23-02-2021

Energiesysteemintegratie vraagt om een gecoördineerde planning en marktgebaseerde werking van verschillende energiesystemen "als geheel". Een dergelijke holistische benadering van het energiesysteem, inclusief alle technologieën, is nodig om een kostenefficiënte energietransitie te realiseren en om de veerkracht en veiligheid van toekomstige energiesystemen te garanderen. Om een ​​gecoördineerde werking van die verschillende energiesystemen te garanderen, moet echter rekening gehouden worden met de economische aspecten van de verschillende energievectoren (gas, warmte, elektriciteit, enz.). Momenteel varieert de marktstructuur van deze verschillende energievectoren aanzienlijk. Om het potentieel van energiesysteemintegratie op een globaal niveau te ontsluiten, ontbreken marktgebaseerde coördinatiestructuren. Al valt al wel een trend te zien naar energiesysteemintegratie op lokaal niveau, bv. met de komst van lokale energiegemeenschappen.

Geschreven door Ana Virag, Kris Kessels, en Anubhav Ratha, onderzoekers bij EnergyVille/VITO.


Eerder bespraken we al verschillende trends in elektriciteitssystemen en -markten. In de expert talk over de evolutie van de systeemwerking en de impact op het marktontwerp, werd benadrukt hoe een hogere penetratie van hernieuwbare energie en hogere elektrificatie uitdagingen vormen voor de huidige werking van het elektriciteitssysteem en het marktontwerp. Een recentere expert talk ging over energiegemeenschappen en hun rol in de energietransitie. Deze maand gaan we in op het belang en de uitdagingen bij  de aanpassing van energiemarkten om energiesysteemintegratie, en daarmee ook de energietransitie, te vergemakkelijken.

Wat is energiesysteemintegratie?

Energiesysteemintegratie is de gecoördineerde planning en het marktgebaseerde beheer van verschillende energiesystemen "als geheel"; over meerdere energiedragers, infrastructuren en verbruikssectoren [1] (bv. gas en elektriciteit, maar ook warmte en elektriciteit, enz.). In de afgelopen jaren heeft energiesysteemintegratie veel politieke [1], [2] en wetenschappelijke aandacht [3] gekregen. Volgens de Green Deal [2] wordt energiesysteemintegratie als essentieel beschouwd voor de Europese energietransitie.

Een geïntegreerd energiesysteem met technologische diversiteit en neutraliteit zorgt niet alleen voor een kostenefficiënte overgang naar schone energie, maar garandeert ook de veerkracht en veiligheid van het toekomstig energiesysteem door gebruik te maken van de synergieën en flexibiliteit die tussen de verschillende energiesystemen bestaan, zie bv. Figuur 1.

Een van de zes pijlers van de energiesysteemintegratiestrategie die de Europese Commissie in [1] hanteert, is "Energiemarkten geschikt maken voor de integratie van koolstofarme en gedistribueerde hulpbronnen", in combinatie met "het bevorderen van een gelijk speelveld voor alle energiedragers".

Naar een marktgebaseerde energiesysteemintegratie

Om een ​​gecoördineerde werking van verschillende energiesystemen mogelijk te maken, moet rekening gehouden worden met de economische aspecten van deze energievectoren. Momenteel varieert de marktstructuur van energievectoren aanzienlijk. De gefragmenteerde manier waarop de verschillende energievectoren worden bestuurd, is een van de belangrijkste obstakels voor slimme integratie van energiesystemen.

De markten van de verschillende energiesystemen, zoals warmte, gas en elektriciteit, worden momenteel niet geharmoniseerd of gestructureerd gecoördineerd. De marktontwerpen voor verschillende energiedragers  zou minstens meer gecoördineerd en mogelijks volledig herbekeken moeten worden om een marktgebaseerde energiesysteemintegratie mogelijk te maken. Het bestaan ​​van verschillende verschillende ontwerpen, bijv. voor elektriciteits- en gasmarkten, met verschillende regelgeving, marktconcepten en -rollen, en het gebrek aan flexibele warmtemarkten vormen momenteel een van de belangrijkste belemmeringen voor de energiesysteemintegratie.

Interactie tussen elektriciteits-, gas- en warmtesectoren om de flexibiliteit van de marktgebaseerde coördinatie te benutten

Figuur 1 Interactie tussen elektriciteits-, gas- en warmtesectoren om de flexibiliteit van de marktgebaseerde coördinatie te benutten

