Quantification of Costs and Benefits of Power System Flexibility Provision from Distributed Energ Resources (DER) for Balancing and Congestion Management in Europe

Abstract

RESUMEN DEL PROYECTO 1. Introducción El presente trabajo pretende avanzar en el análisis de los costes y beneficios de proporcionar flexibilidad en los sistemas de energía que utilizan Recursos Energéticos Distribuidos (DER por sus siglas en inglés – Distributed Energy Resources) en el entorno europeo, con un enfoque particular en los servicios de balance y la gestión de la congestión. La flexibilidad es esencial en las redes eléctricas modernas para adaptarse a la variabilidad de las fuentes de energía renovable (FER) como la eólica y la solar, al tiempo que se garantiza la estabilidad de la red. 2. Contexto: • El cambio hacia la descarbonización, impulsado por la preocupación por el cambio climático y eventos geopolíticos como la guerra en Ucrania, enfatiza la necesidad de diversificación energética y resiliencia. • Europa tiene como objetivo aumentar la integración de las energías renovables (hasta un 60-70% de la demanda eléctrica para 2040), estos objetivos son aún mayores para España, lo que requiere el uso de servicios de flexibilidad como la respuesta a la demanda, el almacenamiento de energía y la generación flexible para gestionar la demanda de la red y evitar la congestión. 3. Objetivos: • Objetivo 1: Identificar los servicios de flexibilidad que pueden ofrecerse en los mercados de electricidad y analizar la viabilidad de la integración de estos servicios en el mercado. • Objetivo 2: Estimar el volumen potencial de flexibilidad y cuantificar los correspondientes costes y beneficios asociados en los distintos mercados de electricidad. • Objetivo 3: Investigar cómo se distribuirá la flexibilidad entre los diferentes servicios de los sistemas comparables (UE27+países adyacentes). Esto implica analizar la asignación de flexibilidad en diferentes aplicaciones, como el mercado mayorista, los servicios de equilibrio, la adecuación y la gestión local de la red. El objetivo es comprender cómo se utilizará y priorizará la flexibilidad entre los diferentes servicios identificados. • Objetivo 4: Examinar los ahorros potenciales que podrían obtenerse utilizando servicios de flexibilidad en cada uno de los sistemas comparables analizados. Se trataría de evaluar los beneficios económicos que se pueden lograr a través del despliegue de soluciones de flexibilidad. 4. Situación actual: • El marco legislativo de la Unión Europea, en particular el paquete de medidas «Energía limpia para todos los europeos», promueve la flexibilidad en los mercados de la electricidad. Las regulaciones clave fomentan la integración de las energías renovables y los servicios de flexibilidad a través de precios dinámicos, flexibilidad del lado de la demanda y acceso al mercado para el almacenamiento de energía. • Los proyectos piloto y las plataformas operativas, como GOPACS y Piclo Flex, demuestran la viabilidad de los mercados de flexibilidad, pero la escala de la flexibilidad comercializable sigue siendo pequeña en comparación con la generación convencional. 5. Metodología El objetivo final es cuantificar el impacto potencial de la flexibilidad en todos los servicios de la UE-27+Reino Unido+6 en el horizonte 2030. El análisis tiene como objetivo recopilar algunas muestras y casos para argumentar a favor de la implementación de soluciones de flexibilidad para los servicios del sistema a través de mecanismos de mercado.

