Integrated community energy systems

Abstract

Los sistemas energéticos en todo el mundo atraviesan una transformación radical como resultado de cambios tecnológicos e institucionales, el agotamiento de combustibles fósiles y el cambio climático. Por consiguiente, las iniciativas locales de energía están surgiendo y los modelos de negocio se centran cada vez más en los usuarios finales. Esto requiere la reorganización de los actuales sistemas energéticos centralizados. En este contexto, los sistemas integrados de energía comunitaria (ICES, por sus siglas en inglés) están emergiendo como un desarrollo moderno para reorganizar los sistemas energéticos locales, permitiendo la integración simultánea de los recursos energéticos distribuidos y la participación de las comunidades locales. Con la aparición de ICESs se esperan nuevos roles y responsabilidades, así como interacciones y dinámicas, en el sistema energético. Aunque las iniciativas locales en materia de energía, como las ICESs, están surgiendo rápidamente debido a los objetivos de la comunidad, tales como la reducción de costos y emisiones, así como la resiliencia, y la evaluación, siguen careciendo del valor que estos sistemas pueden brindar tanto a las comunidades locales como a todo el sistema energético. El valor de los ICESs también se ve afectado por los entornos institucionales tanto internos como externos al sistema. Con este trasfondo, esta tesis pretende comprender las formas en que los ICESs pueden contribuir a mejorar la transición energética. Esta tesis utiliza un marco conceptual que consiste en niveles institucionales y sociales para comprender la interacción y dinámica de la implementación de los ICESs. Además, esta tesis revisa las tendencias actuales de energía y los problemas tecnológicos, socioeconómicos, ambientales e institucionales asociados. La tesis desarrolla un modelo que optimiza la planificación y el funcionamiento óptimos de ICESs y evalúa su funcionamiento basado en métricas económicas y ambientales. Para el tamaño de la comunidad y las condiciones locales consideradas, los ICESs conectados a la red ya son beneficiosos tanto en términos de costos totales de energía como de emisiones de CO2 comparado con la alternativa de ser suministrados únicamente desde la red, mientras que los sistemas aislados y desconectados de la red, aunque desempeñándose muy bien en términos de reducción emisiones de CO2, siguen siendo bastante más costosos. Los ICESs garantizan el autoabastecimiento de energía y pueden proporcionar servicios esenciales al resto del sistema energético. Esta tesis demuestra el valor añadido de los ICESs a los hogares individuales, las comunidades locales y la sociedad. Un diseño integral que considere las perspectivas tecno-económicas e institucionales es necesario para asegurar la contribución efectiva de los ICESs en la transición energética.Energy systems across the globe are going through a radical transformation as a result of technological and institutional changes, depletion of fossil fuel resources, and climate change. Accordingly, local energy initiatives are emerging and increasing number of the business models are focusing on the end-users. This requires the present centralized energy systems to be re-organized. In this context, Integrated community energy systems (ICESs) are emerging as a modern development to re-organize local energy systems allowing simultaneous integration of distributed energy resources (DERs) and engagement of local communities. With the emergence of ICESs new roles and responsibilities as well as interactions and dynamics are expected in the energy system. Although local energy initiatives such as ICESs are rapidly emerging due to community objectives, such as cost and emission reductions as well as resiliency, assessment and evaluation of the value that these systems can provide to both local communities and the whole energy system are still lacking. The value of ICESs is also impacted by the institutional settings internal and external to the system. With this background, this thesis aims to understand the ways in which ICESs can contribute to enhancing the energy transition. This thesis utilizes a conceptual framework consisting of institutional and societal levels in order to understand the interaction and dynamics of ICESs implementation. Current energy trends and the associated technological, socio-economic, environmental and institutional issues are reviewed. The developed ICES model performs optimal planning and operation of ICESs and assesses their performance based on economic and environmental metrics. For the considered community size and local conditions, grid-connected ICESs are already beneficial to the alternative of solely being supplied from the grid, both in terms of total energy costs and CO2 emissions, whereas grid-defected systems, although performing very well in terms of CO2 emissions reduction, are still rather expensive. ICESs ensure self-provision of energy and can provide essential system services to the larger energy system. This thesis has demonstrated the added value of ICESs to the individual households, local communities and the society. A comprehensive institutional design considering techno-economic and institutional perspectives is necessary to ensure effective contribution of ICESs in the energy transition.