Modelação e Negociação de Flexibilidade em Comunidades de Energia Renovável

The progressive replacement of traditional generation resources with intermittent resources has reduced the available supply-side flexibility and increased the need to unlock flexibility on the demand-side. At the same time, the rising electricity consumption in residential buildings requires an analysis of the potential flexibility of the loads within them to contribute to the operation needs of electrical grids. Lastly, regulations governing self consumption have allowed end consumers to form energy communities based on local electricity markets. This is an additional incentive to define strategies for trading available flexibility at local level, in separate but simultaneously integrated structures within wholesale electricity markets. The proposed dissertation work focuses on studying the flexibility of energy production and consumption by prosumers within a Renewable Energy Community (REC). The objective is to investigate how residential flexibility can be determined, modeled, and aggregated for trading in a local market created for this purpose. The work to be developed will present a two-stage model that determines residential technical flexibility and establishes a local market only for its transaction. In the first stage, the optimal scheduling of domestic devices (flexible units or FUs) for each prosumer is determined, serving as a baseline for comparison, along with the technical limits of flexibility (maximum and minimum possible consumption profiles) for each FU. In the second stage, a market model is established only for flexibility exchanges. The technical flexibility determined in the first stage is offered to the Community Manager (CM) as flexibility offer, with an associated price. This entity acts as an aggregator and simultaneously as the operator of the local market. At this level, the Distribution System Operator (DSO) submits its flexibility requirements for the next day to the CM, who is responsible for executing the clearing process. The pricing of the flexibility offered by prosumers in the market is based on the base energy tariff they are subject to, which corresponds to the cost of their optimal scheduling obtained in the first stage, without considering this flexibility. Therefore, offering flexibility becomes an incentive to reduce prosumers energy costs or increase their utility, complementing their mere participation in energy markets. A case study based on a renewable energy community with a strong penetration of emerging technologies is used to validate and demonstrate the relevance of the proposed approach in terms of determining and activating residential FU flexibility. The obtained results show that participation in the local flexibility market leads to a reduction in prosumers energy costs, around 4.5%, in average. It can be an incentive for prosumers to join RECs that would not only have local energy trading structures but also mechanisms for negotiating and sharing flexibility. In addition, it was evidenced that the impact of electric vehicle chargers and battery energy storage systems on the total flexibility offered and accepted in the market is much greater than that the impact of other small loads studied. This not only constitutes an incentive for the study of the operational flexibility of these resources but also for investments in these emerging technologies.A substituição progressiva dos recursos de geração tradicionais por recursos intermitentes tem reduzido a flexibilidade disponível do lado da oferta e aumentado a necessidade de desbloqueá-la do lado da procura. Ao mesmo tempo, o aumento do consumo de eletricidade nos edifícios residenciais obriga a que seja analisada a flexibilidade potencial das cargas que o constituem, de modo a contribuir para as necessidades de operação das redes elétricas. Por último, a regulamentação do autoconsumo, tem permitido aos consumidores finais constituir comunidades energéticas baseadas em mercados locais de eletricidade. Isto torna ainda mais importante a definição de estratégias para comercializar a flexibilidade disponível a esse nível, em estruturas de mercado local separadas, mas simultaneamente integradas nos mercados grossistas de eletricidade. O trabalho proposto para dissertação assenta no estudo da flexibilidade da produção e consumo de energia por parte dos prosumidores de uma Comunidade de Energia Renovável. O objetivo é estudar como a flexibilidade residencial pode ser determinada, modelada e agregada de modo a ser transacionada num mercado local criado para esse fim. Assim, o trabalho a ser desenvolvido apresentará um modelo de dois estágios que determina a flexibilidade técnica residencial e cria um mercado local exclusivo para transaciona-la. Numa primeira fase, determina-se o escalonamento óptimo dos dispositivos domésticos (unidades flexíveis ou UF) de cada prosumidor, o que constitui uma baseline de comparação, bem como os limites técnicos de flexibilidade (perfis de consumo máximos e mínimos possíveis) de cada UF. Num segundo estágio, é estabelecido um modelo de mercado apenas para trocas de flexibilidade. A flexibilidade técnica determinada no primeiro estágio é disponibilizada ao Gestor de Comunidade (CM), enquanto oferta de flexibilidade, com um preço associado. Esta entidade desempenha as funções de agregador e simultaneamente de operador do mercado local. A este nível, o Operador do Sistema de Distribuição (ORD) submete os seus requisitos de flexibilidade, para o dia seguinte, ao CM, que é responsável pelo executar o clearing. A precificação da flexibilidade oferecida pelos prosumidores em mercado é feita com base no valor da tarifa base de energia a que estão sujeitos, que corresponde ao custo do seu escalonamento ótimo, obtido no primeiro estágio, que não considera essa mesma flexibilidade. Portanto, oferecer flexibilidade torna-se um incentivo para reduzir os custos energéticos dos prosumidores ou aumentar a sua utilidade, o que complementa a sua mera participação nos mercados de energia. Um caso de estudo baseado numa comunidade de energia com forte penetração de tecnologias emergentes é utilizado e valida a metodologia desenvolvida. Para além disso é evidenciada a relevância da abordagem proposta em termos de determinação e ativação da flexibilidade de UFs residenciais os impactos das mesmas no fecho de mercado. Os resultados evidenciam que participação no mercado local de flexibilidade induz uma redução dos custos energéticos dos prosumidores, na casa 4.5%, em média. O impacto dos carregadores de veículos elétricos e dos sistemas de armazenamento de energia em baterias na flexibilidade total oferecida e aceite em mercado é muito superior ao de outras pequenas cargas estudadas. Tudo isto pode vir a resultar num incentivo ao investimento nos recursos referidos, bem como à associação de prosumidores em comunidades de energia renovável, onde para além de estruturas locais de comercialização de energia, existam outras que permitam a negociação e partilha de flexibilidade