Erger nog, ook vanuit andere sectoren komen er marktbelemmeringen voor elektrificatie of flexibiliteit in het elektriciteitssysteem. Hoge nettarieven, belastingen en heffingen op de elektriciteitsprijzen vormen bijvoorbeeld een belemmering voor investeringen in elektriciteitgedreven alternatieven voor industriële processen, verwarming of transport, waardoor een snellere elektrificatie van andere sectoren wordt verhinderd. Ook maken ze businesscases voor conversietechnologieën zoals power-to-gas niet rendabel. Hoge nettarieven, belastingen en heffingen op de elektriciteitsprijzen maken bovendien de energiecomponent van de totale elektriciteitsprijs relatief klein voor de eindgebruiker, waardoor het bieden van flexibiliteit vaak economisch niet aantrekkelijk genoeg is. Een ander voorbeeld: in sommige gevallen wordt bij de consument of een groep industriële verbruikers op een bedrijventerrein de piekafname van elektriciteit in rekening gebracht. Het aanbieden van elektriciteitsflexibiliteitsdiensten zou dergelijke piekbeperkingen gemakkelijk kunnen beperken, waardoor de flexibiliteitswaarde voor de flexibiliteitsleverancier verder afneemt. Als laatste voorbeeld blijkt onvoldoende afstemming tussen netbeheerders ook een belemmering te zijn voor de flexibiliteitsvoorziening, bv. in het geval dat een flexibiliteitsleverancier zich in een congestiegebied bevindt. Een goede coördinatie is nodig tussen distributienetbeheerders en transmissiesysteembeheerders in het elektriciteitssysteem, en ook tussen elektriciteits-, gas- en verwarmings- / koelingsnetbeheerders.

Een marktontwerp ter ondersteuning van energiesysteemintegratie moet het volledige CO2-besparingspotentieel op de meest kostenefficiënte manier ontsluiten van elk van de geïntegreerde energiesystemen, rekening houdend met hun fysieke en operationele kenmerken.

Er zijn verschillende marktgebaseerde coördinatiestructuren mogelijk: van (i) het behouden van de aparte marktontwerpen, met kleine aanpassingen, zoals bv. het afstemmen van de respectievelijke timing van de markten (bv. de momenten op de dag tot wanneer het mogelijk is om de aanbod- of vraagposities van spelers op de markt aan te passen, de zogenaamde gate closure times of de sluitingstijden van de markten) naar bijv (ii) de introductie van financiële instrumenten in verschillende energiesystemen tot (iii) expliciete marktintegratie in termen van gemeenschappelijke marktclearing van verschillende energiesystemen.

Initiatieven

Figuur 1 illustreert vijf mogelijke marktgebaseerde coördinatiestructuren voor het exploiteren van energiesysteemintegratie, met geografische overwegingen [4]. De marktgebaseerde coördinatiestructuren zijn ontwikkeld voor elektriciteits-, gas- en verwarmingssystemen, maar kunnen ook worden gegeneraliseerd voor andere energiesystemen. Ze zijn oorspronkelijk ontwikkeld voor de toekomstige energiemarkten, en niet voor handel in flexibiliteit.

Different market-based coordination structures for energy system integration

Figuur 1 Verschillende marktgebaseerde coördinatiestructuren voor energiesysteemintegratie, bron: [4]

In marktstructuur MS1: separate markt per energiedrager is er geen formeel verband tussen markten in de productomschrijving en/of het marktverrekeningsproces. Gas- en elektriciteitsmarkten worden beschouwd als globale markten en warmtemarkten zijn lokaal. Marktstructuur MS2: een gemengd energiemarktschema met separate en gekoppelde energiedragers is een uitbreiding van het eerste marktsysteem, waarbij marktintegratie op lokaal niveau wordt overwogen (er is bijvoorbeeld een marktgebaseerde coördinatie van verschillende energiesystemen binnen energiegemeenschappen of lokale energiemarkten). Op globaal niveau zijn er enkel gespreide energiemarkten voor elektriciteit en gas.

De derde marktstructuur, MS3: naast elkaar bestaande globaal en lokaal gekoppelde energiemarkten, past marktintegratie van verschillende energiedragers toe op zowel lokaal als globaal niveau. Gas- en elektriciteitsmarkten op globaal niveau zijn ook geïntegreerd in een gemeenschappelijk gekoppelde energiemarkt. MS4: Een lokaal gekoppeld energiemarktsysteem wordt als het meest ontwrichtend beschouwd, aangezien er alleen lokaal gekoppelde markten voor energiedragers zijn (voor warmte, gas en elektriciteit). Ten slotte zijn in de vijfde marktstructuur (MS5: geconsolideerde markt voor alle energiedragers) de energiesysteemmarkten volledig geïntegreerd en beheerd door één enkele operator.

De laatste marktstructuur (MS5) vertegenwoordigt de maatstaf voor marktefficiëntie, aangezien deze zal resulteren in de hoogste maatschappelijke welvaartswaarde. De eerste marktstructuur (MS1) lijkt het meest op de huidige zoals geïmplementeerd in Europa.

Zoals aangegeven in de figuur, kan de energiesysteemintegratie plaatsvinden op verschillende geografische niveaus: globaal (bijv. nationaal of supranationaal) of lokaal (district, stad, regio). De mate van coördinatie kan variëren, niet alleen afhankelijk van het geografische maar ook van het markttijdskader. Voor handel op lange termijn zou er bijvoorbeeld relatief weinig coördinatie tussen de energiesystemen kunnen zijn, terwijl meer coördinatie zou kunnen worden overwogen voor bijvoorbeeld day-ahead handel.

