The ancillary services are of immanent importance for secure and reliable network operation. As a result of the energy turnaround in Germany, conventional power plant capacities that have so far provided these ancillary services will significantly be reduced. Particularly with regard to frequency control and grid operation, it has already become apparent today that high costs can be expected if current practice and market conditions are maintained. The aim of this thesis is to investigate options for a cost-efficient transformation of the electricity system with a focus on the ancillary services frequency control and grid operation. In a first step, the ancillary services and their development in the recent past is addressed. In a second step, the effects of different cooperation between network operators on network operation are investigated. Here it is shown that in the medium term an intensified cooperation on transmission grid operator level has a positive impact on the operation of the grid. In the long term, it is necessary for distribution system operators to cooperate more closely in order to ensure cost-efficient and secure network operation. In a third step, options for the market design of balancing power markets are examined. The results show that it is necessary to make tendering times more flexible so that renewable energies can participate in the markets and, at the same time, more players can participate in these markets. With these adjustments it is possible to significantly reduce the cost of balancing power to levels below those of 2014. Finally, it is examined which market inefficiencies may occur in more flexible balancing markets due to strategic bidding behavior. Especially in the upward markets it can be seen that increasing market inefficiencies are to be expected, which, however, can be limited by increased international cooperation and the participation of renewable energies.

As the share of weather-dependent renewable electricity production increases, the demand for power system flexibility grows. In the Swedish power system, gas turbines have historically been utilised for back-up power generation. However, these gas turbines traditionally use fossil fuels, which limits their applications given Sweden’s target of net zero emissions of greenhouse gases. With recent technological advancements, fossil-free fuels, such as hydrogen and eMethanol have emerged as promising green alternatives, expanding the potential benefits of gas turbines in a power system. Possible applications include local bottleneck relief, providing grid inertia, voltage regulation, black start capability, and island operation capability. Market-based benefits include generating revenue by participating in both ancillary service markets and electricity markets. The benefits of a fossil-free gas turbine can be particularly valuable for distribution grids in need of strengthening, and where feed-in from the overlying grid is nearing maximum capacity. Therefore, gas turbine manufacturer Siemens Energy, and distribution network owner Mälarenergi, are interested in assessing the benefits that a fossil-free gas turbine can provide to the distribution network in Västerås, Sweden. Grid resilience benefits were evaluated through a literature study, while the market-based revenue potential were estimated using a quantitative bidding model. Included markets are the day-ahead electricity market and the ancillary service markets FCR-D, aFRR and mFRR. The model simulates the markets in 2022-2023 and uses forecasts based on historical data to determine the optimal bidding strategy. The study found that there is a large revenue potential with current fuel and market prices. The most promising configuration is a combination of eMethanol and hydrogen, with a profit potential of 72.6 MSEK/year, or a net present value of 463.2 MSEK. Operating on only hydrogen is also identified as a promising pathway. HVO100 and biomethane are, with current prices, less attractive alternatives. The results are highly sensitive to changes in costs, emphasising the importance of a diverse portfolio of fuels and potential markets for profitability. However, grid resilience benefits provide an incentive to invest in a fossil-free gas turbine, regardless of market-based revenue potential. As a suggested course of action, HVO100 or biomethane can be utilised during a transition period while the technology and infrastructure for hydrogen and eMethanol are being developed. Lastly, other technologies may offer certain services at a competitive cost, but the strength of the gas turbine lies in its extensive range of capabilities. / I samband med att andelen väderberoende förnybar elproduktion ökar, ökar även behovet av flexibilitet i elnätet. I det Svenska elsystemet har gasturbiner länge använts för att bidra med reservkraft. Dessa gasturbiner drivs vanligtvis med fossila bränslen, och således begränsas deras användningsområde av Sveriges ambitioner om nettonollutsläpp av växthusgaser. Närtida teknologiska framsteg har dock öppnat upp för möjligheten att, i allt större utsträckning, använda fossilfria bränslen i gasturbiner. Bland annat har e-Metanol och vätgas identifierats som två lovande alternativ, och med dessa bränslen får gasturbinen ett mycket bredare användningsområde. Möjliga nyttor inkluderar eliminering av lokala flaskhalsar i nätet, tillförsel av rotationsenergi, spänningsreglering, samt tillhandahållande av förmåga till dödnätsstart och ödrift. Därtill finns det en marknadsmässig nytta i att delta på stödtjänst- och elmarknaderna. Tjänsterna som en fossilfri gasturbin kan bidra med är troligtvis av särskilt intresse för distributionsnätsägare vars nät är i behov av förstärkning och där inmatningen från det överliggande nätet allt oftare närmar sig maxgränsen. Således vill gasturbintillverkaren Siemens Energy, tillsammans med distributionsnätsägaren Mälarenergi, utreda vilka nyttor som en fossilfri gasturbin kan bidra med i den svenska staden Västerås distributionsnät. Nyttor kopplade till elnätets motståndskraft utvärderades kvalitativt genom en literaturstudie, medan den marknadsmässiga intäktspotentialen utvärderades med hjälp av en kvantitativ budgivningsmodell. De marknader som inkluderas i studien är spotmarknaden (dagen-före-marknaden) samt stödtjänstmarknaderna FCR-D, aFRR och mFRR. Modellen simulerar marknaderna under perioden 2022-2023, och använder prognoser för att identifiera en optimal budgivningsstrategi, som avgör hur gasturbinen deltar på marknaderna. Studien kom fram till att det finns goda marknadsmässiga intäktsmöjligheter med dagens marknadspriser och bränslepriser. Den mest lovande bränslekonfigurationen är en kombination av e-Metanol och vätgas, med en uppskattad vinstpotential på 72.6 MSEK/år, motsvarande ett nettonuvärde på 463.2 MSEK. Drift på enbart vätgas identifierades också som ett lovande alternativ. Bränslena HVO100 och biometan är med dagens priser mindre lovande alternativ, dock enbart med avseende på den marknadsmässiga potentialen. Resultaten är mycket känsliga för kostnadsförändringar, varför vikten av gasturbinens bränsleflexibilitet och förmåga att delta på ett stort antal marknader bör understrykas. Nyttor kopplade till elnätets motståndskraft skapar dock incitament för en investering oberoende av den marknadsmässiga intäktspotentialen. Ett rekommenderat tillvägagångssätt vid en investering är att använda HVO100 eller biometan som bränsle under en övergångsperiod, i väntan på att teknologin och infrastrukturen för e-Metanol och vätgas utvecklas. I studien konstaterades det att andra teknologier kan erbjuda vissa tjänster till ett konkurrenskraftigt pris. Detta leder till slutsatsen att den fossilfria gasturbinens främsta styrka är en dess stora mångsidighet, snarare än dess enskilda förmågor.

