Optimization and game theory methods for smart energy grids
Authors: Στεριώτης Κωνσταντίνος 
Published: November 2022

Τις τελευταίες δεκαετίες, παγκοσμίως έχει αλλάξει ριζικά ο τρόπος που παράγεται, διανέμεται και καταναλώνεται η ηλεκτρική ενέργεια. Αρχικά, η απορρύθμιση του τομέα της ηλεκτρικής ενέργειας με την εισαγωγή ανταγωνιστικών αγορών έχει αλλάξει δραστικά το πλαίσιο λήψης αποφάσεων, τόσο στο στάδιο του σχεδιασμού, όσο και σε αυτό της λειτουργίας των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, η αυξανόμενη διείσδυση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στο μείγμα της ηλεκτροπαραγωγής έχει περιπλέξει σημαντικά το έργο της συνεχούς εξισορρόπησης της παραγωγής με τη ζήτηση και ως εκ τούτου έχει αυξήσει σημαντικά την ανάγκη των Διαχειριστών των Δικτύων Μεταφοράς (ΔΔΜ) για ευελιξία (flexibility). Ακόμα, η συνεχιζόμενη εγκατάσταση μονάδων «πίσω από τον μετρητή» («behind-the-meter»), καθώς και ο εξηλεκτρισμός των τομέων της βιομηχανίας, των μεταφορών και της θέρμανσης/ψύξης, έχουν μετατοπίσει το διαχειριστικό ενδιαφέρον προς τα δίκτυα μέσης και χαμηλής τάσης. Αυτή η εξελισσόμενη αποκεντροποίηση των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας που φέρνει η είσοδος των Κατανεμημένων Πηγών Ενέργειας εισάγει νέες τεχνικές προκλήσεις και για τους Διαχειριστές των Δικτύων Διανομής (ΔΔΔ). Συνεπώς, οι ΔΔΔ θα πρέπει να αναλάβουν έναν πιο ενεργό ρόλο από αυτόν που κατέχουν σήμερα, ο οποίος θα τους επιτρέπει να συνεργάζονται στενά με τον ΔΔΜ και να αποκτήσουν την απαραίτητη ευελιξία ώστε να εξασφαλίσουν την ομαλή και εύρωστη λειτουργία των δικτύων τους. Οι προαναφερθείσες τάσεις που επικρατούν στον σύγχρονο τομέα της ηλεκτρικής ενέργειας, καθιστούν απαραίτητες «από τα κάτω προς τα πάνω» («bottom-up») επενδύσεις σε κατανεμημένες πηγές ενέργειας και ευελιξίας, οι οποίες μπορούν να προσφέρουν χαμηλού κόστους υπηρεσίες στους διαχειριστές των δικτύων μέσω της συμμετοχής τους στις διάφορες αγορές ηλεκτρικής ενέργειας. Για τον σκοπό αυτό, θα πρέπει να σχεδιαστούν πλαίσια συνεργασίας μεταξύ των διαχειριστών των δικτύων (ΔΔΜ-ΔΔΔ) προκειμένου να εξασφαλιστεί η απρόσκοπτη συμμετοχή στις αγορές των κατανεμημένων μονάδων ενέργειας και ευελιξίας. Στο πλαίσιο αυτό, αναδεικνύεται το μοντέλο των Παρόχων Ενεργειακών Υπηρεσιών (ΠΕΥ). Οι ΠΕΥ είναι συμμετέχοντες στις αγορές ηλεκτρικής ενέργειας και κάτοχοι χαρτοφυλακίων που περιλαμβάνουν μονάδες διαφόρων τεχνολογιών, οι οποίοι επιδιώκουν να διασφαλίσουν τη βιωσιμότητα των επενδύσεών τους, παρέχοντας υπηρεσίες ενέργειας και ευελιξίας στου διαχειριστές των δικτύων και στους τελικούς καταναλωτές. Στην παρούσα διατριβή, θεωρούμε ΠΕΥ που αφενός καλύπτουν τη ζήτηση των πελατών τους/τελικών καταναλωτών, και αφετέρου επενδύουν σε χαρτοφυλάκια ποικίλων κατανεμημένων μονάδων ενέργειας και ευελιξίας. Ένας ΠΕΥ προσφέρει ενέργεια και επικουρικές υπηρεσίες (ancillary services) τόσο στον ΔΔΜ όσο και στον ΔΔΔ μέσω της συμμετοχής του στις αντίστοιχες αγορές και της βέλτιστης διαχείρισης του χαρτοφυλακίου του. Για την διασφάλιση της οικονομικής βιωσιμότητας των επενδύσεών του, προτείνουμε αλγοριθμικά εργαλεία που μοντελοποιούν τη διαδικασία λήψης αποφάσεων του ΠΕΥ τόσο στο επενδυτικό όσο και στο λειτουργικό στάδιο. Πιο συγκεκριμένα, προτείνουμε ένα πλαίσιο συνεργασίας μεταξύ ΠΕΥ-ΔΔΔ-ΔΔΜ χρησιμοποιώντας μοντελοποίηση διεπίπεδου προγραμματισμού, εντός του οποίου καθορίζονται οι επενδύσεις λαμβάνοντας υπόψιν τη λειτουργία των δικτύων και το περιβάλλον της αγοράς. Το προτεινόμενο επενδυτικό μας μοντέλο δημιουργεί οφέλη για όλα τα εμπλεκόμενα μέρη. Στη συνέχεια, εξετάζουμε τη στρατηγική του ΠΕΥ όσον αφορά τη συμμετοχή τους στις αγορές σε δύο διαφορετικές περιπτώσεις: ρυθμισμένη και απορρυθμισμένη λειτουργία του δικτύου διανομής. Ειδικότερα στη δεύτερη περίπτωση, προτείνουμε μια καινοτόμα αρχιτεκτονική αγοράς ενέργειας, στην οποία εισάγεται μία αγορά ευελιξίας στο επίπεδο διανομής, η οποία: (1) παρέχει στους ΔΔΔ την ευελιξία που χρειάζονται προκειμένου να διατηρήσουν την ασφαλή λειτουργία των δικτύων τους με το ελάχιστο κόστος, και (2) δημιουργεί νέες ροές εσόδων για της κατανεμημένες μονάδες ενέργειας και ευελιξίας. Και στις δύο περιπτώσεις, χρησιμοποιήσαμε μοντέλα διεπίπεδου προγραμματισμού προκειμένου να μοντελοποιήσουμε τη στρατηγική συμμετοχή του ΠΕΥ σε διάφορες αγορές ηλεκτρικής ενέργειας. Τέλος, προκειμένου να μειωθεί το κόστος ενέργειας του ΠΕΥ που απαιτείται για την κάλυψη της ζήτησης των πελατών του/τελικών καταναλωτών, προτείνουμε έναν καινοτόμο μηχανισμό δίκαιης τιμολόγησης, ο οποίος κινητροδοτεί τους τελικούς καταναλωτές να αλλάξουν καταναλωτική συμπεριφορά και να υιοθετήσουν ενεργειακά αποδοτικές καταναλωτικές συνήθειες.