Energy community impact : a techno-economic approach for the assessment of their feasibility

The energy transition is among the most demanding challenges of this century and is based on a sustainable economy and development where renewable energy plays a key role and there are many actors involved. This is the context were the concept of energy community fits. An energy community consists of a group of entities working together to generate, distribute and share renewable energy. The definition of energy community was first introduced in the Clean Energy for All Europeans package, in the Directive (EU) 2019/944 and in the Directive (EU) 2018/2001 but its implementation has slowed down due to the COVID-19 pandemic and the political, humanitarian, energy and economic crisis into which Italy and the whole of Europe has plunged. However, the circumstances have enhanced the interest in energy democracy and territorial autonomy, confirming the need for radical changes in lifestyles and energy consumptions, and for sustainable and inclusive energy strategies, such as Renewable Energy Communities. Thus, the objective of this research was outlined: to assess whether ECs can support energy security, energy equity and environmental sustainability while being feasible. Energy community feasibility will be assessed from economic, environmental, and social perspectives by applying the integrated model developed in this work. Therefore, the focal points of this work are the economic and environmental aspects and the equity of distribution of the achieved benefits. To this purpose, it was determined to create a techno-economic model of the EC by adopting an integrated approach in order to address the absence of specific models of CEs that integrate multiple configurations and so make it feasible to evaluate their consequences. The thesis gives a general review of the energy community framework in both Europe and Italy with an emphasis on the possible configurations, reward systems, and boundaries. Next it lists current EC models, highlighting the novel characteristics and distinctions of the one produced in this doctorate study while highlighting the features of most interest and the gaps in the existing models. Later, the resources, the methodology, and the characteristics of the proposed model are presented, followed by the Italian case study and the results, the main findings and observations. The peculiarity and novelty of the model is the integration of the following aspects and objectives: (i) operational and expansion capacity optimization with an high resolution; (ii) evaluation of the distribution of the economic revenues among participating members through a fair benefit allocation mechanism; (iii) analysis of the impact of the composition of the energy community, the applied energy tariffs and the economies of scale; (iv) evaluation of demand response strategies and sector coupling on the flexibility, (v) calculation and reduction of emissions. While the work focuses on the Italian context, the methodology is flexible and applicable to different contexts and incentive schemes. Each scenario has unique characteristics; therefore, it is not possible to make general quantitative statements about ECs. However, the results of the analysed case studies have made the comparison among the different configurations of an energy community possible and have identified the mechanisms that deserve more consideration. The DSM's potential for flexibility is remarkable; indeed, the energy community is cost-effective because it allows the consumers to adapt their loads so as to help increase the overall benefit to the community even without installing their own PV system. Ensuring a fairly distributed benefit can guarantee user participation, an economic return and a decrease in environmental impact. In the selected case study, the DSM strategy's deployment reduced the storage system's capacity by around 20%, which resulted in a 2-year reduction in the payback period. Also, sector coupling and a more conscious energy community household composition can also harness the potential of ECs. In addition to residential profiles, the composition was also shown to be pertinent when taking the industrial profile into account. In the case study under investigation, residential homes can install a bigger percentage of PV by boosting their level of self-sufficiency by 18% and transferring any extra energy to a small company. This results in a payback period reduction of 10 years and a more significant emission decrease. The mentioned aspects will influence the optimized technology mix and the energy flows, thus maximizing the profit. The model developed in this work can support investment and community composition planning and it can also contribute to define how the benefits can be fairly distributed and shared. The tool can provide support at this latter stage by evaluating the contribution of participating users and by rewarding behaviour of the most virtuous users, despite this is internally regulated by each renewable energy community.