The growing need of grid stability derived from the current energy transition is favouring the expansion of the ancillary services markets. Thanks to their fast response, this situation can be exploited by different kinds of batteries, even by those that were initially designed for a different application. However, each regulation product presents different market rules that are also country dependent. For this reason, it is important to ensure that the batteries in question count on the right characteristics. This project is focused on an energy storage system conceived for a number of applications not including ancillary services. With the aim of determining if that battery could find a new revenue stream in balancing markets, a study of the most relevant frequency markets has been conducted. After identifying those in which the battery could take part according to its technical features, a mathematical model has been developed. The model provides the optimal bidding strategy for the day ahead auctions of the selected markets and the most convenient operational planning for the day of delivery. Thanks to the model, the battery has been proved to be able to make profits from participating in the Swedish Frequency Containment Reserve (FCR) markets while it is not being occupied in its main intended applications. Furthermore, it will be possible to increase those profits by competing in the Swedish Fast Frequency Reserve (FFR) market, once the daily auctions are implemented. / Balanstjänster är en växande marknad i de utvecklade länderna på grund av det växande behovet av nätstabilitet orsakat av den nuvarande energiomställningen. Denna situation kan utnyttjas av olika batterier även de som från början var designade för en annan applikation. Dess natur tillåter en snabb respons som är väsentlig i vissa av de reglerande produkterna och inte lätt att hitta i andra teknologier. Varje regleringsprodukt har dock olika marknadsregler som också är landsberoende. Av denna anledning är det viktigt att säkerställa att batterierna i fråga har rätt egenskaper. Detta projekt är fokuserat på ett energilagringssystem som utvecklats för ett antal applikationer som inte inkluderar balansjänster. I syfte att ta reda på om batteriet kan hitta en ny intäktsström på balansmarknaden har en studie av de mest relevanta frekvensmarknaderna genomförts. Efter att ha identifierat de som batteriet kan delta i enligt dess tekniska egenskaper, har en matematisk modell utvecklats. Modellen ger den optimala budgivningsstrategin för auktionerna för dagen före på de utvalda marknaderna och den mest bekväma operativa planeringen för leveransdagen. Tack vare modellen har batteriet visat sig kunna tjäna pengar på att delta på de svenska FCR-marknaderna medan den inte är sysselsatt med sina huvudsakliga avsedda tillämpningar. Dessutom kommer det att kunna öka dessa vinster i framtiden genom att delta på den svenska FFR-marknaden när de dagen-före auktionerna är genomförda.

