Exploring regulatory designs and product-service offerings to empower end-users and incentivise demand-flexibility: a modelling framework in support to low-carbon energy systems

Abstract

The actions proposed by the European Green Deal aim at increasing the European Union’s climate ambition and are expected to lead to the complete transformation of the current energy system, by investing in feasible and innovative technological options, and by empowering end-users (i.e., citizens and consumers) and including them in the energy transition. In this context, energy system models have been used for policy advice and in policymaking processes in Europe, such as to explore potential energy futures or alternative socio-technical pathways and scenarios.While existing models have provided valuable information about how to make marginal modifications to the current energy system in ways that will reduce costs, and, thereby, enhance economic growth, they were not designed to support the transition to energy systems dominated by intermittent renewable energy sources. Accelerating the energy transition towards climate neutrality by 2050 in Europe requires us to develop a new set of modelling tools, able to represent and analyse the drivers and barriers to complete decarbonisation, including decentralisation, a large-scale expansion of fluctuating renewables-based power leading to a vastly increased need for system-side flexibility, sector coupling, including the electrification of mobility and heating, and the impacts of different market designs on the behaviour of energy sector actors. In addition, without the necessary behavioural and societal transformations, the world faces an inadequate response to the climate crisis challenge. This could result from poor uptake of low-carbon technologies, continued high-carbon intensive lifestyles, or economy-wide rebound effects.In this context, it is important to acknowledge that the shift to a more decentralised vision of a low carbon energy system in Europe, where end-users take ownership of the energy transition, benefit from new technologies to reduce their bills, and actively participate in the market, implies that part of the necessary infrastructure will be only developed if they are willing to invest in the technological capabilities required. However, while technological infrastructure is already available, business models and regulatory innovations are needed in order to find ways to maximise the value of the technological capabilities, as well as to monetise them, to compensate end-users.This doctoral dissertation thesis builds on these insights, and, by developing two new energy system models, contributes to the analysis of innovative regulatory designs and product-service offerings that could incentivise end-users to actively participate in the energy transition and invest in demand flexibility. In particular, the thesis acknowledges the need to improve understanding on how the interactions between the key characteristics of end-users’ behaviour affect investment decisions, and on the specific benefits of different technological capacities for engaging end-users and incentivising household-level changes towards energy autonomy. In this context, the dissertation thesis is structured around three main pillars: (I). In the first pillar, the thesis asks questions of “what,” “how,” and “why,” considering the problem of policy instrument design as a multifaceted problem with different objectives to satisfy instead of just a fixed target. It focuses on the policy landscape of the past (“what”) and “how” this has incentivised end-users so far to participate to the energy transition. This allows to learn from past failures (“why”) by identifying evaluation objectives and criteria that could be used to make better-informed judgments on policy instrument (re)design and selection to, eventually, (re)adjust future