Reducing Neighborhood Peak Load with a Peer-to-Peer Approach under Subscribed Capacity Tariffs

Abstract

På grunn av et økende effektforbruk står elektrisitetsnettet overfor et kapasitetsproblem og dyre oppgraderinger. En mulig løsning på dette problemet er å benytte effektbaserte nettariffer og peer-to-peer-teknologi (P2P) for å jevne ut strømforbruket og skape et mer stabilt og robust strømnett. P2P-teknologi i energimarkedet er fortsatt et aktivt felt innen forskning og kosekvensene av nye nettariffstrukturer er fortsatt ukjent.

Denne masteroppgaven har som hensikt å teste P2P-teknologien samt effektbaserte tariffstrukturer, foreslått av Norges vassdrags- og energidirektorat (NVE), med tanke på deres evne til å redusere strømforbruk i høylasttimer og å fremme mer nettvennlig bruk. Dette er gjort ved å utvikle en optimaliseringsmodell av et nabolag som er i stand til å utføre P2P energihandel, samt å anvende ulike nettariffer på forskjellige nivåer. Alle forbrukere i nabolaget har unike forbruksmønstre og varierende mengde fleksibilitet.

Fire casestudier er foreslått og testet for å se hvordan nabolaget benytter fleksibilitets- og P2P-muligheter under ulike forutsetninger. Resultatene viser at når nabolaget opererer under en felles abonnementsbasert nettariff, med P2P, reduseres den høyeste effekttoppen i høylasttimene med 7% og det oppretholdes en stabil import over en lengre periode, sammenlignet med dagens energibaserte tariff. Når det optimaliseres under en abonnementsbasert tariff for hver enkelt forbruker, uten P2P, blir effekttoppen redusert med 11%, men den gjennomsnittlige importen ligger på et høyere nivå.

Resultatene viser også hvordan den abonnementsbaserte tariffen unngår å skape nye effekttopper ved høylasttimer i motsetning til dagens energibaserte tariff. Derimot, gir noen ganger den abonnementsbaserte tariffen forbrukerne feilaktige prissignaler, noe som tyder på at den fortsatt er under utvikling og trenger videre justering.

Hovedkonklusjonen fra denne masteroppgaven er at den abonnementsbaserte nettariffen, påført nabolaget som en felles node, i størst grad (av de traiffstrukturene og tariffnivåene testet i denne oppgaven) reduserer effekttoppene ved høylasttimer, samtidig som den gir et lavere og mer stabilt forbruk.

Due to the increasing amount of power consumption, the electricity grid is facing a capacity problem and expensive upgrades. A possible solution to this problem is to utilize capacity based grid tariffs and peer-to-peer (P2P) technology to distribute power consumption and thereby create a more stable and resilient power grid. P2P technology in the energy market is still actively being researched and the consequences of new grid tariff structures are still unknown.

This master thesis aims to test the P2P technology and capacity based tariff structures, suggested by the Norwegian water resources and energy directorate (NVE), in terms of ability to reduce power consumption during scarcity hours and promote more grid friendly use. This was done by creating an optimization model of a neighborhood capable of P2P energy trading and applying energy and capacity tariffs both at consumer and neighborhood level. All consumers in the neighborhood have a unique consumption pattern and varying amounts of flexibility.

Four case studies were proposed and tested to see how the neighborhood utilizes the available flexibility and P2P energy trading possibilities under different conditions. The results showed that when operating at neighborhood level under a subscription based grid tariff, the neighborhood was able to reduce the peak power import during scarcity hours by 7% while maintaining a stable power import over a longer period compared to the current energy based tariff. When optimizing under the subscription based tariff for each individual consumer, disabling P2P, the peak power import was reduced by 11%, but the average power import was at a higher level.

The results also enlighten how the subscription based tariff avoids creating new power peaks during scarcity hours, unlike the current energy based tariff. However, the subscription based tariff sometimes gives the consumers sub-optimal price signals, indicating that it is still under development and needs more tuning. A suggestion on how to possibly improve the subscription based tariff is provided in the future work chapter.

The main conclusion from the research done in this thesis is that a subscription based grid tariff applied to the neighborhood as a common node, enabling P2P, is most capable (out of tariff structures and tariff levels tested in this thesis) of reducing peak power import during scarcity hours while maintaining a lower and more stable grid import.