Distribution network tariff design under decarbonization, decentralization and digitalization

Abstract

Las tarifas de la red eléctrica tienen como objetivo recuperar los costes de la red y, a su vez, cumplir con los principios de eficiencia económica y equidad. La mayoría de las tarifas de red existentes en los distintos países se centran principalmente en la recuperación de costes, asumiendo implícitamente clientes poco sensibles a los cambios en los precios. A pesar de que existen propuestas teóricas de diseños de tarifas de red mejor enfocadas a los principios mencionados, su validación se limita a sistemas de red muy simplificados. Esta tesis formula una tarifa de red dinámica con alta granularidad temporal y geográfica y la implementa en un sistema eléctrico real. La implementación al sistema real se consigue adaptando la metodología de tarifas para gestionar redes multicapa a gran escala y conjuntos de datos complejos. Debido a que la mayoría de los costes de red son costes hundidos, el diseño mejorado de la tarifa se centra en señalar los costes de red de largo plazo, aquellos en los que el operador de red debería incurrir en un futuro en el que la demanda sigue creciendo, y por tanto, aquellos que se pueden reducir e incluso evitar. Por otro lado, los costes de largo plazo suelen ser menores a los costes hundidos, y por tanto, se requiere de un término adicional, llamado costes residuales, que deben satisfacer los consumidores para lograr el objetivo de recuperación de costes En el contexto de toda la red, los consumidores y los generadores deben agruparse en subsistemas según los niveles de tensión. Esta agrupación permite el cálculo de los niveles de utilización de la red, un marco conocido como el modelo en cascada. Mientras los costes de largo plazo se recuperan a través de cargos de energía en las horas de máxima utilización de la red y que son simétricos para las inyecciones y para los consumos de energía, los costes residuales se recuperan a través de un cargo fijo que no distorsiona el resto de las señales económicas. Esta innovadora estructura de tarifas de red fomenta el desplazamiento de cargas flexibles a períodos de menor demanda, alineando los incentivos económicos que reciben los usuarios individuales con los beneficios del sistema. Como resultado, este enfoque reduce la necesidad de inversiones futuras en la red. Además, la naturaleza equitativa de la tarifa propuesta establece una plataforma justa para los recursos distribuidos que ofrecen servicios de flexibilidad. Ilustrado a través del ejemplo de Eslovenia, esta tesis ofrece un marco que merece ser considerado por los organismos reguladores para su implementación en sistemas eléctricos del mundo real. Adicionalmente, esta tesis analiza el rendimiento de diferentes diseños de tarifas de red de largo plazo en un futuro con muchos clientes flexibles que responden a las señales de precio modificando sus patrones de consumo. En teoría, las señales de largo plazo establecen un equilibrio entre el consumo flexible y los costes de largo plazo relacionados con la expansión de la red. Se examinan diseños de tarifas de red de largo plazo con alta granularidad geográfica, lo que mejora la eficiencia en la distribución de los costes entre usuarios. Sin embargo, se observa que cuando un número significativo de usuarios sincronizan sus respuestas a cargos de red establecidos ex-ante se produce el efecto peak-shifting, por el que se generan nuevos picos de red que conllevan refuerzos en la red más tempranos de lo inicialmente previsto. Con ello, esta tesis muestra que el principio de previsibilidad, normalmente asociado a la equidad, podría estar en conflicto con el principio de eficiencia económica en dicho contexto. Como solución, la fijación de precios ex-post alinea los cargos de red con el crecimiento gradual de los costes de la red en el tiempo. Para solventar la menor previsibilidad para los usuarios, esta tesis ofrece un innovador mecanismo de coordinación de la respuesta de los usuarios de red. Este mecanismo consiste en un mercado local de capacidad de red donde los usuarios reservan el uso que esperan hacer de la capacidad de red dentro mediante un marco competitivo. Se presenta un caso de estudio detallado en el que se comparan varias tarifas de red en dicho contexto, demostrando que la aplicación de las tarifas ex-post y el mecanismo propuesto son capaces de evitar mayores refuerzos en la red mediante la coordinación de la respuesta de los usuarios de red. La complejidad de la estructura tarifaria presentada erige a los comercializadores y agregadores como piezas clave en el sistema eléctrico del futuro como intermediarios, transformando estructuras de tarifas complejas en productos adaptados a la flexibilidad y la tolerancia al riesgo de cada usuario.

The electricity network tariffs aim to recover network costs while also adhering to principles of economic efficiency and equity. The majority of existing network tariffs in different countries primarily focus on cost recovery, implicitly assuming customers are not very sensitive to price changes. Despite theoretical proposals for network tariff designs that align better with these principles, their validation is confined to simplified network systems. This thesis formulates a dynamic network tariff with high temporal and geographical granularity and implements it in a real electricity system. The implementation into the actual system is achieved by adapting tariff methodologies to manage large-scale multi-layered networks and complex datasets. Due to most network costs are sunk costs, the enhanced tariff design focuses on signalling long-term network costs, those that network operators are likely to incur in a future where demand continues to grow, i.e., those that can be reduced or even avoided. On the other hand, long-term costs are usually smaller than sunk costs, hence an additional term, called residual costs, needs to be paid by consumers to achieve the cost recovery objective. In the context of the entire network, consumers and generators need to be grouped into subsystems based on voltage levels. This grouping allows for the calculation of network utilization levels, a framework known as the cascade model. While long-term costs are recovered through energy charges during peak network utilization hours, which are symmetric for both energy injections and withdrawals, residual costs are recovered through a fixed charge without distorting other economic signals. This innovative network tariff structure encourages the shifting of flexible loads to periods of lower demand, aligning the economic incentives for individual users with system benefits. As a result, this approach reduces the need for future network investments. Furthermore, the equitable nature of the proposed tariff establishes a level-playing field for distributed resources that offer flexibility services. Illustrated through the example of Slovenia, this thesis provides a framework worthy of consideration by regulators for implementation in real-world electricity systems. Additionally, this thesis examines the performance of different long-term network tariff designs in a future with many flexible customers who respond to price signals by modifying their consumption patterns. In theory, long-term economic signals balance between flexible consumption and the long-term costs associated with network expansion. Designs of long-term network tariffs with high geographical granularity are studied, which improves the efficiency of cost distribution among users. However, it is observed that when a significant number of users synchronize their responses to ex-ante network charges, the peak-shifting effect occurs, leading to new network peaks that trigger network reinforcements earlier than initially expected. Thus, this thesis demonstrates that the predictability principle, often associated with fairness, could conflict with the principle of economic efficiency in this context. As a solution, ex-post pricing aligns network charges with the gradual growth of network costs over time. To address the lower predictability for users, this thesis proposes an innovative coordination mechanism for user response. This mechanism involves a local network capacity market where users reserve their expected network capacity usage within a competitive framework. A detailed case study is presented, comparing various network tariffs in this context, showing that the application of ex-post tariffs and the proposed mechanism can prevent greater network reinforcements by coordinating user responses. The complexity of the presented tariff structure places retailers and aggregators as key players in the future electricity system, acting as intermediaries to transform complex tariff structures into products tailored to each user's flexibility and risk tolerance.