Implications of Balancing Market Participation and P2P Trading in Energy Communities under Uncertainty

Abstract

Fremveksten av lokale energisamfunn akselererer det grønne skiftet, og gir sluttbrukere muligheten til å delta aktivt i kraftsystemet. Både husholdninger som produserer strøm og de som ikke gjør det, kan dra nytte av kostnadsbesparelser gjennom strømutveksling i disse samfunnene. Samtidig har Statnett, den norske systemoperatøren, behov for flere fleksibilitetskilder i balanseringsmarkedene. Dette medfører at aggregering av kraft innenfor lokale energisamfunn kan bidra til både å redusere energikostnadene og fremme nettstabiliteten. Imidlertid har implikasjoner og den økonomiske levedyktigheten av lokale energisamfunns deltakelse i de norske balanseringsmarkedene "Fast Frequency Reserve" og "Frequency Containment Reserves" ikke blitt tilstrekkelig undersøkt.

Masteroppgaven har som mål å undersøke implikasjoner og resultater av peer-to-peer (P2P) handel og deltakelse i balansemarkedene i energisamfunn utstyrt med elbiler, solcelleanlegg og batterier. En optimeringsmodell blir anvendt på et hypotetisk energisamfunn i Trondheim for å undersøke potensialet for kostnadsreduksjon. Resultatene viser at et energisamfunn kan redusere energikostnader med opp til 49% dersom det inneholder solcelleanlegg og batterier. Videre vurderes den økonomiske levedyktigheten av å investere i disse eiendelene. Resultatene viser at en samlet investering i både solcelleanlegg og batterier er svært lønnsomt, investeringer i kun batterier er noe lønnsomet, mens investering i kun solcelleanlegg ikke lønner seg. Gitt usikkerheten i fremtidige investeringskostnader for batterier og solcelleanlegg, undersøker vi om en realopsjonsanalyse avslører verdi som konvensjonelle verdsettelsesmetoder overser. Funnene viser at det ligger ekstra verdi i å utsette investeringen i solcelleanlegg, noe som gjør det til en lønnsom investering. Et annet interessant funn er at optimeringsmetodikken betydelig reduserer volatiliteten i besparelser sammenlignet med simulerte underliggende spot- og FCR-priser. Videre, for å fremme sluttbrukerdeltakelse i balansemarkedene, foreslår vi både endringer som fremmer deltakelse av elbiler og en reduksjon av minste budstørrelser for balansemarkedsdeltakelse.

The emergence of energy communities is an accelerator of the green transition, enabling end-users to become proactive participants in the power system. Both power generating households, called prosumers, and non-generating households benefit from cost savings through electricity exchange within these communities. At the same time, Statnett, the Norwegian transmission system operator (TSO), is in need for more flexibility providers in the balancing markets. Thus, aggregation of power within energy communities in order to participate in the balancing markets presents an additional opportunity to reduce the energy cost and promote grid stability. However, implications and the financial viability of energy communities participating in the Norwegian balancing market segments Fast Frequency Reserve (FFR) and Frequency Containment Reserves (FCR) have not been sufficiently addressed.

This master's thesis aims to investigate implications and outcomes of peer-to-peer (P2P) trading energy communities equipped with electric vehicles (EVs), photovoltaics (PVs) and battery energy storage systems (BESS) participating in the Norwegian FFR and FCR markets. An optimization model has been applied to a hypothetical energy community in Trondheim. The results show that an energy community can reduce its energy cost by 49% when engaging in P2P trading, FFR, and FCR markets. Moreover, an assessment of the financial viability of investing in PVs and BESS is made, showing that owning both PVs and BESS while participating in P2P trading and reserve markets is highly profitable. In contrast, only owning PVs demonstrate negative net present values (NPVs). Given the uncertainty in future costs of BESS and PVs due to technological advancements and varying input prices, we examined if a real option valuation (ROV) reveals additional value overlooked by conventional methods. Our findings identify added value by deferring investment in PVs, making it a profitable investment. Another interesting finding is that through our optimization model, volatility in savings is drastically reduced compared to the simulated underlying spot price and FCR data. Furthermore, to promote end-user participation in reserve markets, we propose a redesign of reserve markets to promote EV participation, as well as a reduction of minimum bid sizes.