Über

Plus-Energie-Regionen (Positive Energy Districts) und Plus-Energie-Nachbarschaften (Postive Energy Neighbourhoods) sind ein integraler Teil eines umfassenden Ansatzes zur nachhaltigen Stadtentwicklung, inklusive Technologie, räumlicher, regulatorischer, finanzieller, rechtlicher, sozialer und wirtschaftlicher Gesichtspunkte bei gleichzeitiger Optimierung dreier Schwerpunkte: Energieeffizienz, Energieflexibilität, und Energieerzeugung in Richtung Autarkie und Überschussproduktion. Richtlinien für die Identifizierung der geografischen und virtuellen Grenzen von PEDs sind aktuell in Diskussion, eine gemeinsame europäische Definition in Vorbereitung.

Ein Referenzrahmen für Plus-Energie-Regionen und -Nachbarschaften ist im Weißbuch „White Paper on PED Reference Framework“ wie folgt geschaffen: Energieeffiziente und energieflexible städtische Gebiete bzw. Gebäudegruppen welche netto null CO2 emittieren und aktiv die jährliche lokale oder regionale Überschussproduktion von erneuerbaren Energiequellen managen. Sie benötigen die Integrierung von verschiedenen Systemen und Infrastrukturbereichen, und die Interaktion zwischen Gebäuden, Nutzern und den regionalen Energie-, Mobilitäts- und ICT-Systemen, bei Sicherung der Energieversorgung und ein gutes Leben für alle im Sinne von sozialer, ökonomischer und umweltrelevanter Nachhaltigkeit.

Der SET-Plan, von der Europäischen Union in 2008 übernommen und im Jahr 2015 überarbeitet, ist ein erster Schritt für die Etablierung einer europäischen Energie-Technologie-Politik, mit dem Ziel die Generierung von Wissen sowie den Transfer und die Übernahme von Technologien zu beschleunigen um Umwelt- und Klimaschutzziele zu erreichen. Der SET Plan fokussiert auf 10 Schwerpunktbereiche, von welchen unter Thema 3.2 über „Smart Cities und Gemeinschaften“ die Planung, Umsetzung und Vervielfältigung von 100 Plus-Energie-Regionen bis 2025 für eine nachhaltige Stadtentwicklung unterstützt. Diese PED/PENs können sowohl neu erschlossene Stadtteile umfassen, sollen aber auch ambitionierte Lösungen für die Stadterneuerung beinhalten.

Es existieren bereits eine Vielzahl an PED-bezogenen Entwicklungen innerhalb der EU. Eine umfassende Zusammenfassung von bestehenden Beispielen von PED-bezogenen Projekten wurde von JPI in 2020 erstellt. Im Rahmen des INTERACT-Projekts werden best-practice Beispiele von existierenden PED Ansätzen in ausgewählten Ländern untersucht und genauso wie Bedürfnisse der Stakeholder in der lokalen Stromversorgung in die Projektergebnisse integriert.

Energie-Gemeinschaften sind eine neue Form einer sozialen Bewegung, welche partizipativere und demokratischere Prozesse im Energiebereich ermöglicht. Energie-Gemeinschaften involvieren Bürger, öffentliche und private Aktoren in verschiedenen gemeinschaftlichen Energieaktionen um Nutzen für die Gemeinschaft und die Umwelt zu schaffen.

Die Definitionen der Energie-Gemeinschaften hat sich mit der Entstehung von zwei Europäischen Richtlinien entwickelt, und zwar mit der Richtlinie über interne Strommärkte (Internal Electricity Market Directive (EU) 2019/944) und der Richtlinie über erneuerbare Energien (Renewable Energy Directive (EU) 2018/2001).

Im November 2016 hat die Europäische Kommissaion vorgeschlagen, die lokalen Energie-Gemeinschaften definiert als “einen Verein, eine Genossenschaft, eine Partnerschaft, eine non-profit Organisation oder eine andere rechtliche Person, welche effektiv von lokalen Aktionären oder Mitgliedern gesteuert wird, in der Regel wert-orientiert und nicht profit-orientiert, eingebunden in verteilte Stromgeneration und in der Leistung von Aktivitäten eines Netzbetreibers, Versorgers oder Aggregators auf lokalem Niveau, auch grenzübergreifend“. Allerdings blieben die Begriffe „lokale Aktionäre“, „lokale Mitglieder“ und „lokales Niveau“ undefiniert.

