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Research unit
SFOE
Project number
SI/501460
Project title
Nexus-e – The role of flexibility providers in shaping the future energy system

Texts for this project

 GermanFrenchItalianEnglish
Short description
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Schlussbericht
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CategoryText
Short description
(German)
Das Projekt untersucht den wechselseitigen Einfluss von grosstechnologischen sowie kleinen dezentralen Flexibilitätsanbietern bei einem Übergang zu einer nachhaltigen Energieversorgung mittels erneuerbaren Energien bis ins Jahr 2050. Im Zentrum steht die Frage, welche Investitionsanreize in Flexibilitäts-Technologien im Kontext eines Marktdesigns mit Flexibilitätsprodukten bestehen, welche Investitionsentscheidungen getroffen werden und wie diese das Gesamtenergiesystem beeinflussen. Das Projekt ist Teil einer Initiative des Energy Science Centers der ETH Zürich, die die Entwicklung einer integrierten Modellierungsplattform für die Analyse zukünftiger Energiesysteme verfolgt. Ziel der "Nexus modelling Platform" ist die Bereitstellung eines umfassenden und interdisziplinären techno-ökonomischen Analysewerkzeuges, das eine systemische Analyse von Energieangebots und -nachfrage ermöglichen soll.
Short description
(English)

The project will analyse the mutual influences of large scale centralized and small scale decentralized flexibility providers in light of a transition to an energy sector with a high RES share in 2050. The main focus is on how, in a market setup that honours flexibility as a market product, these different flexibility technologies will be deployed (through investment incentives) and how they influence the whole energy system as well as how they influence each other.

This project is part of an initiative of the Energy Science Center to develop an integrated modelling platform for assessing future energy systems. This Nexus Modelling Platform aims to provide a comprehensive technical and economic assessment tool of current and future energy systems.