En lien étroit avec le projet européen DREAM, le sujet de thèse s’intègre dans les évolutions opérationnelles des réseaux de distribution de demain intégrant de larges quantités d'énergies renouvelables. Un contrôle centralisé de l'ensemble des acteurs est, certes globalement optimal mais complexe et peu fiable. L'étude porte sur la faisabilité d'un contrôle distribué, auto-adaptatif et temps réel des ressources locales et des composants du réseau. La piste principale explorée correspond à des agents autonomes qui peuvent construire des structures collaboratives ad-hoc suivant les besoins du réseau. Ces structures collaboratives adresseront divers modes de fonctionnement, du marché de l'énergie J-1 à infraday au marché d'ajustement (services systèmes) et au contrôle local (fréquence et auto-cicatrisation). / In close relationship with the European project DREAM, this doctoral thesis focus on operational evolutions in tomorrow’s distribution networks wich will integrate a larger amount of distributed renewable resources. A centralized control of all the entities (from controllable loads to embedded generators) is overall optimal but complex and not so reliable. This study addresses the feasibility of a distributed control, autonomous, self-learning and real time operation of local resources and network’s components. The main concern to explore will be the creation of ad-hoc federations of agents that will flexibly adjust their hierarchy to current needs. These collaborative structures will use different coordination strategies ranging from market-based transactions, to balancing optimization market (ancillary services) and to local control (frequency control and self-healing).

The European policy focus on smart grids implies their development as an indispensable part of the future power system. However, the definition of a smart grid is broad and vague, and the actual implementation of a smart grid can differ significantly, depending on the stakeholders involved.This work aims to inform policy makers, the electricity industry and researchers about stakeholder interests and the technical complexities involved by presenting smart grids via a techno-institutional framework. This framework takes account of the technical nature of the electricity transport and supply service as well as the institutional nature of electricity markets, stakeholder perspectives and sector regulation. In addition, this work presents potential revenues resulting from flexibility management in smart grids and proposes a way forward for smart grids and flexibility management in Europe. / <p>QC 20170925</p>

The need for ancillary services is on the rise due to the increasing share of weather-dependent power sources in the electric power system. This master thesis focuses on the Swedish FCR-D Up market. It is a national balancing market for transmission system operator’s procurement of the ancillary service called FCR-D Up, that is the up-regulating frequency containment reserve in case of system disturbances. The FCR-D Up market is undergoing significant changes to adapt to the changing electric power system, which may affect the current market dominance of hydropower suppliers due to the emergence of new suppliers and regulatory changes by the Swedish transmission system operator. This master thesis establishes a conceptual qualitative market development system model for price formation on the FCR-D Up market. The research question addressed is: "What FCR-D Up market developments and regulatory market changes on the supply and demand side respectively are expected in Sweden in the upcoming years, 2024-2026, and how will they affect the market prices?" The research was based on the theoretical concepts of system modeling and price formation, using Soft Systems Methodology. Data was collected from various sources and analysed using CATWOE analysis, Casual Loop Diagram, as well as supply and demand curve model theory. It was concluded that price-influencing market development and regulatory changes are focused on the supply side of the market. These include the market entry of new suppliers, transition to marginal pricing, new technical requirements for market participation and increasing value stacking opportunities for FCR-D Up suppliers on Nord Pool’s electricity markets and the other balancing markets. / Behovet av stödtjänster ökar på grund av den ökande andelen väderberoende kraftkällor i elkraftsystemet. Denna masteruppsats fokuserar på den svenska FCR-D Upp-marknaden. Det är en nationell balansmarknad för transmissionsnätsoperatörens upphandling av den stödtjänst som kallas FCR-D Upp, som är den uppreglerande frekvenskontrollreserven vid störningar i systemet. FCR-D Uppmarknaden genomgår betydande förändringar för att anpassas till det föränderliga elkraftsystemet, vilket kan påverka den nuvarande marknadsdominansen av vattenkraftsleverantörer på grund av tillkomst av nya leverantörer och regulativa marknadsförändringar av transmissionsnätsoperatören. Denna masteruppsats etablerar en konceptuell kvalitativ systemmodell för marknadsutveckling avseende prisbildning på FCR-D Upp-marknaden. Forskningsfrågan är: "Vilken utveckling av FCR-D Upp-marknaden och vilka regulatoriska marknadsförändringar på utbuds- respektive efterfrågesidan förväntas i Sverige under de kommande åren, 2024-2026, och hur kommer de att påverka marknadspriset?". Arbetet baserades på teoretiska koncept kring systemmodellering och prisbildning, med fokus på Soft Systems Methodology. Data samlades in från olika källor och analyserades med hjälp av CATWOE-analys, Casual Loop Diagram samt modellteori för utbuds- och efterfrågekurvor. Slutsatsen var att prisinfluerande marknadsutvecklingar och regulatoriska marknadsförändringar är inriktade på marknadens utbudssida. Det handlar bland annat om nya leverantörers inträde på marknaden, övergången till marginalprissättning, nya tekniska krav för marknadsdeltagande och ökande möjligheter till värdestapling för FCR-D Upp leverantörerpå Nord Pools elmarknader och de andra balansmarknaderna.