Connecting Prosumer Households in a Local Energy Community for Improved Energy Balancing - An Agent-Based Simulation Model

Abstract

Lokale energisamfunn (Local energy communities - LEC) har dukket opp som et innovativt konsept for lokal energibalansering og er en lovende måte å integreringen av distribuerte fornybare energiressurser. En LEC består av flere energiprodusenter, forbrukere og/eller prosumers. Innenfor en LEC kan strøm utveksles mellom deltakerne. Dette gir mulighet for en mer effektiv bruk av eksisterende ressurser (som PV-systemer og batterienergilagringssystemer (battery energy storage systems -BESS)). Deltakerne kan dermed oppnå økonomiske fordeler ved å redusere sine energikostnader og ved å få ytterligere muligheter for inntekter. Videre skaper LEC-er positive eksternaliteter utover systemgrensene sine ettersom den lokale energibalanseringen kan redusere belastningen på distribusjonsnettet. Dette arbeidet undersøker et lokalt energisamfunn bestående av 30 boligprosumerhusholdninger i Norge. Hver husstand er utstyrt med et PV-system og en BESS. Energiutvekslingen mellom husholdningen styres av et sentralt handelssystem for energistyring (energy management trading system - EMTS). EMTS reduserer de totale energikostnadene for deltakerne i LEC. Tre delmål er adressert for å oppnå energikostnadsreduksjon: (1) peak-barbering, (2) lastforskyvning og (3) økning av egenforbruksraten. Peak-barbering reduserer de månedlige etterspørselstoppene til deltakerne og reduserer derved peak demand-avgiften (også kjent som "effekt-tariff"). Om det forutsettes timevarierende priser, kan systemet unngår lastforskyvning energianskaffelsen i perioder med høye energipriser. Til slutt, ved å øke selvforbruket, blir energien som genereres av PV-systemene brukt mer effektivt ettersom eget forbruk er økonomisk gunstig for å selge energi til nettet. Deltakerens BESS gir fleksibiliteten som trengs for å nå disse målene. En agentbasert simulering ble utført for å vurdere LECs evne til å nå målene som ble ønsket. To regionale innstillinger som påvirker PV-utbyttet og energiprisene ble testet. LEC ble satt i Oslo (preget av et ganske godt PV-utbytte og høye energipriser) og Narvik (preget av dårligere PV-utbytte og svært lave energipriser). Innenfor hver regional innstilling ble forskjellige BESS-størrelser testet ut. Simuleringen ble kjørt over en tidsperiode på ett år. Resultatene viste at LEC -i Oslo- kunne oppnå årlige energikostnadsreduksjoner på 40 604€ sammenlignet med en basisinnstilling uten PV-systemer og BESS, og 3 376€ i kostnadsreduksjon sammenlignet med et scenario med PV-systemer og BESS men uten mulighet for energiutveksling mellom husholdningene. Kostnadsreduksjonene i Narvik var betydelig mindre (12 040€ og 1 462€). Energiprisen ble identifisert som den mest innflytelsesrike faktoren på LECs ytelse. Videre viste simuleringen analyse at å koble husholdninger med liten BESS (7,2 kWh) i en LEC kunne oppnå sammenlignbare kostnadsreduksjoner med isolerte husholdninger med større BESS (14,3 kWh). Dette fører til konklusjonen at kobling av prosumerhusholdninger i en LEC gjør det mulig å redusere BESS-størrelsen og dermed de initiale investeringskostnadene. Samlet sett viser dette arbeidet at å koble sammen prosumerhusholdninger i et lokalt energisamfunn gir økonomiske fordeler for prosumerne ettersom en mer effektiv bruk av ressursene er muliggjort. I regioner med svært lave energipriser og dårlig PV-utbytte er det imidlertid fortsatt utfordrende å drive en LEC økonomisk levedyktig.

Local energy communities (LEC) have emerged as an innovative concept for local energy balancing and are a promising way to facilitate the integration of distributed renewable energy resources. An LEC consists of several energy producers, consumers and/or prosumers. Within an LEC electricity can be exchanged between participants. This allows for a more efficient use of existing resources (such as PV systems and battery energy storage systems (BESS)). Participants can thus achieve economic benefits by reducing their energy costs and by gaining additional opportunities for revenue. Furthermore, LECs create positive externalities beyond their system boundaries as the local energy balancing can reduce the stress on the distribution grid. This work investigates a Local Energy Community consisting of 30 residential prosumer households in Norway. Each household is equipped with a PV system and a BESS. The energy exchange between the household is managed by a central energy management trading system (EMTS). The EMTS aims at reducing overall energy costs for the participants of the LEC. Three subgoals are addressed to achieve energy cost reduction: (1) peak shaving, (2) load shifting and (3) increase of self-consumption rate. Peak shaving reduces the monthly demand peaks of the participants and thereby reduces the peak demand charge (also known as “effekt-tariff”). Assuming hourly varying prices, load shifting avoids the energy procurement in periods with high energy prices. Finally, by increasing the rate of self-consumption the energy generated by the PV systems is used more efficiently as self-consumption is economically favourable to selling energy to the grid. The participant’s BESS provide the flexibility needed to achieve those goals. An agent-based simulation was conducted to assess the LEC’s capability to achieve the above mentioned goals. Two regional settings impacting the PV-yield and the energy prices were tested. The LEC was set in Oslo (characterized by a rather good PV-yield and high energy prices) and Narvik (characterized by worse PV-yield and very low energy prices). Within each regional setting different BESS sizes were tested out. The simulation was run over a time period of one year. The results showed that the LEC -in Oslo- could achieve yearly energy cost reductions of 40 604€ compared to a baseline setting without PV systems and BESS, and 3 376€ of cost reduction compared to a scenario with PV systems and BESS but without the possibility of energy exchange between the households. The cost reductions in Narvik were significantly smaller (12 040€ and 1 462€). The energy price was identified as the most influential factor on the LECs performance. Furthermore, households with small BESS (7.2 kWh) that are connected in an LEC achieved the same cost reduction than households with significantly bigger BESS (14.3 kWh) that are not connected to an LEC. This leads to the conclusion, that connecting prosumer households in an LEC offers the option to reduce the BESS size and therefore the initial investment costs. Overall, this work shows that connecting prosumer households in a Local Energy Community brings economic advantages to the prosumers as it enables a more efficient usage of the resources. However, in regions with very low energy prices and poor PV-yield it is still challenging to operate an LEC in an economically viable way.