Demand-Side Flexibility – Enabled and Enhanced by Information Technologies in Current and Future Electricity Systems

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Schott, Paul:
Demand-Side Flexibility – Enabled and Enhanced by Information Technologies in Current and Future Electricity Systems.
Bayreuth , 2021 . - V, 75 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Rechts- und Wirtschaftswissenschaftliche Fakultät)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005794

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Abstract

Renewable energy sources can contribute to the decarbonization of electricity systems around the world. Due to their weather dependency, however, renewables such as photovoltaic and wind power plants generate electricity intermittently. This makes it a challenge to ensure grid stability, i. e., the required balance between electricity generation and consumption. Flexibility options, such as grid flexibility, storage flexibility, supply-side flexibility, and demand-side flexibility, can all play a part in ensuring that this balance is always guaranteed. A particular potential for flexibility, and one that remains largely untapped, lies on the demand side. Therefore, this doctoral thesis examines demand-side flexibility and the ways in which information technologies could enable and indeed enhance the exploitation of demand-side flexibility in current and future electricity systems. First, this doctoral thesis focuses on how these four flexibility options contribute to grid stability. Subsequently, the focus will shift to the demand-side flexibility of companies in the industrial sector and corresponding prerequisites and opportunities to market demand-side flexibility in current electricity systems. In particular, digital flexibility trading platforms offer great potential to enhance the exchange of information between different stakeholders. However, the use of information technologies in the exploitation and automation of demand-side flexibility requires a standardized communication protocol about flexibility. The purpose of this doctoral thesis, then, is to analyze the possibilities to standardize communication of flexibility while taking into account the degrees of freedom as well as the restrictions on flexibility. Despite the great potential for demand-side flexibility, however, several obstacles currently get in the way of companies leveraging this potential. To reduce or indeed remove these obstacles, this doctoral thesis will consider these obstacles and the ways in which they get in the way of companies. Since renewables have also led to increasing decentralization and the corresponding divergence of markets and physics, there have been certain inefficiencies due to corrective measures. With a view to future electricity systems, this doctoral thesis will illustrate possible design options for future electricity markets that account for the rich potential of information technology to exploit demand-side flexibility. This doctoral thesis is a cumulative work that comprises seven research papers. To summarize, it contributes to a better understanding of (industrial) demand-side flexibility by highlighting the extent to which information technologies can enable and indeed enhance new opportunities to make the demand side more flexible and thus contribute to the decarbonization of current and future electricity systems.

Abstract in weiterer Sprache

Erneuerbare Energien können weltweit zur Dekarbonisierung von Stromsystemen beitragen. Jedoch führt die Wetterabhängigkeit von erneuerbaren Energien wie Photovoltaik- und Windenergieanlagen zu einer fluktuierenden Stromeinspeisung. Dies erschwert es, das erforderliche Gleichgewicht zwischen Stromerzeugung und -verbrauch und somit die Versorgungssicherheit aufrecht zu erhalten. Verschiedene Flexibilitätsoptionen, wie Flexibilität durch das Stromnetz, Flexibilität durch Speicher, Angebotsflexibilität und Nachfrageflexibilität können dazu beitragen, diese erforderliche Balance jederzeit sicherzustellen. Dabei weist die Nachfrageseite ein großes, bislang jedoch größtenteils noch nicht erschlossenes, Potenzial auf. Deswegen untersucht diese Dissertation Nachfrageflexibilität in Stromsystemen und der Frage, inwiefern Informationstechnologien die Nutzung von Nachfrageflexibilität in aktuellen und zukünftigen Stromsystemen ermöglichen bzw. verbessern können. Zunächst befasst sich die Dissertation mit dem Beitrag der vier betrachteten Flexibilitätsoptionen zur Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit. Danach fokussiert sich die Arbeit auf die Erbringung von Nachfrageflexibilität durch Unternehmen aus dem Industriesektor sowie entsprechende Voraussetzung und Möglichkeiten zur Vermarktung in aktuellen Stromsystemen. In dieser Hinsicht bieten insbesondere digitale Plattformen großes Potenzial, um den Informationsaustausch zwischen verschiedenen Akteuren zu verbessern. Für die Erschließung und Automatisierung von Nachfrageflexibilität mithilfe von Informationstechnologien bedarf es zudem eines standardisierten Kommunikationsprotokolls für Flexibilität. Demnach analysiert diese Dissertation ein standardisiertes Kommunikationsprotokoll, das sowohl die Freiheitsgrade als auch die Restriktionen von Nachfrageflexibilität berücksichtigt. Ungeachtet des großen Potenzials von Nachfrageflexibilität existieren jedoch momentan verschiedene Hemmnisse, die Unternehmen an der Nutzung von Nachfrageflexibilität hindern. Für einen zielgerichteten Abbau dieser Hemmnisse analysiert die Dissertation, in welcher Art und Weise die Hemmnisse Unternehmen bei der Nutzung von Nachfrageflexibilität einschränken. Der kontinuierliche Ausbau von erneuerbaren Energien geht mit einer Dezentralisierung der Erzeugungsstruktur einher, was zu einer steigenden Divergenz der marktlichen und physikalischen Rahmenbedingungen führt. Diese Divergenz resultiert in Ineffizienzen und dem Bedarf nach korrigierenden Maßnahmen. Daher zeigt diese Dissertation mit Blick auf zukünftige Stromsysteme Ausgestaltungsoptionen auf, welche die umfassenden Einsatzmöglichkeiten von Informationstechnologien zur Hebung der Nachfrageflexibilität berücksichtigen. Diese Dissertation ist eine kumulative Arbeit, die insgesamt sieben Forschungsbeiträge enthält. Zusammenfassend trägt die Dissertation zu einem besseren Verständnis von (industrieller) Nachfrageflexibilität bei, indem sie die Einsatzmöglichkeiten von Informationstechnologien zur Ermöglichung bzw. Verbesserung von Nachfrageflexibilität aufzeigt, sodass die Nachfrageseite in aktuellen und zukünftigen Stromsystemen zur Dekarbonisierung beitragen kann.