Modeling energy communities: A Multiagent framework

Abstract

As políticas europeias de energia e clima colocam o cidadão no centro da transição energética, encorajando-o a assumir um papel ativo na produção descentralizada de energia renovável, promovendo as comunidades de energia como iniciativas-chave para atingir os compromissos climáticos Europeus no horizonte 2030 e 2050. As comunidades de energia são apontadas como ferramentas para alavancar o investimento privado na produção renovável, aumentando a participação das fontes energéticas renováveis no mix energético dos países, desempenhando um papel fundamental no equilíbrio da procura e oferta de eletricidade a nível local, além de perspetivarem uma transição sócio tecnológica com mudanças estruturais tanto ao nível dos sistemas de energia, como do papel e comportamento dos consumidores. Porém, as comunidades de energia estão a dar os primeiros passos em muitos países europeus e os desafios sucedem-se. Esta tese aborda alguns destes desafios, focando as principais dimensões técnicas, sociais e organizacionais subjacentes a um projeto coletivo de energia do ponto de vista da modelação, de modo a contribuir para o planeamento de programas de incentivo e políticas energéticas mais eficazes. Este trabalho foca três questões-chave: 1) Que formas podem as comunidades de energia assumir?; 2) Como podem ser modeladas nas suas mais diversas valências e dimensões?; 3) Como podem as iniciativas coletivas de energia contribuir para envolver todos os cidadãos na transição energética? Dada a natureza complexa associada às comunidades de energia, envolvendo diferentes atores que ocupam diferentes papéis na cadeia de valor no setor elétrico (incluindo operadores de rede, comercializadores, consumidores, etc.) e atividades (incluindo consumo, geração, armazenamento, compra e venda, etc.), e sendo influenciadas por diferentes variáveis do domínio económico, legal, tecnológico e social, é necessária uma abordagem multidisciplinar com forte ligação ao enquadramento regulatório. Através da exploração de metodologias de simulação e otimização para exploração de modelos de gestão ótima de recursos energéticos, apoiadas por ferramentas das ciências sociais para identificação de atores, papéis, expectativas e preferências, e pela análise de modelos de negócio em contextos coletivos de energia, é proposta uma abordagem multidisciplinar de modelação com vista à quantificação da autossuficiência energética de comunidades de energia e aos benefícios energéticos e económicos que podem existir nestes contextos. São exploradas diferentes configurações, utilizando uma abordagem de cenarização com casos de estudo para contextualizar a metodologia proposta. Os resultados indicam que as comunidades de energia podem atingir diferentes níveis de autossuficiência energética consoante os recursos energéticos de que dispõem, sendo beneficiadas as que aliam produção local, armazenamento e estratégias de gestão da procura – média de 73% de autossuficiência energética num cenário com prosumers que adotam estratégias de gestão da procura em função de sinais de preço e usufruem de um sistema coletivo de geração renovável e armazenamento. Os resultados mostram também que a interação de membros com perfis complementares de procura (ex. agregados familiares e empresas) é benéfica para a maximização da autossuficiência de uma comunidade de energia uma vez que, devido à complementaridade dos perfis de procura, a produção de origem fotovoltaica pode ser usada mais eficientemente a nível local. Adicionalmente, a presença de membros que desempenham papéis diferentes (ex. consomem, produzem, armazenam) e que têm diferentes objetivos individuais no contexto coletivo (ex. membros que privilegiam poupanças económicas vs. membros que privilegiam padrões de conforto no uso de serviços energéticos) é benéfica nestes modelos. Sendo comprovada a vantagem na heterogeneidade de perfis em contexto comunitário, esta questão deverá ser reforçada do ponto de vista técnico e regulamentar, para que utilizadores vulneráveis que, por princípio, ficariam à margem destes modelos (ex. utilizadores socialmente desfavorecidos ou com baixa literacia energética), sejam incluídos e beneficiem das vantagens económicas, energéticas e sociais das comunidades de energia. Em conclusão, de modo a explorar o potencial de projetos comunitários de energia no seu todo, é necessário: i) estabilizar o enquadramento regulatório; ii) esclarecer os agentes de mercado acerca do papel que se espera que desempenhem e que novos produtos e serviços podem ser desenvolvidos, dando origem a modelos de negócio inovadores; iii) robustecer e dotar a rede elétrica de infraestruturas de redes inteligentes (contadores inteligentes com comunicação bidirecional, automatismos de controlo, programas e tecnologias de gestão automatizada da procura, etc.); e iv) fomentar a heterogeneidade de participantes e a inclusão de utilizadores vulneráveis nestes projetos, garantindo que a transição energética é inclusiva e justa.

