Demand aggregator optimal strategies: from the bidding to the execution

(English) Europe is at the beginning of an energy revolution. The old energy paradigm where centralized power plants provide energy to passive consumers is ending. Distributed renewable energy resources and electrification of mobility, industrial processes or building heating and cooling devices are changing the way in which electricity is produced and consumed. In addition, the current socio-political tensions and the Ukrainian war boosts European countries to reach the energy independency from other regions and from fossil fuels. In this moment, energy is more expensive than ever, and citizens are every time more conscious about environmental issues and desire to be an active part of the revolution. In this context, advances in the IoT allows to gather much more information from devices and allow to control them remotely, although their potential in energy-related topics is still untapped. At the same time, European Directives are incentivizing consumers to play an active role in the electricity system and national regulators are transposing the European Directives to enable consumers to actively participate in electricity markets. However, it is not easy for the System Operator to handle the coexistence of consumers and generators in the same markets’ mechanisms, due to their intrinsic differences. Demand aggregators are the new market actors that promise to put the consumers at the center of the energy system. Demand aggregator’s role is to aggregate, trade, and coordinately manage the flexibility of multiple consumers in electricity markets. Demand-side flexibility is the ability of a consumer to modify its consumption depending on external factors, such as electricity prices or electricity’s grid conditions. However, it is not clear what is the best strategy to adopt for Demand Aggregators. Under this new paradigm, this PhD thesis prospects the optimal strategies of a demand aggregator that manages the flexibility of different types of assets in energy and balancing markets, from the optimal bidding strategies in a day-ahead horizon to the execution and control of the devices in real time. To achieve this main objective, the thesis firstly analyzes the regulation of the four main European balancing markets, with special attention in finding barriers and enablers for a commercial scale development of Demand Aggregators. Once analyzed the framework, the thesis aims to cover the optimal operation of the Demand Aggregator: (1) the thesis explores and proposes three different algorithms to predict the electricity’s consumption of different type of consumers, proposing a methodology to compare them; (2) the work proposes a methodology to predict the flexibility of several type of consumption and allow to trade this flexibility in electricity and balancing markets and (3) the thesis proposes two novel mathematical programming models to allow the participation in the Iberian secondary reserve market and the joint participation in short-term energy and tertiary reserve markets. Results demonstrate the technical and economic viability for Demand Aggregators to participate in the selected markets and the novelty of the proposed methodologies. Further research topics are individuated due to the complexity of the problem, including electricity market’s regulatory issues or economical and physicals restrictions to consider when a change in the consumer’s behavior is needed. Despite the challenging framework, from the algorithms and knowledge developed during this thesis, the author, with its thesis director, funded in 2020 Bamboo Energy. Bamboo Energy is a company created to commercialize the software developed withing this thesis, making demand aggregation a reality in Spain. Consequently, this thesis presents a success story of how what began, more than five years ago, with the initial steps of energy flexibility in a research environment, ended up with a spin-off that tackles real market business on energy management in demand aggregation (Español) Europa está a las puertas de una revolución energética. El antiguo paradigma energético donde las plantas de generación producen energía para los consumidores pasivos está acabando. La penetración de recursos renovables distribuidos y la electrificación de la movilidad, de procesos industriales o los equipos de producción de frio y calor en edificios, va a cambiar la manera en la cual la energía se produce y consuma. La actual situación sociopolítica y la guerra en Ucrania aceleran la necesidad para Europa de poner fin a la dependencia energética de otros países y de los combustibles fósiles. Actualmente, la electricidad es más cara que nunca, y los ciudadanos están más comprometidos con el medio ambiente, queriendo ser una parte activa. En este contexto, los avances en IoT permiten recoger muchos más datos de los equipos y permiten su control remoto, aunque en el campo energético queda mucho recorrido por hacer para aprovechar todo su potencial. Las directivas europeas incentivan los consumidores a tener un rol activo en el sistema eléctrico y los reguladores nacionales están trasponiendo las directivas para permitir a los consumidores participar activamente en los mercados eléctricos. A pesar de esto, no es fácil para los operadores del sistema gestionar la coexistencia de consumidores y generadores en los mismos mercados, debido a sus diferencias intrínsecas. Los agregadores de demanda son la nueva figura del mercado eléctrico que pondrán los consumidores al centro del sistema energético. El rol de los agregadores de demanda es agregar, ofertar, y gestionar la flexibilidad de múltiples consumidores en los mercados eléctricos. La flexibilidad de la demanda es la habilidad de un consumidor de modificar su consumo dependiendo de ciertas situaciones externas, como el precio de la electricidad o necesidades del operador del sistema. Bajo este nuevo paradigma, esta tesis doctoral explora las estrategias optimas de un agregador de demanda que gestiona la flexibilidad de diferentes activos en mercados eléctricos y de flexibilidad, desde la construcción de la oferta hasta la ejecución en tiempo real. Para alcanzar el objetivo, la tesis primero analiza la regulación de cuatro diferentes principales mercados de balance europeos, con el foco en detectar barreras y facilitadores para un desarrollo comercial a grande escala de los agregadores de demanda. Una vez analizado el marco regulatorio, la tesis intenta cubrir las operaciones optimas del agregador de demanda: 1) la tesis explora y propone tres algoritmos para predecir el consumo energético de cuatro tipos de consumidores, proponiendo una metodología para compararlos; 2) el trabajo propone modelos para predecir la flexibilidad de diferentes activos energéticos y para permitir ofertar esta flexibilidad en mercados eléctricos y de balance y 3) la tesis propone dos novedosos modelos de optimización para permitir la participación de consumidores en el mercado de reserva secundaria y la participación combinada en mercados de energía y de reserva terciaria en tiempo real. Los resultados demuestran la viabilidad técnica y económica de la participación de los agregadores de demanda en los mercados analizados y la novedad en las metodologías propuestas. También se identifican diferentes líneas de investigación a futuro, que incluye asuntos regulatorios, restricciones económicas y físicas para tener en cuenta cuando se busca un cambio en el patrón de los consumidores. A partir de los algoritmos y conocimientos desarrollados durante esta tesis, el autor, junto con su directora, fundaron en 2020 BambooEnergy. BambooEnergy es una empresa creada para comercializar el software desarollado durante la tesis, haciendo la agregación de la demanda una realidad en España. Por esta razón, esta tesis presenta una historia de éxito de lo que empezó con los primeros pasos en un entorno de investigación, acabó convirtiéndose en una spin-off disruptiva en el contexto de la gestión de la demanda agregada.