planning and decision-making. To this end, an analytical framework that facilitates the systematic exploration of the impact that policy measures have on the electricity system and its components was developed, building on the premise that understanding and quantifying the major monetary flows in the electricity market can contribute to the efficiency assessment of policy interventions, and that assessing how a policy measure affects the performance of the energy market requires the quantification of both the benefits and the costs attributed to it. (II). In the second pillar, the dissertation thesis focuses on the interaction between the policy landscape and end-users, i.e., the technological infrastructure required and its role in empowering end-users to participate more actively to the energy transition. Alternative regulatory designs, which are currently showcased in different geographical and socioeconomic contexts in the EU were considered, to evaluate their potential effectiveness in driving investments in the necessary technological infrastructure. Considering that people and their social interactions greatly influence the diffusion and use of technology and further shape overall technological transition dynamics, investment criteria, and different decision-making behaviours were also explored, since many technical innovations and public policies often fail because they do not sufficiently consider what matters to people (i.e., the motivating factors shaping their adoption preferences). To do so, a new energy system model, the Agent-based Technology adOption Model (ATOM), was developed, which, apart from exploring the expected effectiveness of technology adoption under regulatory designs of interest, allows to consider and explicitly quantify the uncertainties that are related to agents’ preferences and decision-making criteria (i.e., behavioural uncertainty). (III). In the third pillar, the approach of the two previous pillars is expanded by focusing on the end-users’ perspective. The main premise is that, in order for end-users to have a more active participation to the energy transition, they first need to become more aware of the benefits from investing in new technological capabilities. While technological infrastructure is often available, business models and regulatory innovations are needed to find ways to maximise the value of these technological capabilities, as well as to monetise them, to compensate end-users. To this end, “game changer” business models in terms of different configurations of innovative product-service offerings, which could incentivise end-users to invest in demand flexibility, were evaluated. In addition, market-oriented regulatory designs, which eliminate aspects of subsidisation and implement more advanced market rules that could affect the behaviour and consumption patterns of end-users were explored. To do so, a fully integrated dynamic high-resolution model embodying key features that are not found together in existing demand-side management models was developed. In particular, the hybrid bottom-up Dynamic high-Resolution dEmand-sidE Management (DREEM) model combines key features of both statistical and engineering models and serves as an entry point in demand-side management modelling in the building sector, by expanding the computational capabilities of existing building energy simulation models, to assess the benefits and limitations of demand flexibility for residential end-users.Finally, to test the analytical framework developed under the first pillar, and to demonstrate the usefulness and the applicability of the two new energy system models, this dissertation thesis used as a testing ground the case of Greece. In this context, feasible and robust decarbonisation pathways were developed and agreed with a variety of stakeholders under the European Commission-funded Horizon 2020 projects “CARISMA,” “TRANSrisk,” and “SENTINEL,” which were, then, modelled via the developed agent-based and demand-side management modelling architectures. This enabled to identify not just least-cost pathways, which have traditionally dominated modelling exercises, but rather institutionally and socially preferred, and politically realistic transition pathways, in line with current and increased decarbonisation ambitions.

Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει αναλάβει σταθερά έναν ηγετικό ρόλο στο διεθνές τοπίο χάραξης πολιτικών για το κλίμα και την ενέργεια υιοθετώντας σχετικές στρατηγικές και προωθώντας μια φιλόδοξη «Πράσινη Συμφωνία» για την επίτευξη κλιματικής ουδετερότητας έως το 2050. Αν και ο δρόμος προς την κλιματική ουδετερότητα είναι μακρινός και γεμάτος αβεβαιότητες, οι αποφάσεις είναι επείγουσες: οι υπεύθυνοι χάραξης πολιτικής πρέπει από τώρα να πάρουν τις σωστές αποφάσεις που θα δημιουργήσουν τις κατάλληλες συνθήκες για ενεργειακά συστήματα τα οποία θα βασίζονται σε μεγάλα μερίδια ανανεώσιμων πηγών ενέργειας μέχρι τα μέσα του αιώνα. Οι αποφάσεις αυτές έχουν συνέπειες πολλαπλών διαστάσεων, η αξιολόγηση των οποίων, τόσο σε εθνικό όσο και σε Ευρωπαϊκό επίπεδο, δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί βάσει εμπειρικών/ πειραματικών μεθόδων. Κατά συνέπεια, οι φορείς χάραξης πολιτικών βασίζουν τη διαδικασία λήψης αποφάσεων σε αποτελέσματα και προβλέψεις υπολογιστικών εργαλείων μοντελοποίησης/ προσομοίωσης. Τα υπολογιστικά εργαλεία αυτά μπορούν να υποστηρίξουν το σχεδιασμό πολιτικών προς ένα αβέβαιο μέλλον, ενώ μπορούν, επίσης, να αξιολογήσουν ήδη υπάρχουσες πολιτικές παρέχοντας εμπεριστατωμένη επιχειρηματολογία σχετικά με την αποτελεσματικότητα τους.Οι εξελίξεις στο πεδίο της μοντελοποίησης/ προσομοίωσης ενεργειακών συστημάτων έχουν αδιαμφισβήτητα προχωρήσει πολύ γρήγορα τις τελευταίες δύο δεκαετίες με την αύξηση της λεπτομέρειας απεικόνισης των διάφορων τομέων τελικής κατανάλωσης και του αντίστοιχου χαρτοφυλακίου τεχνολογιών. Παρόλα αυτά, οι συγκεκριμένες εξελίξεις έχουν επιφέρει, παράλληλα, και μία αύξηση της υπολογιστικής πολυπλοκότητας των υπολογιστικών εργαλείων αυτών, τα οποία γίνονται ολοένα και μεγαλύτερα και πιο σύνθετα, παραμένοντας συνεχώς στα όρια αυτού που είναι υπολογιστικά εφικτό. Ωστόσο, δεν είναι ακόμα σαφές εάν τα υφιστάμενα υπολογιστικά εργαλεία μοντελοποίησης/ προσομοίωσης ενεργειακών συστημάτων γίνονται καλύτερα, με την έννοια του αν είναι ικανά να δώσουν απαντήσεις σε όλα τα κρίσιμα θέματα του ενεργειακού σχεδιασμού στο δρόμο προς την κλιματική ουδετερότητα του 2050, με τρόπο ο οποίος θα είναι χρήσιμος για τους τελικούς χρήστες των αποτελεσμάτων τους.Ένα από τα μεγαλύτερα μειονεκτήματα των υφιστάμενων εργαλείων είναι ότι εστιάζουν περισσότερο στο κομμάτι της προσφοράς ενέργειας, ενώ η πλευρά της ζήτησης παραμένει ελλιπώς εκπροσωπούμενη, εστιάζοντας κυρίως σε σενάρια βελτίωσης της ενεργειακής εξοικονόμησης. Επιπρόσθετα, η ανάγκη για διεπιστημονικότητα επιτάσσει όχι μόνο τη διερεύνηση του “τι”, αλλά και την αξιολόγηση της σκοπιμότητας και της επιθυμητότητας, από την άποψη του “πότε”, του “πού”, και, ιδιαίτερα, του για “ποιον.” Χωρίς τους απαραίτητους μετασχηματισμούς συμπεριφοράς των κοινωνικών υποδομών, ο κόσμος αντιμετωπίζει μια ανεπαρκή απάντηση στην πρόκληση της κλιματικής αλλαγής. Λαμβάνοντας υπόψιν ότι οι συμπεριφορικοί μετασχηματισμοί θα ξεκινήσουν από τον τομέα της ζήτησης, μιας και εκεί οι τελικοί χρήστες/ καταναλωτές έχουν πιο άμεσο ρόλο, χρειαζόμαστε ένα ολιστικό πλαίσιο διεπιστημονικότητας για την επαρκή μοντελοποίηση/ προσομοίωση του ρόλου και της επίδρασης των ανθρώπινων επιλογών στη μετάβαση προς οικονομίες/ κοινωνίες χαμηλών εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα, ξεκινώντας από τις επιθυμίες των ατόμων και αναλύοντας επαρκώς το “πώς” αυτά αλληλοεπιδρούν με το ενεργειακό και οικονομικό τοπίο, οδηγώντας σε συστημική αλλαγή σε μάκρο-επίπεδο.