On the integration of distributed flexibilities in electricity markets

Abstract

Electricity systems require additional flexibility for the integration of high shares of variable renewable energy resources. The activation of unused distributed flexibility can provide a valuable contribution to this end. Electricity market price signals entail information about the system state and can provide incentives for flexibility activation.The aim of this thesis is to provide novel insights to the complex topic of market integration of distributed flexibility options from a techno-economic perspective. On the one hand, the general economic potential of demand response in various European electricty markets and its effects on system emissions are investigated. On the other hand, business cases for aggregators of distributed flexibility options on multiple sequential electricity markets are analysed in detail.For this purpose, a modular simulation and optimization framework was developed based on mixed-integer linear programming. It allows different approaches for the characterization of flexibility and the consideration of various market types and arbitrary flexibility portfolio compositions.Quantitative results highlight that the environmental effects of demand response strongly depend on the degree of internalization of external cost in electricity market prices. Furthermore, they indicate significant differences in the economic potential, both among different European countries and among different market types. Optimization in multiple markets including balancing markets provides the most promising results.However, it also implicates the highest degree of complexity, both in terms of computational effort and business model design. In general, market integration of flexibility faces the same issue of self-cannibalism as energy storage. Nevertheless, demand for electricity system flexibility is expected to increase. Hence, barriers for business models that provide market access to otherwise untapped flexibility potential should be mitigated.

Stromsysteme benötigen zusätzliche Flexibilität für die Integration von großen Anteilen an volatilen erneuerbaren Energiequellen. Die Aktivierung von ungenutzter dezentraler Flexibilität kann einen wertvollen Beitrag dazu leisten. Preissignale von Strommärkten kommunizieren Information über den Systemzustand und können Anreize zur Flexibilitätsaktivierung geben. Das Ziel dieser Dissertation ist es, neue Erkenntnisse zu dem komplexen Themenbereich der Marktintegration verteilter Flexibilitätsoptionen aus einer techno-ökonomischen Sichtweise zu liefern. Einerseits wird das allgemeine ökonomische Potenzial von Demand Response in unterschiedlichen europäischen Strommärkten sowie der Einfluss auf Systememissionen untersucht. Andererseits werden Geschäftsmodelle für Aggregatoren von verteilten Flexibilitätsoptionen in mehreren sequentiellen Strommärkten im Detail analysiert. Zu diesem Zweck wurde ein modulares Simulationsframework basierend auf gemischt ganzzahliger Optimierung entwickelt. Es ermöglicht unterschiedliche Ansätze zur Charakterisierung von Flexibilität sowie die Berücksichtigung verschiedener Märkte und beliebiger Flexibilitätsportfolios. Quantitative Ergebnisse verdeutlichen, dass die ökologischen Effekte von Demand Response stark vom Grad der Internalisierung externer Kosten in den Strommarktpreisen abhänghen. Zudem weisen sie auf deutliche Unterschiede des ökonomischen Potenzials hin, sowohl zwischen verschiedenen europäischen Staaten, als auch zwischen verschiedenen Markttypen. Eine gleichzeitige Optimierung mehrerer Märkte mit Einbindung des Regelreservemarkts erzielt die aussichtsreichsten Ergebnisse. Allerdings erfordert dieser Ansatz auch den höchsten Grad an Komplexität, sowohl in Bezug auf Rechenaufwand als auch in Bezug auf die Erstellung der Geschäftsmodelle. Im Allgemeinen steht eine Marktintegration von Flexibilitätsoptionen vor derselben Herausforderung der Selbstkannibalisierung wie Stromspeicher. Es ist jedoch zu erwarten, dass die Nachfrage nach zusätzlicher Flexibilität im Stromsystem wachsen wird. Daher sollten Barrieren für Geschäftsmodelle, die einen Marktzugang für sonst ungenutztes Flexibilitätspotenzial ermöglichen, abgebaut werden.