Conclusie

De integratie van verschillende energiemarkten is een uitdaging vanwege de fysieke en economische afhankelijkheden tussen de verschillende energiedragers op verschillende tijdstippen. Dergelijke afhankelijkheden worden momenteel niet in beschouwing genomen in het marktontwerp, maar het is van cruciaal belang om er adequaat rekening mee te houden om het volledige potentieel van energiesysteemintegratie te bereiken.

Hoewel er veel te winnen valt met een marktgebaseerde coördinatie van energiesystemen, zullen alle energiesystemen nodig zijn om de huidige bestuurlijke paradigma's aan te passen en te convergeren naar een marktgebaseerde coördinatie van de verschillende energiesystemen. Het vereist veranderingen in rollen en interacties, introductie van nieuwe rollen en slimme, toekomstgerichte regelgeving.

Bij VITO/EnergyVille hebben we een uitgebreide expertise in energiemarktontwerp, marktmodellering en businessmodelevaluaties voor sectoroverschrijdende integratie en onderzoeken we innovatieve marktconcepten en oplossingen voor dergelijke integratie. Daarnaast hebben we de meest recente kennis in huis van de regelgevende context van de verschillende sectoren. We focussen op verschillende systeemniveaus, van globale markten (over continenten heen) tot lokale markten (bijvoorbeeld op het niveau van een energiegemeenschap die verschillende energievectoren omvat), en ondersteunen verschillende besluitvormers (regelgevers, netbeheerders, overheden, ...) om de energietransitie te versnellen door het huidige marktontwerp te innoveren de knelpunten in de regelgeving in kaart te brengen. Meer weten? Neem gerust contact op met een van de auteurs.

Key takeaways

  • Energiesysteemintegratie is een belangrijke sleutel om de doelstellingen wat betreft decarbonisatie te realiseren.

  • Er zit een meerwaarde in energiesysteemintegratie, in termen van verbeterde kostenefficiëntie en CO2-besparingen, mogelijk gemaakt door de synergieën en flexibiliteit tussen de energiesystemen te benutten, maar er zijn ook nog veel technische, economische, maatschappelijke, regelgevende en praktische open vragen over de juiste marktgebaseerde coördinatie van energiesystemen.

  • Bij onderzoeks-, ontwikkelings- en demonstratieactiviteiten moet meer nadruk gelegd worden op de economische en regelgevingsaspecten van de voorgestelde operationele oplossingen voor de integratie van de energiesector, waarbij moet worden gewerkt aan een meer geharmoniseerde marktgebaseerde werking van het energiesysteem.

  • Energiesysteemintegratie zou al kunnen worden gerealiseerd op lokaal niveau (bijvoorbeeld binnen een energiegemeenschap).

Auteurs

  • Ana Virag is domeinleider voor het onderzoek naar energiemarkten bij VITO en EnergyVille. Ze richt zich op ontwerpen voor de elektriciteitsmarkt en marktcoördinatie voor de integratie van energiesystemen.
  • Kris Kessels is senior onderzoeker binnen het team energiemarkten van VITO en EnergyVille. Ze richt zich voornamelijk op marktontwerpen in een multi-energiecontext en voor netbeheerders.
  • Anubhav Ratha is een doctoraatsstudent aan de Technische Universiteit van Denemarken (DTU) en VITO en werkt rond het thema marktontwerp voor toekomstige geïntegreerde energiesystemen.

Referenties

  • [1] European Commission, “Powering a climate-neutral economy: An EU Strategy for Energy System Integration”, COM(2020) 299, URL: https://ec.europa.eu/energy/sites/ener/files/energy_system_integration_…, last accessed: Nov 2020
  • [2] European Commission, “The European Green Deal, COM(2019) 640”, URL https://eur-lex.europa.eu/resource.html?uri=cellar:b828d165-1c22-11ea-8… last accessed Nov 2020
  • [3] M. O’Malley, B. Kroposki, B. Hannegan, H. Madsen, M. Andersson, W. D’haeseleer, M. F. McGranaghan, C. Dent, G. Strbac, S. Baskaran, and M. Rinker, “Energy systems integration: Defining and describing the value proposition,” Jun. 2016, National Renewable Energy Laboratory, Report NREL/TP-5D00-66616
  • [4] K. Kessels, S.S. Torbaghan, A. Virag, H. Le Cadre, G. Leclercq, P. Sels, M. Madani, "Innovative Market Schemes for Integrated Multi-energy Systems," 2019 16th International Conference on the European Energy Market (EEM), Ljubljana, Slovenia, 2019, pp. 1-6, DOI: 10.1109/EEM.2019.8916382.

 

Ana Virag

Contact

Ana Virag

Research Domain Leader Energy Markets at EnergyVille/VITO
Kris Kessels

Contact

Kris Kessels

Researcher Energy Markets at EnergyVille/VITO
Anubhav Ratha

Contact

Anubhav Ratha

Doctoral student at the Technical University of Denmark (DTU) and VITO