Piloting demand response for electricity system transition : Virtual Service Environment experiment

Sääriippuvaisen tuuli- ja aurinkosähköntuotannon osuuden kasvu aiheuttaa haasteita nykyiselle sähköjärjestelmälle, missä tuotanto ja kulutus täytyy pitää tasapainossa koko ajan. Siirtyminen vähäpäästöiseen sähköntuotantoon edellyttää uusia ratkaisuja lisätä joustoa sähköverkkoon. Sähkönkulutus on nähty melko joustamattomana tekijänä sähköverkon tasapainon hallinnassa, mutta teknologian kehitys mahdollistaa myös kulutuksen osallistumisen sähköverkon tasapainon ylläpitoon. Kysyntäjousto on yksi energiahallinnan keino, jolla sähkönkulutusta siirretään ulkoisen kannustimen vaikutuksesta sähköverkon tasapainottamiseksi. Järjestelmätasolla kysyntäjousto mahdollistaa sääriippuvaisen tuotannon lisäämisen vaarantamatta sähköverkon toimintaa sekä vähentää sähköntuotannon päästöjä järjestelmän tasolla. Kysyntäjoustoa on tutkittu viime vuosina ahkerasti, mutta pienempien kulutuskohteiden kysyntäjoustoon liittyy kuitenkin epävarmuuksia, eivätkä toimintamallit ole vielä vakiintuneet. Viime vuosina kantaverkkoyhtiö Fingrid on yrittänyt kartoittaa uusia kysyntäjoustokohteita. Sähköalan toimijat ja sähkönkäyttäjät ovat kokeiluillaan pyrkineet löytämään keinoja kysyntäjoustoresurssien hyödyntämiseksi. Energiamurroksen tutkimuksessa on tunnistettu innovaatioiden skaalaamisen haaste. Innovaatiopolkujen strategisen hallinnan teoria korostaa kokeilujen merkitystä kestävien innovaatioiden käyttöönotossa ja murrosten edistämisessä. Tässä tapaustutkimuksessa tarkastelen, miten kokeilu edistää kysyntäjouston käyttöönottoa uusissa kulutuskohteissa, joista esimerkkinä toimii päivittäistavarakauppa. Valitsin tutkimuskohteeksi Virtuaalinen palveluympäristö –kokeilun (VIRPA-B), jossa kysyntäjoustoa testattiin kahdessa päivittäistavarakaupassa. Tutkimusaineisto kerättiin haastattelemalla kokeiluun osallistuneita toimijoita ja asiantuntijoita sekä analysoimalla kokeilua käsitteleviä dokumentteja. Teoreettisen viitekehyksen avulla analysoin, miten kokeilun tavoitteet, oppiminen ja skaalautuminen tuottavat osaamista kysyntäjouston edistämiseksi. Tutkielma tuo esille toimijoiden näkökulmaa uuden teknologian ja toimintamallin käyttöönotossa käytännön olosuhteissa. Tutkielman tulokset osoittavat, että päivittäistavarakaupassa on säädettäviä sähkölaitteita, joiden sähkönkulutusta voidaan säätää ilman, että kaupan toiminta häiriintyy. Teknologia ei toimijoiden mukaan rajoita kysyntäjoustoon osallistumista, mutta mittauslaitteiden asennukseen liittyi haasteita. Suurimmaksi esteeksi näyttäisivät muodostuvan markkinasäännöt, jotka eivät kannusta sähkönkäyttäjiä investoimaan kysyntäjoustoon. VIRPA-B –kokeilu ei johtanut toimialan murrokseen, mutta siitä seurasi jatkohankkeita, jotka edistävät innovaatiopolun kehitystä. Kokeilujen avulla toimijat voivat kehittää osaamistaan ja myös vaikuttaa uuden toimintamallin kehitykseen. Samalla voidaan tuottaa ratkaisuja kysyntäjouston esteiden ylittämiseksi. Tulokset viittaavat siihen, että teknologioita, kuten aurinkopaneeleja, kysyntäjoustoa ja energiatehokkaita laitteita yhdistelemällä voitaisiin kiinteistön tasolla saavuttaa huomattavia säästöjä