Optimizing and Evaluating Distributed Flexibility for Fast Frequency Reserve Provision and Demand Response: A case Study of a Norwegian Prosumer

Abstract

Bygninger er ansvarlige for betydelige andeler av det totale energiforbruket i Europa, hvilket understreker den avgjørende rollen som lokale energisystemer og prosumenter er posisjonert til å ha i overgangen til et lavkarbonsamfunn. Med økende utnyttelse av variable fornybare energikilder og en voksende kompleksitet i lastvariasjoner, er det et økende behov for tjenester som bidrar til balanse i kraftmarkedet. Dette gir økt relevans av frekvensreservemarkedene, som har som hensikt å forbedre nettstabiliteten og håndtere nødsituasjoner som kan oppstå i kraftsystemer. Lokale distribuerte fleksibilitetsressurser (DFR) og forbrukerstyring fra prosumenter kan bidra til disse tjenestene samtidig som energikostnader kan reduseres gjennom tilpasningsdyktig etterspørselsrespons.

Imidlertid er det mangel på innsikt i de økonomiske insentivene og de operative konsekvensene som eiendomsforvaltere står ovenfor, når de skal påta seg prosumentrollen for å tilby etterspørselsrespons og frekvensreservekapasitet. Det er et behov for å kvantifisere den økonomiske verdien av optimal drift av ulike fleksible ressurser og evaluere konsekvensene for lokale energisystemer og samfunn. Med hensyn til den store variasjonen i energipriser og –forsyning i Europa de siste årene, bør forskjellige mulige scenarier vurderes sammen med etterspørselssignalene som muliggjør effektiv drift av DFR-er. Denne masteravhandlingen har som mål å vurdere kostnadsoptimale fleksibilitetshandlinger fra en norsk prosument som effektivt reagerer på ulike prissignaler for etterspørselsrespons samtidig som de deltar i det norske markedet for raske frekvensreserver (FFR).

I masteravhandlingen presenterers en casestudie med data fra et norsk universitetscampus, som også inngår som et pilotprosjekt under forskningssenteret for nullutslippsnabolag i smarte byer (FME ZEN). Prosumentens lokale energisystem innehar tre forskjellige typer DFR: et stasjonært litium-batteri, ladestasjoner for strøm til kjøretøy (G2V) og ladestasjoner med muligheten for å overføre strøm fra kjøretøy til nettet (V2G). I tillegg vil reduksjon av termostatiske laster for å bidra til FFR kapasitet bli vurdert. En deterministisk lineær matematisk modell benyttes for å minimere de totale elektrisitets kostnadene ved å optimalisere driften av DFR-er, både med og uten muligheten til å delta i FFR.

Resultatene i studien viser at optimal drift av DFR-er har et betydelig potensial for å redusere prosumenters totale energikostnader gjennom etterspørselsrespons. Analysen avslører at insentivene relatert til etterspørselsrespons og deltagelse i FFR-markedet er betydelige, noe som også medfører redusert hensyn til alternative mekanismer for etterspørselsrespons, spesielt for topplastelementet i nettleien. Et sentralt funn er at fortjenesten fra deltagelsen i FFR-markedet oppveier betydelig for de indirekte kostnadene som det medfører. Videre viser studien at fleksibilitet på etterspørselssiden muliggjør lastforskyvning og reduksjon av topplast, noe som er i tråd med målene til kraftsystemoperatører og norske regulatoriske retningslinjer for strømforbruk. Casestudien gir verdifull innsikt i den effektive driften og samspillet mellom de ulike DFR-ene, og fremhever særlig de fremtredende mulighetene for V2G teknologi for å levere FFR-reserver.

Buildings are responsible for considerable amounts of the total energy consumption in Europe, emphasizing the pivotal role that local energy systems and prosumers are positioned to play in the transition to a low-carbon energy system. With the increasing penetration of variable renewable energy sources and the growing complexity of load variations, there is a greater need for energy balancing services. In response, frequency reserve markets have emerged to enhance grid stability and address contingencies in energy systems. Local distributed flexibility resources (DFR) and demand side management by prosumers can contribute to these services while reducing their energy costs through adaptive demand response.

However, there is a lack of insight into the economic incentives and operational consequences for property owners to adopt prosumer qualities for provision of demand response and frequency reserve capacity. There is a need to quantify the economic value of optimally operating different flexible assets and to evaluate the consequences for local energy systems and communities. Facing recent variability of energy prices and supply in Europe, different potential scenarios should be evaluated along with the demand response signals that can enable effective operation of DFRs. This master's thesis aims to assess the cost-optimal flexibility responses from a Norwegian prosumer addressing various demand response mechanisms while participating in the Norwegian fast frequency reserve (FFR) market.

This master's thesis presents a case study of a Norwegian university campus, also participating as a pilot project in the Research Centre on Zero Emission Neighbourhoods in Smart Cities (FME ZEN). The local energy system of the prosumer has three different types of DFRs: a stationary lithium-ion battery, gird-to-vehicle (G2V) charging stations, and vehicle-to-grid (V2G) charging stations. Additionally, curtailment of thermostatic loads will be considered for FFR provision. Metered data from three distinct historical years are utilized to provide a comprehensive understanding of DFRs engaging in demand response. A deterministic and single-objective linear mathematical model is employed to minimize total electricity costs by optimizing the operation of DFRs, both with and without the opportunity to participate in FFR.

The findings of this study demonstrate that the optimized operation of DFRs offers significant potential for reducing prosumers' total energy costs through demand response. The analysis reveals the considerable potency of the demand response incentive linked to FFR market participation, leading to reduced consideration of alternative demand response mechanisms like the peak load grid tariff element. Importantly, the profits derived from FFR participation significantly outweigh the indirect cost impacts. Moreover, the study reveals that demand side flexibility enables load shifting and peak load reductions, aligning with the objectives of power system operators and regulatory policies. The case study provides valuable insights into the effective operation and interplay among various DFRs, emphasising the prominent capabilities of V2G technology in providing FFR reserves.