Σε αυτό το πλαίσιο, προκύπτει η ανάγκη βελτίωσης των υφιστάμενων υπολογιστικών εργαλείων μοντελοποίησης/ προσομοίωσης ενεργειακών συστημάτων, καθώς επίσης η ανάπτυξη νέων που θα αποσκοπούν στην περαιτέρω διερεύνηση ακραίων σεναρίων ενεργειακής μετάβασης και καινοτόμων ερευνητικών ερωτήσεων που αφορούν όλο το φάσμα της ενεργειακής βιωσιμότητας. Τα υπολογιστικά εργαλεία νέας γενιάς θα πρέπει να στοχεύουν στην απλή και κατανοητή αναπαράσταση των υπό μελέτη συστημάτων, καθώς επίσης και στον αρθρωτό τρόπο περαιτέρω ανάπτυξης/ εφαρμογής τους, ώστε να επιτρέπεται η εύκολη διασύνδεσή τους με άλλα πιο εξειδικευμένα εργαλεία. Με αυτό τον τρόπο θα είναι εφικτή η διερεύνηση πρόσθετων ερευνητικών ερωτημάτων της ενεργειακής μετάβασης, προσφέροντας πιο εύρωστη και απτή υποστήριξη στους διάφορους τελικούς χρήστες και ενδιαφερόμενα μέρη. Επίσης, η επίλυση θεμάτων διαφάνειας και ανοιχτής πρόσβασης είναι ζωτικής σημασίας, επίσης, ιδιαίτερα στα πλαίσια προώθησης ενός εποικοδομητικού διαλόγου κατά τη διαδικασία χάραξης πολιτικών και λήψης αποφάσεων.Λαμβάνοντας υπόψιν τα άνωθεν, είναι απαραίτητο να διευρύνουμε το πεδίο εφαρμογής των υπολογιστικών εργαλείων μοντελοποίησης/ προσομοίωσης ενεργειακών συστημάτων σε ζητήματα διαχείρισης της ενεργειακής ζήτησης και επίτευξης ευελιξίας, ενσωματώνοντας παράλληλα πτυχές που αφορούν τη (επενδυτική) συμπεριφορά των τελικών χρηστών/ καταναλωτών, ώστε να επιτευχθεί ο σχεδιασμός των κατάλληλων πολιτικών που θα επιτρέψουν στους τελικούς χρήστες/ καταναλωτές να συμμετέχουν πιο ενεργά στην επικείμενη ενεργειακή μετάβαση, καθώς, επίσης, και να αξιολογηθεί επαρκώς το απαραίτητο χαρτοφυλάκιο τεχνολογιών ενεργειακής μετάβασης.Σε αυτό το πλαίσιο, αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων μοντελοποίησης/ προσομοίωσης ενεργειακών συστημάτων που εστιάζουν στο ρεαλιστικό σχεδιασμό, και στην ανάπτυξη και εφαρμογή καινοτόμων ρυθμιστικών πλαισίων και προϊόντων/ υπηρεσιών για την ενδυνάμωση του ρόλου των τελικών χρηστών/ καταναλωτών στην ενεργειακή μετάβαση και στην παροχή κινήτρων με σκοπό την αύξηση της ευελιξίας της ζήτησης. Οι δομές μοντελοποίησης που αναπτύχθηκαν βελτιώνουν τα υφιστάμενα υπολογιστικά εργαλεία προσομοίωσης μοντελοποιώντας επαρκώς τα χαρακτηριστικά του προβλήματος, και υποστηρίζοντας τη διαδικασία λήψης αποφάσεων των εθνικών φορέων χάραξης πολιτικής για το σχεδιασμό αποτελεσματικότερων εργαλείων πολιτικής στα πλαίσια επίτευξης των κλιματικών και ενεργειακών στόχων.Μέσω μιας εμπεριστατωμένης ανάλυσης όλων των παραμέτρων του προβλήματος και της ανάπτυξης μίας βάσης τεκμηρίωσης, αναπτύχθηκαν πιο ρεαλιστικά και διαφανή υπολογιστικά εργαλεία μοντελοποίησης, εστιάζοντας στην αρθρωτή δομή ανάπτυξης και εφαρμογής, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να προσομοιώσουν διάφορες πτυχές του ενεργειακού συστήματος και να εξερευνήσουν/ αξιολογήσουν τη σχέση κόστους-οφέλους υπαρχόντων αλλά και καινοτόμων ρυθμιστικών πλαισίων, προϊόντων και υπηρεσιών για όλους τους εμπλεκόμενους φορείς. Η διαθεσιμότητα πραγματικών και εθνικά αντιπροσωπευτικών δεδομένων τα οποία συλλέχθηκαν στο πλαίσιο έργων χρηματοδοτούμενων από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή, διαμόρφωσαν το σχεδιασμό του μεθοδολογικού πλαισίου μοντελοποίησης και αποτέλεσαν σημαντικό στοιχείο της προτεινόμενης προσέγγισης καθώς και των αποτελεσμάτων της.Τέλος, η εφαρμογή του προτεινόμενου πλαισίου μοντελοποίησης και προσομοίωσης στην πραγματική μελέτη περίπτωσης του μίγματος των εργαλείων εθνικής πολιτικής, καθώς και των τεχνολογιών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και εξοικονόμησης, στον Ελληνικό οικιακό τομέα, επέτρεψε την αξιολόγηση της πληρότητας και της αξιοπιστίας των αποτελεσμάτων που παρέχει η προτεινόμενη Διδακτορική Διατριβή. Αυτό επιτεύχθηκε μέσω της ανάπτυξης των πλαισίων μοντελοποίησης/ προσομοίωσης σε στενή συνεργασία με τους εθνικούς φορείς χάραξης πολιτικής και τα ενδιαφερόμενα μέρη του Ελληνικού ενεργειακού συστήματος.