European energy and climate policies place citizens at the center of the energy transition, encouraging them to take an active role in the distributed generation of renewable energy, promoting energy communities (renewable and for citizens) as key initiatives to achieve the European climate commitments to 2030 and 2050. Energy communities are pointed as strategic tools to leverage private investment in renewable generation, increasing the share of renewable energy sources in countries’ energy mix, playing a key role in balancing electricity demand and supply at a local level, in addition to envisioning a socio-technological transition with structural changes both in terms of energy systems and in the behavioral and role shift of energy consumers. However, energy communities are taking their first steps in many European countries and challenges keep coming. This thesis addresses some of these challenges, focusing on the main technical, social, and organizational dimensions underlying a collective energy project from the modeling point of view, to contribute to the planning of incentive programs and more effective energy policies. This work focuses on three key questions:• What forms can energy communities take?• How can they be modeled in their most diverse potential and dimensions?• How can collective energy initiatives contribute to bringing and engaging all citizens in the energy transition?Given the complex nature of energy communities, involving different actors occupying different roles in the electricity sector value chain (including distribution network operators, retailers, aggregators, consumers, etc.) and activities (including consumption, generation, storage, purchase, and sale, etc.), and being influenced by different variables in the economic, legal, technological and social domain, a multidisciplinary approach is required, with strong links to the regulatory framework. Through the exploitation of simulation and optimization methodologies addressing optimal energy resource management models, supported by social science tools to identify actors, roles, expectations, and preferences, and by analyzing business models in collective energy contexts, a multidisciplinary modeling approach is proposed with a view to quantifying the energy self-sufficiency of energy communities and the energy and economic benefits unfold in such contexts. Different configurations and energy resources are exploited, using a scenario-based approach with case studies to contextualize the proposed methodology.The results indicate that energy communities can reach different energy self-sufficiency levels depending on the energy resources they have, benefiting those that exploit combined local generation, storage, and demand management strategies - an average of 73% energy self-sufficiency can be achieved in a community scenario with prosumers that adopt demand management strategies based on price signals from the grid and benefit from a collective system of renewable generation and storage. The results also show that the interaction of members with complementary demand profiles (e.g., households and companies) is beneficial for maximizing the community self-sufficiency since, due to the complementarity nature of their demand profiles, PV generation can be used more efficiently at the local level, minimizing the injection of renewable energy into the grid. Additionally, the presence of members who play different roles (e.g., consume, produce, store) and who have different individual goals to explore in a collective context (e.g., members who privilege economic savings vs. comfort standards in energy services usage) is beneficial in these models. Having proven the advantage of the heterogeneity of profiles in a community context, this issue should be reinforced from a technical and regulatory point of view so that users and entities who, in principle, would be left out of these models (e.g., socially disadvantaged users), are included and benefit from the economic, energy and social benefits of energy communities.To conclude, in order to fully address the potential of community energy projects, it is therefore necessary to: i) stabilize the regulatory framework; ii) clarify market agents about the role they are expected to play and what new and added-value products and services can be developed in and through energy communities, giving rise to innovative business models; iii) to strengthen and provide the power grid with smart grid functions (e.g., smart meters with bidirectional communication capability, control functions, automated demand management programs and technologies, etc.); and iv) foster the heterogeneity of participants and the inclusion of vulnerable users in collective energy projects, ensuring that the energy transition is indeed effective, inclusive and fair.