Economic modelling and optimisation of smart grids using demand response techniques

Abstract

Ο τομέας της ενέργειας αντιμετωπίζει μείζονες προκλήσεις που προκύπτουν από την απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας, την τεχνολογική πρόοδο, την ενσωμάτωση των ανανεώσιμων και κατανεμημένων πηγών ενέργειας, οικονομικούς παράγοντες και την συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση στην κατανάλωση ενέργειας στο ευφυές ενεργειακό δίκτυο/πλέγμα (smart grid). Η ανάπτυξη και η εκμετάλλευση των τεχνικών απόκρισης ζήτησης (Demand Response - DR) και ιδιαίτερα τεχνικών αυτοματοποιημένης απόκρισης (Automated Demand Response - ADR) αποτελούν μια ενδιαφέρουσα και υποσχόμενη προσέγγιση για την αντιμετώπιση των αναντιστοιχιών μεταξύ προσφοράς και ζήτησης μέσω της διαμόρφωσης ή περιορισμού των φορτίων κατανάλωσης. Οι τεχνικές απόκρισης ζήτησης αποσκοπούν στην «ανακούφιση» του προβλήματος της αυξημένης ζήτησης σε ώρες αιχμής και στην εξασφάλιση υψηλότερης σταθερότητας του συστήματος, μεταβάλλοντας τη ζήτηση των χρηστών σύμφωνα με τα επίπεδα προσφοράς και τις οικονομικές συνθήκες του ηλεκτρικού δικτύου. Ο σχεδιασμός ενός επιτυχημένου προγράμματος DR εξαρτάται από πολλούς παράγοντες (π.χ. ακρίβεια των προφίλ χρηστών) αλλά κυρίως από την πραγματική μείωση του φορτίου που επιτυγχάνουν οι καταναλωτές. Αυτό σημαίνει ότι τα προγράμματα DR πρέπει να σχεδιάζονται με τέτοιο τρόπο ώστε οι καταναλωτές να παρακινούνται κατάλληλα - είτε με τη βοήθεια σημάτων αυξομείωσης των τιμών είτε μέσω παροχής κινήτρων - για να συμμετέχουν ενεργά στο πρόγραμμα, τροποποιώντας τον συνηθισμένο χρονοπρογραμματισμό της κατανάλωσης τους, προκειμένου να επιτευχθεί μείωση στη ζήτηση κατά τις ώρες αιχμής. Με αυτόν τον τρόπο, οι πάροχοι ενέργειας και οι προμηθευτές λιανικής πώλησης είναι σε θέση να περιορίσουν την παραγωγική τους ικανότητα μέχρι εκείνο το επίπεδο που μπορούν να εξυπηρετήσουν χωρίς να χρειαστεί να ενεργοποιήσουν δαπανηρές και μη φιλικές προς το περιβάλλον γεννήτριες, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την κάλυψη της αυξημένης ζήτησης σε ώρες αιχμής. Ο βασικός στόχος αυτής της διατριβής είναι να συμβάλει στην προαγωγή της, έως τώρα περιορισμένης, υιοθέτησης προγραμμάτων DR με τον καθορισμό αποτελεσματικών κινήτρων DR και αντίστοιχων συμβολαίων που θα συνάπτουν οι χρήστες, συντελώντας έτσι στη δημιουργία ενός κοινωνικοοικονομικά βιώσιμου οικοσυστήματος όπου όλοι οι συμμετέχοντες επωφελούνται και οι οικονομικές και περιβαλλοντικές επιπτώσεις (όπως οι εκπομπές CO2) που προκύπτουν από την αναντιστοιχία μεταξύ προσφοράς και ζήτησης περιορίζονται δραστικά. Για το σκοπό αυτό, αυτή η διατριβή προτείνει μια πλήρη, πρακτική και επιστημονικά τεκμηριωμένη προσέγγιση για το σχεδιασμό αποτελεσματικών προγραμμάτων DR και ADR, τα οποία συνδυάζονται με τα κατάλληλα