On the portfolio optimization of end-user energy flexibility

Abstract

Flexible energy consumption patterns represent a significant potential for end-users to reduce their energy costs due to the increasing price volatility in the electricity spot markets. However, a simple and exhaustive description of flexibilities is needed to coordinate multiple flexible components efficiently. For this purpose, a data-based method for the linear representation of a heat pumps operation, characterized by highly non-linear physical effects, is developed and validated. This thesis proposes a novel, modular and versatile mixed-integer linear optimization framework to assess the economic potential of end-user flexibilities. The novel methodological approach is applied to three different quantitative case studies with the goal of providing insights into various aspects related to end-user energy flexibility. Cost-benefit- and sensitivity analyses of the quantitative results of the investigated case studies highlight the profitability of end-user flexibilities, tackling this thematic field from multiple perspectives. First, the economic potential of different charging strategies for an existing office site in Austria with multiple charging infrastructures is investigated. Secondly, a rolling horizon optimization is set up with the objective of maximizing the profits of a flexible end-user in the day-ahead and intraday spot markets. Moreover, the economic impact of residential on-site e-car-sharing and the monetary benefits that new e-car-sharing business models may create is explored. Additionally, regulatory inhibitors for the provision of flexibility are identified, and suggestions for future regulation and policymaking are refined. Finally, future research directions are identified to further assess the economic potential of end-user flexibilities.

Flexible Energieverbrauchsmuster stellen ein erhebliches Potenzial für die Endverbraucher dar, ihre Energiekosten aufgrund der zunehmenden Preis-volatilität auf den Strom-Spotmärkten zu senken. Allerdings, ist eine einfache und umfassende Beschreibung der Flexibilitäten erforderlich, um mehrere flexible Komponenten effizient zu koordinieren. Zu diesem Zweck wird ein datenbasiertes Verfahren zur linearen Darstellung eines Wärmepumpenbetriebs, der durch stark nichtlineare physikalische Effekte gekennzeichnet ist, entwickelt und validiert. Diese Dissertation schlägt ein neuartiges, modulares und vielseitiges mixed-integer linear Optimization Framework vor, um das wirtschaftliche Potenzial von Endbenutzer-Flexibilitäten zu bewerten. Der neuartige methodische Ansatz wird auf drei verschiedene quantitative Fallstudien mit dem Ziel angewendet, Einblicke in verschiedenen Aspekte im Zusammenhang mit der Energieflexibilität des Endverbrauchers zu geben. Kosten-Nutzen- und Sensitivitätsanalysen der quantitativen Ergebnisse der untersuchten Fallstudien beleuchten die Rentabilität von Endnutzerflexibilitäten und behandeln dieses Themenfeld aus mehreren Perspektiven. Zunächst wird das wirtschaftliche Potenzial unterschiedlicher Ladestrategien für einen bestehenden Bürostandort in Österreich mit mehreren Ladeinfrastrukturen untersucht. Zweitens wird eine rolling horizon Optimierung mit dem Ziel eingerichtet, die Profite eines flexiblen Endverbrauchers in den Day-Ahead- und Intraday-Spotmärkten zu maximieren. Weiters, werden die wirtschaftlichen Auswirkungen untersucht, die neue E-Car-Sharing-Geschäftsmodelle für ein residentielles Wohngebäude schaffen können. Darüber hinaus werden regulatorische Hemmnisse für die Bereitstellung von Flexibilität identifiziert und Vorschläge für zukünftige Regulierung und Policymaking erstellt. Schließlich werden zukünftige Forschungsrichtungen identifiziert, um das wirtschaftliche Potenzial von Endnutzerflexibilitäten weiter zu untersuchen.