Title: Business models for active distribution grid management; development and economic impact analysis
Language: English
Authors: Prüggler, Wolfgang
Qualification level: Doctoral
Keywords: Geschäftsmodellentwicklung; aktiver Verteilernetzbetrieb; Smart Grids; Pareto Optimum; ökonomische Auswirkungen
Business model development; active distribution grid management; Smart Grids; Pareto Optimum; economic impact analysis
Advisor: Müller, Herbert
Assisting Advisor: Wüstenhagen, Rolf 
Issue Date: 2010
Number of Pages: 151
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Die fortwährende Entwicklung des Elektrizitätssystems bewirkt derzeit unter anderem die Transformation zentral organisierter Versorgungsstrukturen hin zu dezentralen Systemen. Als Folge kommt es vor allem in Verteilernetzen durch die Netzintegration weiterer dezentraler und erneuerbarer Stromerzeuger zu Herausforderungen im Systembetrieb (z.B. durch entstehende Spannungs- oder Kapazitätsprobleme). In diesem Zusammenhang zeigen Ergebnisse aktueller Forschungsprojekte, dass neben konventionellen Netzintegrations- sowie Systembetriebsstrategien auch Alternativen unter Anwendung neuer Kommunikationstechnologien existieren. Diese Alternativen - meist unter dem Begriff "Smart Grids" subsummiert - ermöglichen einen aktiveren Verteilernetzbetrieb unter Einbindung von Erzeuger- (z.B. durch Blind- und Wirkleistungsmanagement) sowie Verbrauchereinheiten (z.B. durch Lastverschiebungen). Diese Lösungen gehen mit der Definition alternativer Geschäftsmodelle einher, die z.B. Zahlungsflüsse oder vorgesehene Interaktionen im Smart Grid Systembetrieb regeln, wobei die jeweiligen Zielfunktionen der Akteure abgebildet werden. Auch völlig neue Geschäftsmodelle, die aus heutiger Sicht aufgrund fehlender Messdaten nicht vorstellbar sind, können in diesem Kontext entstehen und bewertet werden. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist daher, die ökonomischen Auswirkungen unterschiedlicher akteursspezifischer Smart Grid Geschäftsmodelle für Erzeuger, Verbraucher, Energievertriebe sowie für Verteilernetzbetreiber zu bewerten. Dazu werden vier österreichischer Fallstudien eingehend analysiert, um für jeden Akteur typische Zahlungs- / Einkommensbilanzen ableiten zu können. In diesem Zusammenhang prüfen zwei neu entwickelte Pareto Kriterien die Möglichkeit der diskriminierungsfreien Gestaltung der jeweiligen Geschäftsmodelloptionen. Darüber hinaus leitet diese Arbeit basierend auf den Fallstudienergebnissen mögliche zukünftige Szenarien der Entwicklung der Kosten- / Nutzenrelationen einzelner Geschäftsmodelle in Österreich und ausgewählten europäischen Ländern ab. Ergänzend dazu werden auch mögliche Netz- sowie Smart Grid- Kostentwicklungen errechnet und eingehend diskutiert sowie mögliche Bandbreiten der Kostenauswirkungen von Smart Grids Anwendungen (z.B. Smart Metering) abgeleitet. Ausgewählte Berechnungsergebnisse (bottom-up sowie top-down Analysen) zeigen, dass für Verbraucher (bezogen auf die in Österreich installierten Messpunkte (mp)) ein Nutzen von bis zu 176 EUR/mp und Jahr entstehen kann, wenn ein Smart Grid und Effizienzszenario unterstellt wird und Verbraucher eigene Stromerzeugungseinheiten installieren.
Andererseits können auch Zusatzkosten von bis zu 156 EUR/mp*a für Stromerzeuger resultieren, wenn energieabhängige Systemnutzungstarife für Erzeuger angewendet werden. Übergeordnet zeigen daher die Szenarien und Berechnungsergebnisse, dass unterschiedliche Geschäftsmodelle eine Vielzahl an Nutzen- und Kostenkombinationen bewirken können. Auf der Nutzenseite können dabei vor allem die untersuchten alternativen Netzintegrations-konzepte (z.B. eine koordinierte Spannungsregelung) einen signifikanten Beitrag zur Reduktion zukünftiger Verteilernetzkosten leisten.