κίνητρα για τους συμμετέχοντες χρήστες. Η αξιολόγηση των προτεινόμενων μεθόδων γίνεται λαμβάνοντας υπ’ όψιν ατομικά χαρακτηριστικά των χρηστών καθώς και παράγοντες του εξωτερικού περιβάλλοντος, με στόχο να περιοριστεί το επίπεδο ενόχλησης (discomfort) των χρηστών από τις αλλαγές των συνηθειών κατανάλωσής τους. Συνεπώς, η ενεργός συμμετοχή των καταναλωτών μπορεί να επιτευχθεί μέσω κατάλληλων συμβολαίων τα οποία καθορίζονται βάσει και πληροφοριών κατανάλωσης (που αποκτώνται είτε μέσω έξυπνων μετρητών είτε μέσω μεθόδων διαχωρισμού του φορτίου (load disaggregation algorithms)) και εξασφαλίζουν την επιτυχία των προγραμμάτων ADR. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια της διατριβής αυτής προτείνεται αρχικά μια νέα μεθοδολογία για τη χρήση των μετρήσεων ανά οικιακή συσκευή για την ανάπτυξη μιας συνάρτησης χρησιμότητας που αντιπροσωπεύει την συμπεριφορά κατανάλωσης ενός ατομικού καταναλωτή και την αντίστοιχη ζώνη άνεσης. Η συνάρτηση χρησιμότητας χρησιμοποιείται στη συνέχεια για τον καθορισμό των αποτελεσματικών κινήτρων και πολιτικών στόχευσης για τα συμβόλαια ADR που μπορούν να χρησιμοποιήσουν οι πάροχοι ενέργειας και οι προμηθευτές λιανικής πώλησης, για να προσελκύσουν πελάτες σε προγράμματα ADR με έναν οικονομικά αμοιβαία επωφελή τρόπο. Εξετάζονται δύο γενικές περιπτώσεις ως προς τις πληροφορίες που διαθέτει ο πάροχος ενέργειας προκειμένου να αναπτυχθούν και αξιολογηθούν οι μηχανισμοί και τα θεωρητικά υποδείγματα που παρουσιάζονται στη παρούσα διατριβή. Πιο συγκεκριμένα θεωρούνται οι εξής περιπτώσεις: (i) πλήρης διαθεσιμότητα πληροφοριών και (ii) μερική διαθεσιμότητα πληροφοριών. Επιπλέον, εστιάζοντας στα χαρακτηριστικά των χρηστών και τον τρόπο με τον οποίο μπορούν να αξιοποιηθούν για να οδηγήσουν σε μεγαλύτερη αξία για την κοινωνία (μέσω της επιτυχίας των προγραμμάτων DR) ενσωματώνονται συγκεκριμένα συμπεριφορικά χαρακτηριστικά των χρηστών στις συναρτήσεις χρησιμότητας (π.χ. ο βαθμός αλτρουισμού), με στόχο να μελετηθούν οι επιπτώσεις τους στους στόχους των παρόχων προσαρμόζοντας τα προτεινόμενα θεωρητικά μοντέλα. Συγκεκριμένα, λαμβάνονται υπ’ όψη διαφορετικοί τύποι πληθυσμού, δηλαδή είτε μόνο χρήστες που δρουν εντελώς ορθολογικά (rational) είτε συνδυασμός αυτών με αλτρουιστές, οι οποίοι μοντελοποιούνται με τη χρήση βασικών αρχών από τα συμπεριφορικά οικονομικά (Behavioral Economics). Με βάση τα υποδείγματα χρησιμότητας των χρηστών, προτείνεται (για αμφότερες τις περιπτώσεις πλήρους και μερικής πληροφορίας) μια καινοτόμος μέθοδος υπολογισμού των κινήτρων συμμετοχής σε ένα συμβάν DR βάσει της μεγιστοποίησης της καθαρής ωφέλειας που απολαμβάνει ένας χρήστης από την κατανάλωση ενέργειας. Η μέθοδος αυτή συνοδεύεται από δύο πολιτικές που περιορίζουν με διαφορετικό τρόπο την ενόχληση που προκαλείται στους χρήστες λόγω της μείωσης της κατανάλωσης τους κατά