Schlussbericht
(German)
Politische Veränderungen im Energiesektor haben weitreichende Auswirkungen auf das gesamte Energiesystem und beeinflussen alle Sektoren der Wirtschaft. Aufgrund der hohen Komplexität der Energiewirtschaft, wurden bisher nur wenige Versuche unternommen, die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten dieses Systems zu modellieren. Nexus-e, eine Plattform für die Modellierung von integrierten Energiesystemen, schliesst diese Lücke und schafft einen interdisziplinäre Plattform, in welcher verschiedene Module über klar definierten Schnittstellen miteinander verbunden sind. Dadurch können die Auswirkungen zukünftiger Entwicklungen in der Energiewirtschaft ganzheitlicher analysiert und verstanden werden. Die Nexus-e Plattform ermöglicht die Kombination von „Bottom-Up“ und „Top-Down“ Energiemodellen und ermöglicht es dadurch, einen breiteren Bereich der Energiewirtschaft abzubilden als dies bei traditionellen Modellierungsansätzen der Fall ist. Phase 1 dieses Projekts zielt darauf ab, ein neuartiges Instrument für die Analyse des schweizerischen Elektrizitätssystems zu entwickeln. Um die Möglichkeiten von Nexus-e zu veranschaulichen, untersuchen wir die Frage, wie zentrale und dezentrale Flexibilitätstechnologien im schweizerischen Elektrizitätssystem eingesetzt werden können und wie sie sich auf den traditionellen Betrieb des Energiesystems auswirken würden. Ziel der Analyse ist es nicht Empfehlungen für die Politik zu geben, da einige wichtige Entwicklungen wie das Europäische Netto-Null-Emissionsziel noch nicht in den Szenarien enthalten sind. Vielmehr möchten wir die einzigartigen Fähigkeiten der Modellierungsplattform Nexus-e vorstellen. Um diese Fragen zu beantworten, ist eine konsistente technische Darstellungen aktueller und neuartiger Energieversorgungs-, Nachfrage- und Speichertechnologien, sowie eine gründliche wirtschaftliche Bewertung der verschiedenen Investitionsanreize und der Auswirkungen der Investitionen auf die Gesamtwirtschaft erforderlich. Darüber hinaus müssen diese Aspekte mit der Modellierung der lang- und kurzfristigen Strommarktstrukturen und Stromnetze kombiniert werden. Dieser Report veranschaulicht die Fähigkeiten der Nexus-e Plattform. Die Nexus-e Plattform besteht aus fünf miteinander verknüpften Modulen:
1. Allgemeines Gleichgewichtsmodul für Elektrizität (GemEl): ein Modul zur Darstellung des allgemeinen Gleichgewichts (CGE) der Schweizer Wirtschaft,
2. Investitionsmodul für zentrale Energiesysteme (CentIv): ein Modul zur Planung des netzgebundenen Erzeugungsausbaus (GEP) unter Berücksichtigung der Anforderungen an die Systemflexibilität,
3. Investitionsmodul für dezentrale Energiesysteme (DistIv): ein GEP-Modul für dezentrale Energieerzeugung,
4. Strommarktmodul (eMark): ein marktorientiertes Dispatch-Modul zur Bestimmung von Generator-Produktionsplänen und Strommarktpreisen,
5. Netzsicherheits- und Erweiterungsmodul (Cascades): ein Modul zur Bewertung der Sicherheit des Energiesystems und zur Planung der Erweiterung des Übertragungsnetzes.
Ein Novum der Nexus-e Plattform ist, dass es die Module mit automatisierten Schnittstellen kombiniert, um alle notwendigen Informationen zwischen den Modulen weiterzuleiten. Der Datentransferprozess innerhalb jeder Schnittstelle ist im Code vollständig automatisiert („hard-link“). Die Plattform und die Schnittstellen sind modular konzipiert und können für zukünftige Analysen angepasst werden, zum Beispiel, um verschiedene Kombinationen der Module zu erlauben. Dieser Bericht beinhaltet die Beschreibung und Dokumentation der Schnittstellen und des gesamten Simulationsprozess.
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Schlussbericht
(English)
Policy changes in the energy sector result in wide-ranging implications throughout the entire energy system and influence all sectors of the economy. Due partly to the high complexity of combining separate models, few attempts have been undertaken to model the interactions between the components of the energy-economic system. The Nexus-e Integrated Energy Systems Modeling Platform aims to fill this gap by providing an interdisciplinary framework of modules that are linked through well-defined interfaces to holistically analyze and understand the impacts of future developments in the energy system. This platform combines bottom-up and top-down energy modeling approaches to represent a much broader scope of the energy-economic system than traditional stand-alone modeling approaches. In Phase 1 of this project, the objective is to develop a novel tool for the analysis of the Swiss electricity system. This study illustrates the capabilities of Nexus-e in answering the crucial questions of how centralized and distributed flexibility technologies could be deployed in the Swiss electricity system and how they would impact the traditional operation of the system. The aim of the analysis is not policy advice, as some critical developments like the European net-zero emissions goal are not yet included in the scenarios, but rather to illustrate the unique capabilities of the Nexus-e modeling framework. To answer these questions, consistent technical representations of a wide spectrum of current and novel energy supply, demand, and storage technologies are needed as well as a thorough economic evaluation of different investment incentives and the impact investments have on the wider economy. Moreover, these aspects need to be combined with modeling of the long- and short-term electricity market structures and electricity networks. This report illustrates the capabilities of the Nexus-e platform. The Nexus-e Platform consists of five interlinked modules:
1. General Equilibrium Module for Electricity (GemEl): a computable general equilibrium (CGE) module of the Swiss economy,
2. Centralized Investments Module (CentIv): a grid-constrained generation expansion planning (GEP) module considering system flexibility requirements,
3. Distributed Investments Module (DistIv): a GEP module of distributed energy resources,
4. Electricity Market Module (eMark): a market-based dispatch module for determining generator production schedules and electricity market prices,
5. Network Security and Expansion Module (Cascades): a power system security assessment and transmission system expansion planning module.
A novelty of the Nexus-e platform is that it combines the core modules with automated interfaces to pass all necessary information between modules. The data transfer process within each interface is completely automated in code (hard-linked). The combined process and interfaces are designed to be modular and customizable so that different combinations of modules could be used together in future analyses. This report provides the description and documentation for all the interfaces along with the overall simulation process.
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Schlussbericht
(French)
Les changements de politique dans le secteur de l’énergie ont de vastes répercussions sur l’ensemble du système énergétique et influencent tous les secteurs de l’économie. En partie à cause de la grande complexité de la combinaison de modèles séparés, peu de tentatives ont été entreprises pour modéliser les interactions entre les composantes du système économico-énergétique. La plateforme de modélisation des systèmes énergétiques intégrés Nexus-e vise à combler cette lacune en fournissant un cadre interdisciplinaire de modules qui sont reliés par des interfaces bien définies pour analyser et comprendre de manière holistique l’impact des développements futurs du système énergétique. Cette plateforme combine des approches de modélisation énergétique ascendante et descendante pour représenter un champ d’application beaucoup plus large du système économico-énergétique que les approches de modélisation indépendantes traditionnelles. Dans la phase 1 de ce projet, l’objectif est de développer un nouvel outil pour l’analyse du système électrique suisse. Cette étude sert à illustrer les capabilités de Nexus-e à répondre aux questions cruciales de comment les technologies de flexibilité centralisées et décentralisées pourraient être déployées dans le système électrique suisse et comment elles affecteraient le fonctionnement traditionnel du système. Le but de cette analyse n’est pas d’offrir de conseils politiques, en tant que les scénarios ne considèrent pas des développements critiques comme l’objectif Européen d’atteindre zéro émission nette, mais d’illustrer les capabilités uniques de la plateforme Nexus. Pour répondre à ces questions, des représentations techniques cohérentes d’un large éventail de technologies actuelles et nouvelles d’approvisionnement, de demande et de stockage d’énergie sont nécessaires, ainsi qu’une évaluation économique approfondie des différentes incitations à l’investissement et de l’impact des investissements sur l’économie au sens large. En outre, ces aspects doivent être combinés avec la modélisation des structures du marché de l’électricité et des réseaux d’électricité à long et à court terme. Ce rapport illustre les capacités de la plateforme Nexus-e. La plateforme Nexus-e se compose de cinq modules interconnectés:
1. Module d’équilibre général pour l’électricité (GemEl) : un module d’équilibre général calculable (CGE) de l’économie suisse,
2. Module d’investissements centralisés (CentIv) : un module de planification de l’expansion de la production (GEP) soumise aux contraintes du réseau, qui tient compte des exigences de flexibilité du système,
3. Module d’investissements distribués (DistIv) : un module GEP de la production décentralisée d’énergie,
4. Module du marché de l’électricité (eMark) : un module de répartition basé sur le marché pour déterminer les calendriers de production des producteurs et les prix du marché de l’électricité,
5. Module de sécurité et d’expansion du réseau (Cascades) : un module d’évaluation de la sécurité du système électrique et de planification de l’expansion du système de transmission.
Une nouveauté importante de la plateforme Nexus-e est qu’elle combine les modules de base avec des interfaces automatisées pour transmettre toutes les informations nécessaires entre les modules. Le processus de transfert des données au sein de chaque interface est entièrement automatisé en code (lien physique). Le processus et les interfaces combinés sont conçus pour être modulaires et personnalisables de sorte que différentes combinaisons de modules puissent être utilisées ensemble dans de futures analyses. Le rapport fournit la description et la documentation de toutes les interfaces ainsi que du processus de simulation global.
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