Fast ein Jahr später, im September 2017, hat der Rat der Europäischen Union den Vorschlag geändert durch die Definition von Energie-Gemeinschaften als “eine rechtliche Person, welche effektiv kontrolliert wird von Aktionären oder Mitgliedern die natürliche Personen sind, lokale öffentliche Körperschaften inklusive Gemeinden, oder Klein- bzw. Mikro-Unternehmen. Zumindest 51% der Aktionäre oder Mitglieder mit Stimmrecht der rechtlichen Person sind natürliche Personen. Energie-Gemeinschaften können sich in der Stromerzeugung, Verteilung, Versorgung, Eigenverbrauch oder Energieeffizienzmaßnahmen engagieren, genauso wie in der Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Quellen, oder der Zurverfügungstellung von anderen Dienstleistungen für ihre Aktionäre oder Mitglieder“. Diese Definition verwässert die geografischen Grenzen der lokalen Energie-Gemeinschaft durch das Erlauben der Teilnahme von nicht-lokalen natürlichen Personen sowie Klein- und Mikrounternehmen in der Energie-Gemeinschaft.

Im April 2019 hat der Rat der Europäischen Union seine Definition der Energie-Gemeinschaft angepasst, indem sie diese auf die regionale Energie-Gemeinschaft umbenannten, welche „eine rechtliche Person ist, die:

a. auf freiwilliger und offener Beteiligung basiert und effektiv durch Mitglieder oder Aktionäre kontrolliert wird, welche natürliche Personen, lokale Behörden inklusive Gemeinden oder Kleinunternehmen sind;

b. als primäre Aufgabe verfolgt, dass ökologischer, ökonomischer oder sozialer Nutzen ihren Mitgliedern bzw. Aktionären bzw. der lokalen Region angeboten wird, wo die regionale Energie-Gemeinschaft operiert, anstatt dass finanzielle Profite generiert werden; und

c. sich in der Erzeugung, inklusive jener von erneuerbaren Quellen, Verteilung, Versorgung, Verbrauch, Aggregierung, Energiespeicherung, Energieeffizienzmaßnahmen, oder Ladedienstleistungen für Elektroautos engagiert, oder andere Energiedienstleistungen für ihre Mitglieder oder Aktionäre zur Verfügung stellt”.

Diese Definition ist auch in der finale Richtlinie (EU) 2019/944 inkludiert, welche aktuell in Kraft ist.

Parallel dazu hat die Europäische Kommission das Konzept der lokalen Energie-Gemeinschaft im November 2016 vorgeschlagen ohne eine präzise Definition zur Verfügung zu stellen. Im Dezember 2018 hat die Richtlinie (EU) 2018/2001, welche aktuell in Kraft ist, die Definition der lokalen Energie-Gemeinschat eingeführt als “eine rechtliche Person

a. welche, in Abstimmung mit dem anwendbaren lokalen Recht, auf offener und freiwilliger Beteiligung basiert, autonom ist, und effektiv kontrolliert wird von Mitgliedern oder Aktionären, welche in der Nähe des Projekts über erneuerbare Energie anstämmig sind, welches die lokale Energie-Gemeinschaft besitzt und entwickelt;

b. von welcher die Aktionäre und Mitglieder natürliche Personen, KMUs oder lokale Behörden (inklusive Gemeinden) sind; und

c. von welcher die primäre Aufgabe ist ökologische, ökonomische oder soziale Gemeinschaftsnutzen für ihre Aktionäre oder Mitglieder oder die lokale Region zur Verfügung zu stellen, wo diese operiert, anstatt das finanzielle Profite generiert werden.”

Die Richtlinie über erneuerbare Energie (EU) 2018/2001 und die Richtlinie über den internen Strommarkt (EU) 2019/944 wurden kürzlich im Rahmen des Clean-Energy-Pakets der Europäischen Kommission übernommen und stellen die aktuellen Rahmenbedingungen und Definitionen von Energie-Gemeinschaften mit einer Unterscheidung zwischen lokalen Energie-Gemeinschaften (Englisch „Renewable Energy Communities (REC)“) und regionalen Energie-Gemeinschaften (Englisch „Citizen Energy Communities (CEC)“).

Die Beteiligung in beiden Arten der Energiegemeinschaften ist generell offen und freiwillig, während das Ziel die zur Verfügungstellung von sozialem, ökonomischem und ökologischem Nutzen für die Gemeinschafts-Mitglieder oder Aktionäre darstellt, anstatt Profite zu generieren. Typische Gemeinschafts-Aufgaben inkludieren Versorgung, Erzeugung, Speicherung, Verteilung, Verbrauch, Teilen und Energie betreffende Dienstleistungen.

