On the profitability of PV sharing in residential energy communities

Abstract

Der europäische Klima- und Energierahmen erfordert bis 2030 eine deutliche Senkung der Treibhausgasemissionen, eine signifikante Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien sowie erhebliche Verbesserungen der Energieeffizienz. Eine verstärkte Realisierung von Energiegemeinschaften könnte wesentlich zum Erreichen dieser Ziele beitragen. Diese Arbeit bietet eine umfassende Wirtschaftlichkeitsbewertung der gemeinsamen Nutzung von PV-Anlagen und des gemeinschaftlich erzeugten PV-Stroms in Energiegemeinschaften. Es werden Energiegemeinschaften unterschiedlicher Größenordnungen beleuchtet. Der gewählte Ansatz zur Modellierung von Energiegemeinschaften ist die Systemanalyse. Es wird ein gemischt-ganzzahliges lineares Optimierungsmodell entwickelt, das zum Ziel hat, den Barwert einer Energiegemeinschaft über einen Zeitraum von 20 Jahren zu maximieren. In diesem Zusammenhang werden die kostenoptimalen PV-Installationskapazitäten bestimmt. Die gemeinsame Nutzung von PV-Strom in Energiegemeinschaften hat sich als wirtschaftlich tragfähig herausgestellt, selbst bei Fremdfinanzierung, welche die Wirtschaftlichkeit von Investitionen schmälert. Der tatsächliche Mehrwert der gemeinsamen Nutzung von PV-Anlagen anstelle einer individuellen Implementierung in Gebäuden hängt stark von der betrachteten Besiedlungsstruktur und dem Gebäudebestand ab. Neben den offensichtlichen Vorteilen der Installation von PV-Anlagen, wie der Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien und der damit einhergehenden Reduktion der CO2-Emissionen, ist zu erwarten, dass Investitionen in klassische Gebäudesanierung beanreizt werden. Die positiven monetären Auswirkungen von PV-Anlagen verringern den gesamtheitlichen finanziellen Aufwand einer umfassenden Gebäudesanierung. Dieser Effekt würde durch die Internalisierung externer Kosten für CO2-Emissionen noch verstärkt werden und könnte in einigen Fällen sogar im Break-Even einer gesamtheitlichen Gebäudesanierung gipfeln. Daraus kann geschlossen werden, dass die verstärkte Durchdringung von PV-Anlagen und die flächendeckende Realisierung von Energiegemeinschaften wesentliche Aspekte sind, um Nachhaltigkeit im Gebäudesektor zu erreichen. Auf österreichischer Ebene könnten die im Rahmen der Klimaziele bis 2030 notwendigen PV-Kapazitäten unter dem Gesichtspunkt der Kostenminimierung sogar ausschließlich im Wohngebäudesektor realisiert werden.

The European climate and energy framework requires significant cuts in greenhouse gas emissions, a substantial increase in the shares of renewable energy as well as considerable improvements in energy efficiency until 2030. The increased deployment of renewable energy communities could contribute significantly to achieving these targets. Therefore, this thesis aims to provide a comprehensive assessment of the profitability of photovoltaic (PV) electricity sharing in residential energy communities of different scales. System analysis is used as the approach to modelling energy communities and a mixed-integer linear optimisation model is developed with the objective of maximising the energy community's net present value over a time horizon of 20 years. Thereby, the cost-optimal PV installation capacities are determined. The results demonstrate that PV electricity sharing can in general be considered economically viable for energy community participants, even under circumstances which clearly lead to a reduction in financial benefits, such as third-party financing. The actual added value of adopting PV sharing concepts instead of considering PV implementation in buildings individually does heavily depend on the settlement pattern and the according building stock. Apart from the obvious advantages of installing PV systems, such as an increase in the share of renewable energies and the resulting reduction in CO2 emissions, investments in classical building renovation measures are expected to be triggered. The positive financial impact of PV systems reduces the monetary gap of thorough building retrofit towards break-even. This effect would be further enhanced by internalising external costs for CO2 emissions and could eventually peak in an actual break-even of thorough building retrofit in some cases. Thus, it can be concluded that the increased diffusion of PV in buildings and the realisation of energy communities on a large-scale might be a valuable asset for turning the building sector towards sustainability in the future. In Austria, it might even be possible to achieve the 2030 climate goals - in terms of necessary PV installation capacities - in a cost-optimal way in the residential building sector only.