Im Allgemeinen zeigen manche der untersuchten Geschäftsmodelle hohe Vorteile für ausgewählte Akteurssegmente, wohingegen andere Akteure dadurch zusätzliche Kosten erfahren können. Die mögliche Gestaltung zukünftiger Energieversorgungssysteme sowie die korrespondierenden Geschäftsmodelle sind daher eingehend auf deren übergeordnete Auswirkung für alle Akteure zu prüfen. Darüber hinaus werden detaillierte technologie- und anwendungspezifische Kosten- / Nutzenanalysen auf disaggregierter Akteursebene (inkl. Gewinn- und Verlustrechnung) empfohlen.

Recent developments in electricity supply initiated a process of transforming centrally organised electricity supply environments to more and more distributed ones. As a result, distribution grids increasingly have to face system related challenges (e.g. voltage and capacity related problems) to further integrate distributed, renewable and volatile generation capacities into existing grid infrastructures.
However, research for innovations in grid integration and operation approaches show that there exist alternatives to conventional methods by implementing active network management concepts based on new communication technologies. These alternatives - mostly called as "Smart Grid solutions" - enable a more active distribution grid design - among others - due to participation of small scale generation (by controlling reactive and active power settings) units and demand (e.g. by shifting demand to base load periods). Thus, such solutions necessarily have to result in alternative business strategies or models in order to pay off for instance extra costs incurred due to active power curtailments of generation units. In general, such business models incorporate the interactions, strategies and value exchanges of different actor segments in a distributed electricity supply system. Besides that, e.g. newly introduced communication technologies provide a basis for developing further business models which currently cannot be realised due to missing meter data (e.g. for time and grid related pricing of electricity). Above all, the main goal of this thesis is to show the economic impacts of several alternative Smart Grid related business models from selected actors' perspective characterised by generation, demand, electricity suppliers as well as Distribution System Operators (DSOs). Therefore, four Austrian distribution grid case study areas are comprehensively analysed in order to derive corresponding income and payment balance changes of each actor. In order to prove possible discrimination issues, two newly developed Pareto criterions are considered. Furthermore, this thesis provides a bottom-up analysis of case study related results towards possible future scenarios of business model related costs and benefits in Austria and selected European countries. This is performed by discussing future capacity developments for distributed generation based on renewable energy sources (DG/RES). Even more, future cost development bandwidths for different DG/RES distribution grid integration strategies as well as upper cost limits for Smart Grid solutions (e.g. Demand Side Management or Smart Metering solutions) are derived and discussed in detail. Selected calculation results (bottom-up as well as top-down analysis) show that benefits for demand referred to overall installed metering points (mp) in Austria could develop up to 176 EUR/mp*yr in 2050 (within the Smart Grid and Efficiency DG/RES development scenario), if demand intents to install own generation units. On the contrary, generation could face extra cost of up to 156 EUR/mp*yr in 2050 (within the Smart Grid and Efficiency DG/RES development scenario), if use of system charges for feeding electricity into the grids are applied. Hence, each business model and DG/RES development scenario derives manifold cost / benefit combinations. Besides that, new grid integration approaches (e.g. coordinated voltage control) show the possibility to reduce future distribution grid cost significantly. In general, some of the proposed business models and cost allocation strategies show high benefit potentials for selected actor segments. On the contrary, as other actors face the risk of extra costs due to such business models the possible pathways towards a changed electricity supply system need to be well considered. Moreover, detailed technology and business case specific cost / benefit analyses on disaggregated actor level (including profit and loss account calculations) are recommended.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-36918
http://hdl.handle.net/20.500.12708/10595
Library ID: AC07807199
Organisation: E373 - Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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