Consequences of demand-side interventions on the operation efficiency of future energy systems

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2019-03-08
Date
2019
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
94 + app. 58
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 32/2019
Abstract
National energy systems are in a state of transition. Electricity and heat generation from renewableenergy sources has increased substantially during the past few years in the European Union (EU).The EU member states project ambitious national targets for higher integration of variablerenewable energy (VRE) within electricity markets in particular. In this dissertation, the consequences of demand-side interventions on the energy system operation are examined. Demand-side interventions are studied in energy systems, where future transition is guided by the climate change mitigation policies for reducing greenhouse gas emissions and increasing the shareof renewable energy sources. First, the impact of stakeholder preferences in the evaluation ofdifferent heating choices for new single-family house in Finland are examined. The decisionproblem was analysed using multicriteria analysis considering different technical, economic,environmental and usability criteria. Since energy systems are being further interconnected in theEU through international power markets, the spatial and temporal variations regarding theenvironmental effects of electricity generation are examined in a national and multinational levelanalysis. The temporal variations in marginal electricity generation implicate that the short-termmarginal cost of production can vary significantly according to the time of the day. This means thatthe true cost of consuming electricity varies also depending of the time of use. In this regard, it isexamined how demand response, in this case temporally available shiftable demand affects theenergy system operation in Finland in future scenarios with increased shares of nuclear power andvariable renewable energy. The results indicate that in power markets that are highlyinterconnected, the effects of different demand-side interventions are not necessarily restricted tothe country (or bidding area) where demand-side intervention is committed. This is because theemissions embodied in electricity or system efficiency gains can leak to the neighbouring countriesas a consequence of electricity exchange. In this case, viewing the effects of demand-sideinterventions from a national perspective may be suboptimal. This study thus suggests that the marginal electricity generation in a multi-region system should be considered. Using the long-term perspective is also recommended when estimating the marginal consequences of a demand-side intervention that will influence the energy system in the long-term. Due to the spatial and temporal variations in marginal electricity generation, taking into account the time-varying nature of marginal emissions is recommended in relevant life cycle assessment studies. This variation was found to increase in the future due to the higher VRE integration. Demand response can be utilised to balance short-term variations in residual demand. However, its potential to facilitate higher integration of VRE can be limited by the technical and economic restrictions that constrain thedemand-side resource capacity utilisation. Demand response can therefore only partially replaceflexible conventional supply technologies in the provision of balancing power and energy.

