The Digital and Sustainable Transformation of Electricity Systems : Understanding Information Systems Enabled Flexibility

Titelangaben

Körner, Marc-Fabian:
The Digital and Sustainable Transformation of Electricity Systems : Understanding Information Systems Enabled Flexibility.
Bayreuth , 2021 . - vii, 70 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Rechts- und Wirtschaftswissenschaftliche Fakultät)

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Abstract

To mitigate climate change, the world-wide decarbonization of electricity systems is crucial. Against this background, it is necessary to increase the share of renewable energy sources in electricity systems. The corresponding energy transition represents a fundamental transformation of electricity systems. However, an increase in renewable energy sources also poses challenges to electricity grid stability. For example, the feed-in of photovoltaic and wind power plants is intermittent due to inherent weather-dependency, and, because of physical constraints, the electricity grid has to balance supply and demand at all times. Moreover, increasing the (decentralized) feed-in of renewable energy sources might not only result in grid congestion, but could also affect electricity market structures. In this context, discussions on electricity market design attract attention that, in turn, shape electricity systems world-wide. Over the past years, research on Information Systems established the stream of Energy Informatics with the aim of providing applicable and digital solutions to the transformation of electricity systems. To cope with the ongoing transformation of electricity systems, research knows several options to increase electricity systems’ flexibility that are able to account for increasing intermittency on the supply side. In this regard, increasing the flexibility on the demand side through measures of demand response is of particular interest. Therefore, both research and practice consider the important role of Information Systems in enabling and exploiting the potential of flexibility in electricity systems. This thesis presents the most recent insights on the ongoing transformation of electricity systems relating to the integration of renewable energy sources and corresponding discussions on electricity market design, and, more specifically, on electricity pricing regimes. Subsequently, it elaborates on associated digital solutions with respect to Energy Informatics. Moreover, the thesis outlines the need for and describes different options to increase flexibility in electricity systems, and it analyzes – in more detail – the flexibility option of demand response that is applied in various sectors. Finally, the thesis considers recent research on the crucial role of Information Systems in enabling, implementing, and operating flexibility in electricity systems by bi-directional information flows, automated control, optimizations of electricity markets, and digital (market) platforms. Overarching, seven research papers are embedded in this thesis. The thesis contextualizes the research papers’ contributions by disclosing the most recent insights to researchers and practitioners. To summarize, the thesis reflects the transformation of electricity systems world-wide and contributes to an understanding of Information Systems enabled flexibility in electricity systems.

Abstract in weiterer Sprache

Um den Klimawandel abzuschwächen, ist die weltweite Dekarbonisierung der Stromsysteme von entscheidender Bedeutung. Vor diesem Hintergrund ist es notwendig, den Anteil der erneuerbaren Energiequellen in Stromsystemen zu erhöhen. Dabei bedeutet die Energiewende eine tiefgreifende Transformation für Stromsysteme weltweit. Der Ausbau der erneuerbaren Energien birgt hierbei auch Herausforderungen für die Stabilität der Stromnetze. So ist beispielsweise die Einspeisung von Photovoltaik- und Windkraftanlagen aufgrund ihrer inhärenten Wetterabhängigkeit stark schwankend, während im Stromnetz aufgrund physikalischer Gegebenheiten jederzeit ein Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage herrschen muss. Darüber hinaus kann eine verstärkte (dezentrale) Einspeisung von erneuerbaren Energiequellen nicht nur zu einer Überlastung des Netzes führen, sondern auch die Strukturen des Strommarktes beeinträchtigen. In diesem Zusammenhang erhalten Diskussionen über die Gestaltung des Strommarktes erneut Aufmerksamkeit, die ihrerseits wiederum Stromsysteme weltweit beeinflussen. In den letzten Jahren hat sich die Energieinformatik auf dem Gebiet der Wirtschaftsinformatik mit dem Ziel etabliert, anwendbare und digitale Lösungen für die Transformation der Stromsysteme bereitzustellen. Zur Bewältigung der laufenden Transformation der Stromsysteme untersucht die Forschung unter anderem mehrere Optionen zur Erhöhung der Flexibilität in Stromsystemen, die in der Lage sind, zunehmende Schwankungen auf der Angebotsseite zu berücksichtigen. In diesem Zusammenhang ist die Erhöhung der Flexibilität auf der Nachfrageseite durch Maßnahmen der Nachfragesteuerung von besonderem Interesse. In diesem Kontext erkennen sowohl Forschung als auch Praxis die entscheidende Rolle von Informationssystemen für die Erhöhung des Flexibilitätspotenzials in Stromsystemen an. Die Dissertationsschrift stellt neueste Erkenntnisse in Bezug auf die Transformation von Stromsystemen im Zusammenhang mit der Integration erneuerbarer Energiequellen und in Bezug auf entsprechende Diskussionen über das Strommarktdesign, insbesondere bezüglich der Strompreisgestaltung, dar. Anschließend wird auf die damit verbundenen digitalen Lösungen im Bereich der Energieinformatik eingegangen. Darüber hinaus werden in dieser Arbeit die Notwendigkeit und die verschiedenen Optionen zur Erhöhung der Flexibilität in Stromsystemen skizziert und die in verschiedenen Sektoren angewandte Flexibilitätsoption der Nachfrageflexibilität genauer analysiert. Schließlich befasst sich die Arbeit mit den jüngsten Forschungsergebnissen zur entscheidenden Rolle von Informationssystemen für die Ermöglichung, Umsetzung und den Betrieb von Flexibilität in Stromsystemen durch bidirektionale Informationsflüsse, automatisierte Steuerung, Optimierungen der Elektrizitätsmärkte und digitale (Markt-)Plattformen. Übergreifend sind sieben Forschungsarbeiten in die vorliegende Dissertation eingebettet. Die Dissertation kontextualisiert den Beitrag der einzelnen Forschungsarbeiten, indem sie entsprechende Erkenntnisse für sowohl die Forschung als auch für die Praxis hervorhebt. Zusammenfassend zeigt die Dissertation den Wandel von Stromsystemen weltweit auf und trägt zu einem Verständnis der durch Informationssysteme ermöglichten Flexibilität in Stromsystemen bei.