Para ello, aplicamos la metodología que se muestra a continuación

• El análisis implica la definición de servicios de flexibilidad, la identificación de fuentes de datos de alta calidad, el análisis de estas fuentes y el análisis de los resultados para cuantificar los beneficios de la implementación de la flexibilidad. • Un análisis cuantitativo detallado incluye modelos de red, suposiciones sobre la capacidad de generación y la demanda, y los beneficios potenciales de la flexibilidad en el balance, el redespacho y el ahorro de costes. 6. Aspectos detectados: • La flexibilidad puede ofrecer beneficios que podrían ser significativos en la reducción de los costes asociados con la congestión de la red, los servicios de balance y los mercados mayoristas de electricidad. • El estudio destaca que las barreras regulatorias son un obstáculo importante para la adopción de servicios de flexibilidad. 7. Conclusión: La tesis concluye que, si bien la flexibilidad es técnicamente factible y beneficiosa, el desarrollo regulatorio es crucial para que se convierta en un modelo de negocio generalizado y viable en el mercado energético europeo. La investigación proporciona una hoja de ruta para aprovechar la flexibilidad como parte de la transición energética de Europa. La tesis se llevó a cabo en el contexto del proyecto OneNet del programa Horizonte 2020, destinado a crear una red eléctrica unificada e interoperable en Europa.

EXECUTIVE SUMMARY 1. Introduction The present master thesis investigates the costs and benefits of providing flexibility in power systems using Distributed Energy Resources (DER) across Europe, with a particular focus on balancing and congestion management. Flexibility is essential in modern electricity grids to accommodate the variability of renewable energy sources (RES) like wind and solar while ensuring grid stability. 2. Context and Motivation: • The shift towards decarbonization, driven by climate change concerns and geopolitical events like the war in Ukraine, emphasizes the need for energy diversification and resilience. • Europe aims to increase RES integration (up to 60-70% by 2040), or even more ambitious for the Spanish context which necessitates the use of flexibility services such as demand response, energy storage, and flexible generation to manage grid demand and avoid congestion. 3. Objectives: • Objective 1: Identify flexibility services that can be provided in electricity markets and assess the feasibility of market integration for these services. • Objective 2: Estimate the potential volume of flexibility and quantify its associated costs and benefits within various electricity markets. • Objective 3: Investigate how flexibility will be distributed across the different services in the comparable systems (EU27+adjacent countries). This involves analyzing the allocation of flexibility across different applications, such as the wholesale market, balancing services, adequacy, and local grid management. The goal is to understand how flexibility will be utilized and prioritized among the different services identified. • Objective 4: Examine the potential savings that could be realized by utilizing flexibility services in each analyzed comparable system. This objective aims to evaluate the economic benefits that can be achieved through the deployment of localized flexibility solutions. 4. State of the Art: • The European Union’s legislative framework, notably the Clean Energy for All Europeans Package, promotes flexibility in electricity markets. Key regulations encourage the integration of renewables and flexibility services through dynamic pricing, demand-side flexibility, and market access for energy storage. • Pilot projects and operational platforms like GOPACS and Piclo Flex demonstrate the feasibility of flexibility markets, but the scale of traded flexibility is still small compared to conventional generation. 5. Methodology: The ultimate objective is to quantify the potential impact of flexibility across all services in the EU27+UK+6 in the 2030 horizon. The analysis aims to collect some first-hand evidence to make a case for the implementation of flexibility solutions for system services through market mechanisms. In order to do this, we applied the methodology shown below:

• The research involves defining flexibility services, identifying high-quality data sources, analyzing these sources, and mapping results to quantify the benefits of implementing flexibility. • A detailed quantitative analysis includes grid modeling, assumptions about generation capacity and demand, and the potential benefits of flexibility in balancing, redispatch, and cost savings. 6. Findings: • Flexibility can deliver significant benefits in reducing costs associated with grid congestion, balancing services, and wholesale electricity markets. • The study highlights that regulatory barriers are a major obstacle to the wider adoption of flexibility services. Once these barriers are addressed, flexibility could compete on equal terms with traditional generation methods in electricity markets. 7. Conclusion: The thesis concludes that while flexibility is technically feasible and beneficial, regulatory development is crucial for it to become a widespread and viable business model in the European energy market. The research provides a roadmap for leveraging flexibility as part of Europe's energy transition. The thesis was carried out in the context of the OneNet project under the Horizon 2020 program, aimed at creating a unified, interoperable electricity grid across Europe.