La transizione energetica è una delle sfide più impegnative di questo secolo e si basa su un'economia e uno sviluppo sostenibili in cui le energie rinnovabili giocano un ruolo fondamentale e gli attori coinvolti sono molteplici. In questo contesto si inserisce il concetto di comunità energetica. Una comunità energetica consiste in un gruppo di soggetti che collaborano per generare, distribuire e condividere energia rinnovabile. La definizione di comunità energetica è stata introdotta per la prima volta nel pacchetto Clean Energy for All Europeans, nella Direttiva (UE) 2019/944 e nella Direttiva (UE) 2018/2001, ma la sua attuazione ha subito un rallentamento a causa della pandemia COVID-19 e della crisi politica, umanitaria, energetica ed economica in cui è precipitata l'Italia e l'intera Europa. Tuttavia, le circostanze hanno rafforzato l'interesse per la democrazia energetica e l'autonomia territoriale, confermando la necessità di cambiamenti radicali negli stili di vita e nei consumi energetici e di strategie energetiche sostenibili e inclusive, come le Comunità per le energie rinnovabili (CE). Si è quindi delineato l'obiettivo di ricerca: valutare se le CE possono garantire la sicurezza energetica, l'equità energetica e la sostenibilità ambientale e se sono fattibili. La fattibilità delle comunità energetiche sarà valutata dal punto di vista economico, ambientale e sociale applicando il modello integrato sviluppato in questo lavoro. Pertanto, gli aspetti principali di questo lavoro sono quelli economici, ambientali e l'equità nella distribuzione dei benefici ottenuti. A tal proposito, si è deciso di creare un modello tecno-economico della CE adottando un approccio integrato, per sopperire all'assenza di modelli specifici di comunità energetica che integrino molteplici configurazioni e rendano così possibile la valutazione dei loro impatti. La tesi fornisce un quadro generale della comunità energetica in Europa e in Italia, con un'enfasi sulle possibili configurazioni, sui sistemi incentivanti e sui vincoli. Sono poi delineati i modelli attuali di CE, evidenziando le caratteristiche e le peculiarità innovative di quello sviluppato in questa tesi di dottorato e sottolineando le caratteristiche di maggiore interesse e le lacune dei modelli esistenti. Successivamente, vengono presentate le fonti, la metodologia e le caratteristiche del modello proposto, seguite dal caso studio italiano e dai risultati, dalle principali conclusioni e osservazioni. La peculiarità e la novità del modello consistono nell'integrazione dei seguenti aspetti e obiettivi: (i) ottimizzazione del dispacciamento dell'energia e della capacità installata in alta risoluzione; (ii) valutazione della distribuzione dei benefici economici tra i membri partecipanti attraverso un meccanismo di allocazione equa; (iii) analisi dell'impatto della composizione della comunità energetica, delle tariffe energetiche applicate e delle economie di scala; (iv) valutazione sulla flessibilità fornita dalle strategie di gestione della domanda (DSM) e dall'accoppiamento settoriale, (v) calcolo e riduzione delle emissioni. Sebbene il lavoro si concentri sul contesto italiano, la metodologia è flessibile e applicabile a contesti e schemi di incentivazione diversi. Ogni scenario ha caratteristiche uniche; pertanto, non è possibile fare affermazioni quantitative generali sulle CE. Tuttavia, i risultati dei casi studio analizzati hanno reso possibile il confronto tra le diverse configurazioni di una comunità energetica e hanno identificato i meccanismi che meritano maggiore considerazione. Il potenziale di flessibilità del DSM è notevole; infatti, la CE è economicamente vantaggiosa in quanto consente ai consumatori di adattare i propri carichi e contribuire ad aumentare il beneficio complessivo per la comunità anche senza installare un impianto fotovoltaico proprio. Assicurare un beneficio equamente distribuito può garantire la partecipazione degli utenti, un ritorno economico e la diminuzione dell'impatto ambientale. Nel caso studio selezionato, l'implementazione della strategia DSM ha ridotto la capacità del sistema di accumulo di circa il 20%, con una conseguente riduzione di 2 anni del Pay Back Period. Anche l'accoppiamento dei settori e una composizione più consapevole della comunità energetica possono contribuire a sfruttare il potenziale della CE. La composizione della CE risulta significativa anche quando ai profili residenziali, si aggiunge quello industriale. Nel caso studio in esame, è risultato conveniente per le abitazioni residenziali installare una percentuale maggiore di fotovoltaico per aumentare del 18% il livello di autosufficienza e trasferendo l'energia extra a una piccola azienda. Questo ha portato ad una riduzione del Pay Back Period di 10 anni e ad una diminuzione più significativa delle emissioni. Gli aspetti citati influenzeranno l’ottimizzazione del mix tecnologico e i flussi di energia, per massimizzare il profitto. Il modello sviluppato in questo lavoro può supportare la pianificazione degli investimenti e della composizione della comunità energetica e può contribuire a definire come distribuire e condividere equamente i benefici ottenuti. Lo strumento può fornire supporto in quest'ultima fase, valutando il contributo dei partecipanti e premiando il comportamento degli utenti più virtuosi, nonostante questo debba essere regolato internamente ad ogni comunità di energia rinnovabile.