Kansalliset energiajärjestelmät ovat siirtymävaiheessa. Uusiutuvilla energialähteillä tuotetut sähköja lämpö ovat viime vuosien aikana kasvanut merkittävästi Euroopan Unionin alueella (EU). EU:njäsenvaltiot ovat esittäneet kunnianhimoisia kansallisia tavoitteita vaihtelevien uusiutuvien energialähteiden lisäämiselle erityisesti sähkömarkkinoilla. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan kysyntäjoustotoimenpiteiden vaikutuksia energiajärjestelmän toimintaan. Vaikutuksia tarkastellaan energiajärjestelmissä, joiden muutoksia ohjaavat ilmastonmuutosta hillitsevät politiikkatoimet kasvihuonekaasujen vähentämiseksi ja uusiutuvien energialähteiden lisäämiseksi. Monikriteerianalyysin avulla tutkittiin sidosryhmien preferenssien vaikutuksia kotitalouksien lämmitysvaihtoehtojen arvioinnissa, ottaen huomioon erilaiset tekniset, taloudelliset,ympäristölliset ja käytettävyyskriteerit. Koska energiajärjestelmät integroituvat lisääntyvästiEU:ssa kansainvälisten sähkömarkkinoiden kautta, sähköntuotannon ympäristövaikutustenalueellisia ja ajallisia muutoksia tarkasteltiin kansallisella ja monikansallisella tasolla. Sähkönmarginaalituotannon ajalliset muutokset osoittavat, että lyhyen aikavälin marginaalikustannuksetvoivat vaihdella merkittävästi päivän aikana. Tämä tarkoittaa, että sähkön kulutuksen todellisetkustannukset vaihtelevat myös kulutuksen ajoituksen mukaan. Näin ollen työssä analysoitiin myösajallisesti vaihtelevan kysyntäjouston vaikutuksia energiajärjestelmän toimintaan Suomessatulevaisuuden skenaarioissa, joissa ydinvoiman ja vaihtelevan uusiutuvan energian osuudetlisääntyvät. Saadut tulokset osoittavat, että voimakkaasti toisiinsa integroiduilla sähkömarkkinoilla kysyntäjoustotoimenpiteiden vaikutukset eivät välttämättä rajoitu pelkästään maahan tai hintaalueelle, jossa toimenpide toteutetaan. Tämä johtuu siitä, että sähköntuotannon päästöt tai saavutetut järjestelmähyödyt voivat vuotaa naapurimaihin sähkönsiirron seurauksena. Tässätapauksessa kysyntäjoustotoimenpiteiden vaikutusten tarkastelu kansallisesta näkökulmastasaattaa johtaa epätäydellisiin tulkintoihin. Tämä tutkimus osoittaa siten, että marginaalituotantoa tulisi tarkastella monikansallisesta näkökulmasta. Pitkän aikavälin näkökulma on lisäksi suositeltavaa arvioitaessa kysyntäjoustotoimenpiteiden marginaalivaikutuksia, jotka vaikuttavat energiajärjestelmään pitkällä aikavälillä. Koska sähkön marginaalituotanto voi vaihdella merkittävästi sekä alueellisesti että ajallisesti, on tuotannosta aiheutuvien marginaalipäästöjen ajallinen vaihtelu myös suositeltavaa ottaa huomioon elinkaariarvioineissa. Tämän vaihtelevuuden havaittiin lisääntyvän energiajärjestelmissä vaihtelevan uusiutuvan energian integraation seurauksena. Kysyntäjoustoa voidaan hyödyntää residuaalikysynnän lyhytaikaisten vaihteluiden tasaamisessa. Kuitenkin kysyntäjouston kykyä avustaa vaihtelevan uusiutuvan energian integroimisessa energiajärjestelmään rajoittavat siihen liittyvät tekniset ja taloudelliset rajoitukset, jotka vaikuttavat sen käyttöön. Kysyntäjousto voi siten vain osittain korvata tavanomaisia joustoteknologioita säätömarkkinoilla.
Description
Supervising professor
Syri, Sanna, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Thesis advisor
Syri, Sanna, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Keywords
energy system, marginal emission factor, demand response, renewable energy, energiajärjestelmä, marginaali päästökerroin, kysyntäjousto, uusiutuva energia
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Kontu, Kaisa; Rinne, Samuli; Olkkonen, Ville; Lahdelma, Risto; Salminen, Pekka. Multicriteria evaluation of heating choices for a new sustainable residential area. Energy and Buildings, 2015, volume 93, issue 15, pp. 169-179.
    DOI: 10.1016/j.enbuild.2015.02.003 View at publisher
  • [Publication 2]: Olkkonen, Ville; Syri, Sanna. Spatial and temporal variations of marginal electricity generation: the case of the Finnish, Nordic, and European energy systems up to 2030. Journal of Cleaner Production, 2016, volume 126, issue 10, pp. 515-525.
    DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.03.112 View at publisher
  • [Publication 3]: Olkkonen, Ville; Rinne, Samuli; Hast, Aira; Syri, Sanna. Benefits of DSM measures in the future Finnish energy system. Energy, 2017, volume 137, issue 15, pp. 729-738.
    DOI: 10.1016/j.energy.2017.05.186 View at publisher
  • [Publication 4]: Olkkonen, Ville; Ekström, Jussi; Hast, Aira; Syri, Sanna. Utilising demand response in the future Finnish energy system with increased shares of baseload nuclear power and variable renewable energy. Energy, 2018, volume 164, pp. 204-217.
    DOI: 10.1016/j.energy.2018.08.210 View at publisher
Citation