Expanding the notions of local electricity markets: A study on trading among and within energy communities

Abstract

Lokale elektrisitetsmarkeder (LEM) er et voksende forskningsområde som bidrar til det grønne skiftet innen energisystemer. Med nye fremskritt innen informasjons- og kommunikasjonsteknologi, kan disse markedene nå være med på å styre og effektivisere den økende andelen av distribuerte energiressurser ved å legge opp til lokal energihandel mellom plusskunder og vanlige forbrukere. Dette vil i tillegg forsterke og fremskynde overgangen fra et system med kun forbrukere til et system med plusskunder og lokal energiproduksjon. Det er imidlertid fortsatt noen kunnskapshull i dette forskningsområdet. Det mangler blant annet forskning på hvordan overskuddsenergi fra disse markedene kan utnyttes videre. I tillegg er det ingen felles enighet om hvordan man skal organisere handelen i disse markedene. I denne masteroppgaven tar vi for oss noen av disse problemstillingene gjennom to forskningsartikler.

I den første artikkelen analyserer vi den interne markeds-klareringen for to systemer i henholdsvis Norge og Storbritannia. Dette gjør vi ved å bruke to handelsalgoritmer, «Peer-to-Peer» (P2P) og «Multi Unit Double Auction» (MUDA), og deretter sammenligne resultatene fra disse mot en referanse-modell. Vi utviklet også en modell for en markedsreferansepris, i tillegg til å simulere strategier for bud og tilbud i algoritmene. Resultatet fra dette indikerer at P2P-algoritmen er betydelig mer effektiv enn MUDA, men at det er visse fordeler og ulemper med begge. Som et siste steg i arbeidet som tilhører denne artikkelen, har vi utarbeidet et forslag for hvordan handelsalgoritmer kan brukes av plusskunder med batterier.

I den andre artikkelen utarbeidet vi et forslag for et nytt market kalt «Community-to-X» (C2X), hvor målet er at de lokale elektrisitetsmarkedene kan kjøpe og selge overskuddsenergi, enten med andre nabolag eller eksterne kjøpere. Dette arbeidet er delt i to hoveddeler: Først modellerte vi ulike lokale elektrisitetsmarkeder for å evaluere økonomiske resultater og fysiske påvirkninger på kraftnettet. I den andre delen ser vi på de økonomiske fordelene ved å fortsette handelen in C2X-markedet. Våre resultater viser at C2X-markedet er fordelaktig for alle deltakere, men de nabolagene med mest overskudd drar mest nytte av å selge sin elektrisitet. Videre finner vi ingen store nettproblemer som en direkte årsak av lokal. Vi ser likevel på et scenario med høyere lokal produksjon for å vise et eksempel på hvordan nettselskaper kan samhandle med nabolag for å håndtere potensielle problemer i nettet.

For å konkludere, gir denne oppgaven nye ideer til gjeldende forestillinger om hvordan lokale elektrisitetsmarkeder fungerer internt og eksternt. Forhåpentligvis vil dette bringe et nytt perspektiv for implementering av LEM i fremtidige systemer, og gi et utgangspunkt for videre forskning på dette området.

Local electricity markets (LEMs) is an expanding research area that contributes to the green transition of the energy system. With recent advances in Information and Communication Technology (ICT), LEMs can facilitate the increasing deployment of distributed energy resources (DERs) by sharing electricity locally. This also enhances the role of prosumers and accelerates the shift from consumerism to prosumerism.

However, there are still knowledge gaps in the research field of LEMs. One example is the missing research on managing surplus of plus energy neighborhoods to increase the value of their surplus. Furthermore, there is no consensus on how to organize energy sharing within LEMs (e.g., creating a wholesale market), such as assessing the economic efficiency of trading algorithms. We address these issues in two journal papers.

In the first journal paper, we analyze internal LEM clearing for two cases in Norway and the United Kingdom. To do so, we apply the trading algorithms Peer-to-Peer (P2P) and Multi Unit Double Auction (MUDA) and compare the results to a cooperative market clearing (centralized optimization) in terms of self-sufficiency, traded energy, and curtailment. We also develop a market reference price and conduct bidding simulations to establish bids and offers for the trading algorithms. The results indicate significantly higher efficiency of the P2P algorithm than MUDA but also reveal some disadvantages regarding unfair trading. Finally, as a step further in this thesis, we propose a bidding strategy for selling prosumers with battery storage.

In the second journal paper, we propose a new market called ``Community-to-X'' (C2X) to trade electricity surplus of plus energy neighborhoods. In the C2X market, communities with surplus electricity can enter to sell their surplus to other communities or external players. To further explore this market, we divided the paper into two main parts: First, we modeled LEM trading models for communities and compared the results with a business-as-usual case. Second, we applied the LEM results to the C2X market and analyzed the financial benefits. The market models were simulated on a German distribution network. We find that the C2X market can be economically beneficial for all participants, but communities with higher surpluses benefit the most from selling their electricity. Moreover, the results do not indicate any major grid problems in the low-voltage grid caused directly by LEM trading. However, we extend this market for a future scenario to show how the DSO can interact with market participants to manage potential grid impacts.

In conclusion, this thesis provides new ideas to current notions of how LEMs function internally and externally. Hopefully, this will bring a novel perspective to the implementation of LEMs and provide starting points for further research.