Modelling flexibility integration into the European electricity market : economic effects, synergies, competition and relaxation of physical congestion

Abstract

Das Hauptziel dieser Arbeit ist die umfassende Analyse der wirtschaftlichen und technischen Auswirkungen der Flexibilitätsintegration in den europäischen Strommarkt. Zu diesem Zweck wurden drei Forschungsfragen formuliert, die jeweils in einer wissenschaftlichen Publikation beantwortet wurden. Hierfür wurde ein zweistufiges europäisches Strommarktmodell entwickelt. Dieses umfasst ein Dispatch Modell, das den kostenminimalen Kraftwerkseinsatz berechnet und ein anschließendes Redispatch Modell, das Engpässe analysiert und kostenminimal beseitigt. Besonderer Augenmerk wird auf die Modellierung der Sektorenkopplung des Wasserstoffsektors und die Integration von Elektrofahrzeugen als laststeitige Flexibilität gelegt. Qualitative und quantitative Synergie- und Wettbewerbseffekte zwischen verschiedenen Flexibilitätsoptionen werden ermittelt. Anschließend wird die Sektorkopplung zwischen dem europäischen Strommarkt und den nationalen Wasserstoffmärkten im Detail analysiert. Dies umfasst die Wasserstoffproduktion, saisonale Speicherung und die Rückverstromung. Um diese zu bewerten, werden die wirtschaftlichen Auswirkungen für alle relevanten Erzeuger und Verbraucher im Strommarkt analysiert. Abschließend werden die Auswirkungen der nachfrageseitigen Flexibilität auf Engpässe und notwendige Redispatchmaßnahmen bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass lastseitige Flexibilität als Redispatchmaßnahme die Redispatchkosten erheblich senken kann, während marktpreisgesteuertes Laden das Gegenteil bewirken kann. Abschließend werden Ideen für zukünftige Arbeiten gegeben, darunter die Modellierung der Kreuzpreiselastizität zwischen Erdgas- und Wasserstoffpreisen, eine Implementierung der Regularien sowie eine Analyse der Auswirkungen der Ergebnisse auf Investitionsentscheidungen. Darüber hinaus kann die Elektrifizierung des Nutzverkehrs als Flexibilität in einem erweiterten grenzüberschreitenden Redispatchmodell implementiert werden.

The main objective of this thesis is to comprehensively analyse the effects of flexibility integration into the European electricity market. This includes the economic and technical feasibility of their integration. Three research questions were formulated to analyse this, each addressed in a peer-reviewed paper. To answer them, a two-stage fundamental European electricity market model is developed. This includes a dispatch model that calculates the market clearing while maximising socio-economic welfare and a subsequent redispatch model that evaluates congestion and calculates the cost minimal redispatch. Particular emphasis is given to modelling hydrogen sector coupling and integrating electric vehicles as demand-side flexibility. Qualitative and quantitative synergistic and competitive effects between several flexibility options are identified. Further, the sector coupling between the European electricity market and national hydrogen markets is analysed in detail. This includes hydrogen production, the use as seasonal storage, and reconversion to electricity. To evaluate this, the economic effects for all relevant producers and consumers in the electricity market are analysed. Finally, the thesis concludes by analysing the effects of demand-side flexibility on congestion and the need for redispatch measures. The results show that demand-side flexibility used as a redispatch measure can significantly reduce the associated costs. In contrast, smart charging in the dispatch can drastically increase the need for redispatch measures. Finally, ideas for future work are given, including modelling of the cross-price elasticity between natural gas and hydrogen prices, an evaluation of hydrogen policy and regulatory frameworks and a more detailed analysis of the results on investment decisions. In addition, the electrification of the commercial fleet can provide additional flexibility potential. Further, the redispatch model could include cross-border redispatch and more market participants that can balance redispatch needs.