Dynamic participation in energy communities with peer-to-peer trading

Abstract

Increasing decentralized electricity generation by distributed on-site photovoltaic (PV) systems and the amendment of regulatory frameworks in many countries promote the active participation of prosumers in the energy system.This thesis contributes to this topic by proposing both a peer-to-peer trading concept and a concept for dynamic participation in an energy community.A linear program optimizes peer-to-peer trading between prosumers of a local energy community with PV systems and battery energy storage systems (BESSs) by maximizing the community's welfare. Community members are characterized by their individual willingness-to-pay, which reflects their ambitions to reduce emissions from electricity consumption. For dynamic participation, a bi-level optimization model determines the optimal parameters of possible new participants based on the environmental or economic preferences of the community's original members. Next, the model is extended to a stochastic dynamic program to select new members. The community wants to plan a few years ahead, which includes the following uncertainties: (i) which members are leaving after each period, and (ii) which are the potential new members willing to join the community.The focus lies on the contractual design between the energy community and new entrants; the model calculates the duration of contracts endogenously. The results of a case study show improvements in the overall profitability of PV systems and BESSs and that willingness-to-pay is a promising tool to save emissions from electricity consumption. The results of dynamic participation demonstrate that environment-oriented prosumers opt for a new prosumer with high PV capacities installed and low electricity demand, whereas profit-oriented prosumers prefer a new member with high demand but no PV system capacity, presenting a new source of income. Sensitivity analyses indicate that new prosumers' willingness-to-pay has an important influence when the community must decide between two new members.The last set of results shows a sample energy community’s decision-making process over a horizon of several years comparing the stochastic approach with a simple deterministic alternative solution.

Zunehmende dezentrale Stromerzeugung durch Vor-Ort Photovoltaikanlagen (PV) und Änderungen der regulatorischen Rahmenbedingungen in vielen Ländern fördern die aktive Beteiligung von Prosumern am Energiesystem. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zu dem Thema, indem ein Peer-to-Peer-Handelskonzept und ein Konzept für die dynamische Teilnahme an Energiegemeinschaften entwickelt werden. Ein lineares Programm optimiert den Peer-to-Peer-Handel zwischen Prosumern einer lokalen Energiegemeinschaft mit PV-Anlagen und Batterie-Energiespeichersystemen (BESS) durch Maximierung der Wohlfahrt der Gemeinschaft. Die Mitglieder der Energiegemeinschaft werden durch ihre individuelle Zahlungsbereitschaft charakterisiert, die ihre Ambitionen zur Reduzierung der Emissionen aus dem Stromverbrauch widerspiegelt. Für eine dynamische Beteiligung bestimmt ein Bi-Level Optimierungsmodell die optimalen Parameter möglicher neuer Teilnehmer auf der Grundlage der ökologischen oder wirtschaftlichen Präferenzen der ursprünglichen Mitglieder der Gemeinschaft. Anschließend wird das Modell auf ein stochastisches dynamisches Programm zur Auswahl neuer Mitglieder erweitert. Die Gemeinschaft möchte einige Jahre im Voraus planen, was die folgenden Unsicherheiten beinhaltet: (i) welche Mitglieder nach jeder Periode ausscheiden und (ii) welches die potenziellen neuen Mitglieder sind, die bereit sind, der Gemeinschaft beizutreten. Der Schwerpunkt liegt auf der Vertragsgestaltung zwischen der Energiegemeinschaft und den neuen Mitgliedern; das Modell berechnet die Dauer der Verträge endogen. Die Ergebnisse einer Fallstudie zeigen, dass die Gesamtrentabilität von PV-Anlagen und BESS verbessert wird und dass die Zahlungsbereitschaft ein vielversprechendes Instrument zur Einsparung von Emissionen aus dem Stromverbrauch ist. Die Ergebnisse der dynamischen Beteiligung zeigen, dass umweltorientierte Prosumer sich für einen neuen Prosumer mit hohen PV-Kapazitäten und geringer Stromnachfrage entscheiden, während gewinnorientierte Prosumer ein neues Mitglied mit hoher Nachfrage, aber ohne eigene PV-Anlagenkapazität bevorzugen, was eine neue Einkommensquelle darstellt. Sensitivitätsanalysen zeigen, dass die Zahlungsbereitschaft der neuen Prosumenten einen wichtigen Einfluss hat, wenn sich die Gemeinschaft zwischen zwei neuen Mitgliedern entscheiden muss. Die letzte Reihe von Ergebnissen zeigt den Entscheidungsprozess einer beispielhaften Energiegemeinschaft über einen Zeitraum von mehreren Jahren und vergleicht den stochastischen Ansatz mit einer einfachen deterministischen Alternativlösung.