sähkönkulutuksessa. Kysyntäjouston yhdistäminen osaksi älykästä kiinteistön energianhallintaa voisi edistää kysyntäjouston käyttöönottoa. Tutkielma osoittaa, että kokeiluilla voidaan tuottaa osaamista energiamurroksen edistämiseksi.Tiivistelmä – Referat – Abstract Variable electricity production poses challenges for the electricity grid, where demand and production must be balanced at all times. Transition to variable electricity production requires new solutions for grid flexibility. Electricity consumption has traditionally been an inflexible component in the electricity system but technological development enables demand side flexibility. Demand response (DR) is demand side measure, where energy consumption is shifted due to an external incentive. DR has multiple benefits such as improving reliability with high integration of variable energy production and cutting emissions during peak production. Despite years of modelling and analysing DR, there is lack of experience with commercial end-users in real-life context. In recent years, transmission system operator Fingrid has conducted experiments with stakeholders to find new demand response resources outside the traditional industrial end-users. The market models and services have not yet matured and therefore actors experiment to find solutions to resolve demand response barriers. The difficulty of scaling up sustainable innovations is a well-known challenge in energy transition research. In strategic niche management theory experiments are seen as tools for sustainable transition. This qualitative case study examines how piloting demand response in grocery store promotes energy transition. I chose the case of Virtual Service Environment (VIRPA-B) experiment, where participants tested DR in two grocery stores. The data were gathered in eight interviews with stakeholders and experts and through literature review. With theoretical framework I analysed, how the experiment contributes to implementation of demand response through expectations, learning and the ways pilot was scaled up after the experiment. Thesis sheds light to stakeholders’ role in implementing new technology and business model in real-life context. The results indicate that DR does not disturb the functions of the grocery store. The technology is matured, but the instalment practises have not been standardized. The greatest barrier for upscaling seems to be the regulations of the electricity markets, as they do not encourage end-users to invest in DR. VIRPA-B experiment did not lead to a rapid upscaling. However, lessons scaled up through other projects that support the niche development. For actors experiments are a platform to develop expertise and influence the new business models. To overcome the barriers, more attention should be directed at the synergies between the technologies. In VIRPA-B pilot actors noted benefits with solar panels, energy efficiency and DR. Combining technologies can lead to significant electricity savings. Promoting DR as a part of intelligent building automation system could also help overcome DR barriers. The results of thesis indicate that experiments can produce capabilities that promote energy transition