τη διάρκεια ενός συμβάντος DR, καθώς και έναν αλγόριθμο επιλογής του συνόλου των χρηστών που θα μετάσχουν στο εκάστοτε συμβάν DR και σύμφωνα με τους όρους που έχουν προκαθοριστεί στα συμβόλαια ADR. Η προσέγγιση υπολογισμού κινήτρων μέσω μεγιστοποίησης της καθαρής ωφέλειας και ο αλγόριθμος επιλογής μπορούν να εφαρμοστούν τόσο σε περιπτώσεις πλήρους όσο και μερικής πληροφόρησης. Προκειμένου να αντικατοπτριστούν οι πραγματικές συνθήκες, όπου ο πάροχος διαθέτει μόνο μερική πληροφόρηση, χρησιμοποιείται μια απλή και ευρέως γνωστή στη βιβλιογραφία τεχνική ομαδοποίησης και κατηγοριοποίησης των χρηστών ώστε να αντιστοιχίζεται μια συνάρτηση χρησιμότητας και σε κάθε χρήστη για τον οποίο δεν διατίθενται λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με την κατανάλωση του και τις προτιμήσεις του. Οι συναρτήσεις αυτές χρησιμοποιούνται στη συνέχεια κατά την εφαρμογή της προσέγγισης υπολογισμού των κινήτρων συμμετοχής σε ένα συμβάν DR βάσει της μεγιστοποίησης της καθαρής ωφέλειας σε συνδυασμό με τις δύο πολιτικές περιορισμού της ενόχλησης του χρήστη από το DR. Η ενεργός συμμετοχή των χρηστών ενθαρρύνεται περαιτέρω προσφέροντας διαφορετικά σενάρια επιλογής συμβολαίων από το σύνολο των προσφερόμενων. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες αξιολογούνται μέσω προσομοιώσεων που χρησιμοποιούν σύνολα πραγματικών μετρήσεων κατανάλωσης (datasets) από δεδομένα διαθέσιμα από πιλοτικά έργα, τα οποία έλαβαν χώρα στην Ινδία και τη Σουηδία, και επεκτείνονται μέσω της δημιουργίας συνθετικών δεδομένων. Ένα από τα βασικά αποτελέσματα είναι ότι η καινοτόμος πολιτική η οποία περιορίζει την ενόχληση του χρήστη όταν συμμετέχει σε ένα συμβάν DR άμεσα μέσω ενός άνω φράγματος που αφορά τη μείωση της χρησιμότητας του και όχι τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας (όπως συνηθίζεται στη βιβλιογραφία) οδηγεί να προσφέρονται συνολικά χαμηλότερα κίνητρα από τον πάροχο ADR προγραμμάτων, καθώς και σε υψηλότερη κοινωνική ευημερία μετά την εφαρμογή των προγραμμάτων, ακόμη και όταν το ποσοστό της επιτρεπόμενης μείωσης της χρησιμότητας είναι πολύ μικρό. Αυτό σημαίνει ότι με πολύ χαμηλή ενόχληση, ο επιθυμητός στόχος του παρόχου μπορεί να επιτευχθεί με οικονομικά πιο αποδοτικό τρόπο όταν εφαρμόζεται η πολιτική αυτή, γιατί επιλέγονται οι χρήστες με την μεγαλύτερη ευελιξία κατανάλωσης. Επιπλέον, όπως αποδεικνύεται στην παρούσα διατριβή, η ομαδοποίηση των χρηστών μέσω τεχνικών εξόρυξης δεδομένων σε περίπτωση μερικής πληροφόρησης αποτελεί πολύ καλή προσέγγιση και μπορεί να οδηγήσει σε παρόμοια αποτελέσματα με εκείνα που επιτυγχάνονται στην περίπτωση της πλήρους πληροφόρησης. Τέλος, με βάση τα κύρια ευρήματα της διατριβής, καταρτίζεται ένα σύνολο οδηγιών που συστήνεται να ακολουθηθούν από τους παρόχους ενέργειας προκειμένου να σχεδιάσουν οικονομικά βιώσιμα προγράμματα DR και ADR.