Renewable energy communities

When we speak about Energy Communities (ECs) we generally refer to groups of citizens who organize themselves to actively contribute to the energy transition, producing energy and meeting their energy needs through the exploitation of renewable sources. Beyond this, the EU has recently provided formal definitions for the ECs and all the Member States are required to introduce them into their national legislation, ensuring an enabling framework to promote and facilitate their development. These recent innovations have stimulated new interests in methods and models to properly deal with the ECs peculiarities. ECs are not isolated microgrid; the energy produced is shared among the members of the community using the public infrastructure or also exchanged with other actors on the market. Therefore, self-sufficiency is an important aspect but it is not a technical requirement and it is not mandatory to achieve a complete autarky. On the contrary, the optimal planning and operation of an EC are driven by economical evaluations that take into account both energy exchanges among community members and with the external energy system. This thesis provides some elements to investigate benefits and risks correlated to ECs, evaluating the issue from three different perspectives: the one of the EC as a whole, the one of the EC members (i.e. citizens, municipalities and SMEs that participate to the EC), and the one of the system in which they are hosted (i.e the public distribution network). The first part of the thesis concerns the definition of a reference framework, that is composed by a legislative framework and a research one. In the legislative framework, the models of ECs defined in the European Directives are presented and analysed. These are the Renewable Energy Community (REC) and the Citizen Energy Community (CEC). Moreover, a detailed description of the Italian scenario is proposed starting from the historical energy cooperatives to the current process of transposition of the European Directives, and the characteristics of the experimental phase currently ongoing in Italy is analysed. The second element of the reference framework focuses on the ECs state of the art in the scientific literature. This clearly shows that the interest in ECs has grown very fast in recent years, but most of the studies are not yet aligned with the new EU definitions. Some classifications of community-based initiatives are reported and a review of the most interesting research projects currently focusing on ECs is provided. The second part of the thesis deals with methods and models for the analysis of ECs. A model capable to evaluate energy and economical exchanges within a REC is proposed. The peculiarity of the model is the ability to consider separately the self-consumed energy and shared one, to properly evaluate their economic values based on the different tariff structures. The goal of the model is to find the optimal DERs portfolio in terms of installed generators and storage capacity, optimizing the net present value of the EC investment. The proposed model and methodology constitute a tool that supports the EC planning. Then, the issue of benefit distribution among the EC members is addressed. Game theory algorithms are identified as a suitable approach for this purpose. Therefore, some elements from the cooperative and non-cooperative game theory are presented and examples of application in energy sharing situations are considered. The proposed REC model is formalized as a cooperative game, and a two steps distribution rule, based on the Shapley value among clusters of users followed by a proportional allocation, is proposed. The methodology is applied to a real-life case study of EC with more than one hundred members based on the Italian scenario. Finally, changing perspective, the point of view of the distribution system operator is also considered, and the impact that ECs could have on the MV distribution network is tackled. The relationship between distributed generation and EC is discussed and a review of the hosting capacity concept is provided. Then, a methodology based on Monte Carlo simulation is proposed to evaluate the capacity of a network to host new ECs. Two study cases with different characteristics have been built and the procedure is tested on different real-life MV networks.

Quando si parla di Comunità Energetiche (CE) ci si riferisce generalmente a gruppi di cittadini che si organizzano per contribuire attivamente alla transizione energetica, producendo energia da fonti rinnovabili per soddisfare il proprio fabbisogno energetico. L'Unione Europea ha recentemente introdotto delle definizioni formali per le CE, e ha richiesto a tutti gli Stati membri che queste vengano recepite nelle normative nazionali. Queste recenti evoluzioni hanno stimolato un nuovo interesse verso metodi e modelli che possano rappresentare adeguatamente le peculiarità delle CE. Le CE non sono microreti isolate; l'energia prodotta viene condivisa tra i membri della comunità utilizzando la rete di distribuzione pubblica o, in alternativa, può essere scambiata con altri attori sul mercato. Pertanto, sebbene l'autosufficienza sia un aspetto importante, non è motivata da requisiti tecnici e non è necessario raggiungere una completa autarchia. Al contrario, la pianificazione e la gestione di una CE sono guidate da valutazioni economiche che tengono conto sia degli scambi di energia tra i membri della comunità che con il sistema energetico esterno. Questa tesi fornisce alcuni elementi per valutare i benefici e i rischi legati alle CE, valutando la questione da tre diverse prospettive: quella della CE nel suo complesso, quella dei membri della CE (cioè i cittadini, i comuni e le PMI che prendono parte all’iniziativa), e quella del sistema in cui le CE si sviluppano (cioè la rete di distribuzione pubblica). La prima parte della tesi riguarda la definizione di un framework di riferimento, ed è suddivisa in un framework legislativo e in uno di ricerca. Nel framework legislativo, vengono presentati e analizzati i modelli di CE definiti nelle direttive europee. Si tratta della Comunità di Energia Rinnovabili (CER) e della Comunità Energetiche dei Cittadini (CEC). Viene inoltre proposta una descrizione dello scenario italiano a partire dalle cooperative energetiche storiche fino all'attuale processo di recepimento delle direttive europee, e vengono analizzate le caratteristiche della fase sperimentale attualmente in corso. Il secondo elemento del framework di riferimento si concentra sullo stato dell'arte delle CE nella letteratura scientifica. L’analisi mostra chiaramente che l'interesse per le CE è cresciuto rapidamente negli ultimi anni, ma si constata anche che la maggior parte degli studi non risultano ancora allineati alle nuove definizioni UE. Infine, vengono riportate alcune proposte di classificazione per le iniziative di comunità energetiche e viene fornita una rassegna dei progetti di ricerca più interessanti attualmente focalizzati sul tema. La seconda parte della tesi si occupa di metodi e modelli per l'analisi delle CER. Viene proposto e presentato un modello in grado di valutare gli scambi energetici ed economici tra i membri di una CER. La peculiarità del modello è la capacità di considerare separatamente l'energia autoconsumata e quella condivisa, per valutare correttamente i loro valori economici in base alle diverse strutture tariffarie. L'obiettivo è quello di individuare il portafoglio ottimo in termini di generatori installati e capacità di accumulo, ottimizzando il valore attuale netto dell'investimento della CE. Il modello e la metodologia proposti costituiscono uno strumento al supporto della pianificazione della CE. Successivamente, viene affrontato il problema della distribuzione dei benefici ottenuti collettivamente tra i membri della CE, e la teoria dei giochi viene identificata come l'approccio modellistico più adatto a questo scopo. Vengono quindi presentati alcuni elementi della teoria dei giochi cooperativi e non cooperativi e vengono considerati esempi di applicazione in situazioni di condivisione dell'energia. Si configura quindi il modello di CER come un gioco cooperativo, e viene proposta una regola di distribuzione dei benefici basata su due fasi: una suddivisione tra i cluster di utenti basata sul valore di Shapley, seguita da una successiva distribuzione tra i singoli utenti. La metodologia è applicata a un caso di studio di una CE con più di cento membri basato sullo scenario italiano. Infine, cambiando prospettiva, viene considerato anche il punto di vista del distributore, e viene affrontato l'impatto che le CER potrebbero avere sulla rete di distribuzione in media tensione. Viene discussa la relazione tra generazione distribuita e le CE e viene fornita una revisione del concetto di hosting capacity. Quindi, viene proposta una metodologia basata su un approccio Monte Carlo per valutare l'impatto che nuove CER potrebbero avere sulla rete di distribuzione. La procedura è stata testata con due diversi casi studio basati su reti MT reali.