Piloting Demand Response in Retailing : Lessons Learned in Real-Life Context

This article presents a case study on a demand response (DR) pilot project dealing with the application of DR in a grocery store with the utilization of refrigeration equipment as energy storage and photovoltaics (PV) as an energy source. DR has recently gained increased interest due to the growing penetration of intermittent renewable energy requiring flexibility in power consumption. The smart power grid enables the introduction of novel solutions to increase flexibility and the entrance of new actors into the markets. Developing new solutions for the mainstream markets requires experimentation in real-life settings serving the development of technological capabilities, necessary policies and regulation, and user and market needs, as well as adaptation of and to infrastructure and maintenance systems. Our case study on a DR pilot in a grocery store in Northern Finland focuses on how the project contributes to knowledge on the potential for DR and scaling up. It was found that energy efficiency, DR, and self-generated PV power can be aligned and even enhance the potential for DR. While mature technologies exist, applications and installations have not yet been standardized to enable rapid scaling up, and current DR market rules and practices fail to accommodate for small electricity consumers.Peer reviewe

Virtuaalinen palveluympäristö

Tämä case-julkaisu liittyy Suomen Akatemian strategisen tutkimuksen neuvoston rahoittamaan Smart Energy Transition (SET) -hankkeeseen. Tutkimus on julkaistu alun perin SET-hankkeen verkkosivuilla (www.smartenergytransition.fi) marraskuussa 2017. Energiajärjestelmän murros lisää säätövoiman tarvetta sähköverkossa. Kysyntäjoustolla voidaan optimoida kulutusta vaihtelevan energian tuotannon mukaan. Kysyntäjoustoa on kokeiltu aiemmin erityisesti asuinkiinteistöissä ja teollisuudessa. Kaupallisissa kiinteistöissä arvellaan kuitenkin olevan merkittävää säätövoimapotentiaalia. VTT:n ja S-ryhmän Virtuaalinen palveluympäristö (Virpa-B) kokeilussa tutkitaan päivittäistavarakauppojen kysyntäjoustopotentiaalia. Tutkimuskohteiksi on valittu Oulussa sijaitsevat uusi energiatehokas Tuiran S-market ja standardi S-market. Eri kohteiden energiankulutusta ja kysyntäjoustomahdollisuuksia vertaillaan kattavan aineiston keräämiseksi. Energiatehokkuus ja kysyntäjousto on huomioitu Tuiran S-marketissa alusta asti. Kiinteistössä on oma aurinkovoimaan ja maalämpöön perustuva energiajärjestelmä. Tuirassa energiankulutus on saatu laskemaan 40 prosenttiin tavalliseen kauppaan verrattuna. Energiatehokkuus tuo merkittäviä säästöjä kaupan sähkölaskuun. Rakennusvaiheessa Arina antoi yhteistyökumppaneille tilaa kehittää ja kokeilla uusia ratkaisuja. Kokeilun myötä tehtiin uusia innovaatioita sovellus- ja laitepuolelle. Mukana olleet yritykset ovat keksineet myös uusia innovaatioita liiketoimintansa kehittämiseen. Haastateltavat uskovat, että uudet innovaatiot hyödynnetään tulevissa rakennushankkeissa ja energiatehokkuutta voidaan kehittää edelleen. Energiatehokkuudesta huolimatta kylmäjärjestelmässä on säätövoimaa. Eri laitteissa oleva kysyntäjoustopotentiaali on tarkoitus yhdistää IoT-teknologialla mahdollisimman suuren tehon saavuttamiseksi. Mittaustulosten perusteella analysoidaan, millaisia kysyntäjoustotuotteita päivittäistavarakaupasta voitaisiin saada sähkömarkkinoille. Sähkömarkkinoiden säännöt asettavat reunaehdot mittauslaitteiden tarkkuudelle, vasteajalle ja tehon aggregoinnille. Kysyntäjouston ympärille rakentuvien liiketoimintamahdollisuuksien potentiaali arvioidaan suureksi.Haasteena kysyntäjouston yleistymiselle pidettiin muuttuvia markkinoita. Euroopan sähkömarkkinat integroituvat entistä tiiviimmin 2020-luvulla ja nykyiset markkinasäännöt ovat muuttumassa. Sähkön käyttäjän näkökulmasta markkinapaikoille pääsy on epävarmaa. Teknologia ei vielä takaa kysyntäjouston yleistymistä. Investointien on oltava kannattavia ja takaisinmakuaikojen riittävän lyhyitä. Energianhallinta ei kuulu päivittäistavarakauppojen liiketoiminnan keskiöön, joten investointien suhteen ollaan varovaisia. Teknologian, sähkön käyttäjien ja markkinoiden intressien yhteensovittaminen vaatii laajojen kokonaisuuksien hallintaa ja yhteistyötä eri tahojen kanssa

Sustainable Services to Enhance Flexibility in the Upcoming Smart Grids

Global efforts are already focusing on future targets for even more increases in renewable energy sources contribution, greater efficiency improvements and further greenhouse gas emission reductions. With the fast-paced changing technologies in the context of sustainable development, new approaches and concepts are needed to cope with the variability and uncertainty affecting generation, transmission and load demand. The main challenge remains in developing technologies that can efficiently make use of the available renewable resources. Alternatives in the form of microgrids or virtual power plants along with electricity storage are potential candidates for enhancing flexibility. However, intelligence must be added at all levels in the grid and among all the equipment comprising each subsystem, in order to achieve two-way communications and bidirectional flow of power. Then, the concept of smart grid can be realized and, relying upon software systems, it can remotely and automatically dispatch and optimize generation or storage resources in a single, secure and Web-connected way. Deploying smart configurations and metering promises new possibilities for self-managed energy consumption, improved energy efficiency among final consumers and transition to more consumer-centric energy systems via demand response and demand-side management mechanisms