normative commitments