Distribution Grid Tariff Design - Analysis of the Economic Efficiency of Tariff Structures and Forward-Looking Cost Models

Name: Niels Govaerts

• Prof. dr. ir. Erik Delarue (promotor)
• Prof. dr. ir. Leonardo Meeus (co-promotor)

Een belangrijk kenmerk van de transitie naar een duurzaam energiesysteem is de opkomst van gedistribueerde energiebronnen, bijvoorbeeld zonnepanelen en thuisbatterijen. Residentiële verbruikers zijn niet langer passieve eindgebruikers met een vaste vraag, maar kunnen ook elektriciteit opwekken en opslaan en zo actief deelnemen aan het elektriciteitssysteem. Deze ontwikkeling brengt nieuwe uitdagingen met zich mee voor het ontwerp van distributienettarieven. Traditionele volumetrische tarieven (in €/kWh) weerspiegelen de onderliggende kosten van het distributienet niet, die gedreven worden door de netcapaciteit. Daarom bieden ze geen antwoord op de toenemende piekbelastingen, veroorzaakt door de elektrificatie van verwarming en transport, die kunnen leiden tot aanzienlijke netversterkingen. Gedreven door deze uitdagingen, proberen beleidsmakers de economische efficiëntie van de nettarieven te verhogen. Dit vraagt om tariefstructuren met grotere aandelen vaste en op capaciteit gebaseerde (€/kW) componenten. De economische efficiëntie kan ook verbeterd worden door de netkosten toe te wijzen aan de verschillende componenten van de tariefstructuur op basis van marginale kosten, ter vervanging van de traditionele kostentoewijzing gebaseerd op historische netkosten.

De eerste hoofddoelstelling van dit proefschrift is het onderzoeken van de directe impact van verschillende tariefstructuren op de operationele en investeringsbeslissingen van actieve residentiële netgebruikers, evenals de indirecte impact op passieve netgebruikers en groothandelsmarkten. Hiertoe worden evenwichtsmodellen ontwikkeld. Een eerste gevalstudie illustreert dat verschillende vaste, volumetrische en op capaciteit gebaseerde tarieven leiden tot variërende operationele strategieën voor een thuisbatterij, waardoor actieve netgebruikers kostenbesparingen kunnen realiseren ten koste van passieve netgebruikers. Een tweede gevalstudie toont aan dat, als de groothandelsmarkten van twee landen gekoppeld zijn, het nettarief in het ene land de welvaart en batterij-investeringen in het andere land kunnen beïnvloeden, zowel in positieve als negatieve zin. 

Het tweede hoofddoel van dit proefschrift is het onderzoeken van de kostentoewijzing op basis van marginale kosten, berekend op de lange termijn. We leiden het optimale tarief, dat zich richt op de systeempiek, analytisch af, en tonen daarbij aan dat het afhangt van de betalingsbereidheid bij netgebruikers voor hun piekvraag. Om inzicht te krijgen in de efficiëntie van technische kostenmodellen, die gebruikt worden om de marginale netkosten in de praktijk te schatten, wordt een welvaartsanalyse van de Long-Run Incremental Cost (LRIC) methodologie uitgevoerd. De resultaten laten zien dat LRIC altijd zorgt voor een toename van de welvaart in vergelijking met traditionele historische kostentoewijzing, maar dat de omvang van deze winst afhangt van verschillende systeemkenmerken.

One characteristic of the ongoing transition towards a sustainable energy system is the emergence of distributed energy resources (DERs), e.g., rooftop photovoltaics (PV) and home batteries. Residential consumers are no longer passive end-users with a fixed demand but they can also generate and store electricity, and thereby actively participate in the electricity system. This paradigm shift introduces new challenges for the design of distribution grid tariffs. Traditional volumetric tariffs (in €/kWh) do not reflect the underlying cost of the grid, which is governed by the grid capacity. As such, they do not provide an adequate response to the challenge of increasing peak loads, caused by the electrification of heating and transport, which may require significant grid reinforcements. To address these challenges, policy makers are looking to increase the economic efficiency of distribution tariffs. This requires tariff structures with larger shares of fixed and capacity-based (€/kW) components. Economic efficiency may also be enhanced by adopting marginal cost-based methods to allocate network costs to the tariff structure components, instead of the traditional methods based on historical network costs. 

The first main objective of this dissertation is to investigate the direct impact of different tariff structures on the operational and investment decisions of active residential consumers, as well as the indirect impact on passive consumers and wholesale markets. To this end, equilibrium models are developed. A first case study illustrates that different fixed, volumetric, and capacity-based tariffs induce varying operational schedules of a PV-battery system, thereby enabling active consumers to achieve cost savings at the expense of passive consumers. A second case study demonstrates that the distribution tariff in one country can affect the welfare and PV-battery investments in another country, both positively and negatively, if the wholesale markets of both countries are coupled.

The second main objective of this dissertation is to investigate the gap between the theory and practice of network cost allocation based on long-run marginal costs (LRMC). We analytically derive the optimal coincident peak network tariff, demonstrating that it requires information on the willingness to pay of consumers for their peak demand. To gain insights on the efficiency of forward-looking cost models, which are used to estimate the LRMC in practice, a social welfare analysis of the Long-Run Incremental Cost (LRIC) methodology is performed. The results show that LRIC always achieves a social welfare gain compared to traditional historical cost allocation but that the magnitude of this gain depends on various system characteristics.

• Prof. dr. ir. Erik Delarue (promotor)
• Prof. dr. ir. Leonardo Meeus (co-promotor)
• Prof. dr. ir. Patrick Wollants (voorzitter/chairman)
• Prof. dr. ir. Pieter Vansteenwegen (secretaris/secretary)
• Prof. dr. ir. Geert Deconinck
• Prof. dr. ir. Ronnie Belmans
• Ph.D. Hélène Le Cadre , Vlaams Instituut voor Technologisch Onderzoek (VITO) / EnergyVille
• Prof. dr. Sebastian Schwenen , TechnicalUniversityofMunich