Lokale Energie-Gemeinschaften sind geographisch beschränkt und werden in der Nähe der Projekte organisiert, welche die Gemeinschaft besitzt und entwickelt. Natürliche Personen, inklusive Haushalte mit niedrigem Einkommen, lokale Behörden und Klein- und Mittelbetriebe (KMUs) können sich beteiligen. Lokale Energie-Gemeinschaften decken einen weiten Bereich an Aktivitäten ab, welche mit allen Arten von erneuerbarer Energie im Strom- und Heizungsbereich verbunden sind. Sie sind effektiv kontrolliert durch KMUs, und bleiben dabei unabhängig von einzelnen Mitgliedern und anderen traditionellen Marktteilnehmern, die in der Gemeinschaft als Mitglieder oder Aktionäre beteiligt sind.


Regionale Energie-Gemeinschaften 
unterscheiden sich hauptsächlich von den lokalen durch die fehlende geografische Begrenzung, deren Fokus auf den Stromsektor, und deren technologische Neutralität. Alle Akteure können teilnehmen, so lange keine Großbetriebe bzw. Betriebe, deren Hauptaktivität im Energiesektor liegt, Entscheidungskompetenz haben.

Der Hauptantrieb für die Entwicklung von Smart Grids ist der Umwelt- und Klimaschutz, welcher durch die Dekarbonisierung von allen ökonomischen Sektoren erreicht wird. Dieses Ziel führt zu einem signifikanten Anstieg von erneuerbaren Energiequellen. Wegen ihrer unterschiedlichen Einspeiseleistungen sind diese in unterschiedlichen Spannungsebenen ans Stromnetz angeschlossen, wodurch sie radikal die Struktur der Stromerzeugung verändern. Aufgrund dieser Veränderungen kann die traditionelle Architektur des Stromnetzes den heutigen Anforderungen nicht mehr gerecht werden. Neue, ganzheitliche Ansätze entstehen, welche zuverlässig die Bedürfnisse der Smart Grids Ära erfüllen.

Das Stromnetz ist eine physikalische Einheit, welche verschiedene Geräte beinhaltet und von verschiedenen Stakeholdern betrieben wird. Jede Regelungs- oder Steuerungsmaßnahme beeinflusst immer das Verhalten des gesamten Systems. Regelungsansätze, welche keinen ganzheitlichen Ansatz verfolgen, betrachten das System immer aus der Perspektive von einzelnen Akteuren (TSOs, DSOs, und Verbraucher) und optimieren individuelle Funktionalitäten. Damit führen diese zu suboptimalen Lösungen aus globaler Sicht. Die ganzheitliche Architektur ermöglicht den effizienten und sicheren Betrieb des Systems als ein Ganzes.

Eine ganzheitliche Architektur des Stromnetzes ist eine Architektur, in welcher alle relevanten Komponenten des elektrischen Energiesystems in einer einzigen standardisierten Struktur vereint sind. Diese Komponenten umfassen folgendes:

  • Stromerzeuger (unabhängig von der Technologie oder Größe, z.B. große Kraftwerke, verteilte Erzeuger, etc.),
  • Stromspeicher (unabhängig von der Technologie oder Größe, z.B. Pumpspeicherkraftwerke, Batterien, etc.),
  • Stromnetz (unabhängig von der Spannungsebene, also Hochspannungs-, Mittelspannungs- und Niederspannungsnetz),
  • Verbraucher, und
  • der Strommarkt.

Die ganzheitliche Architektur vereinheitlicht alle Interaktionen im Stromnetz selbst, zwischen den Netz-, Erzeuger- und Speicher-Betreibern, Verbrauchern, Prosumern (d.h. Verbraucher, welche einen Teil des Stroms selbst erzeugen, z.B. mittels PV), und dem Markt. Damit wird die Möglichkeit geschaffen diese Interaktionen zu harmonisieren, ohne dabei Datenschutz oder Cybersicherheit zu kompromittieren. Es ermöglicht alle notwendigen Prozesse für einen sicheren, ökonomischen und umweltfreundlichen Betrieb von intelligenten Stromnetzen. Es erlaubt eine klare Beschreibung der Beziehungen zwischen den verschiedenen Akteuren und kreiert die Bedingungen um die aktuelle Umstellungsphase im Stromnetz zu meistern ohne Probleme zu verursachen.

Mehr Information zu diesem Themenbereich kann man im Weißbuch über ganzheitliche Architekturen für das künftige Stromnetz (in Englisch) finden, herausgegeben von der ETIP SNET Arbeitsgruppe über zuverlässige, ökonomische und effiziente Smart-Grid-Systeme in 2020.

Per Definition ist das LINK-Paradigma eine Menge von einem oder mehr elektrischen Geräten (in Englisch „electrical appliances (EIA)“), z.B. ein Teil des Netzes, ein Speichermedium oder eine Erzeugeranlage, dem Regelungsschema (in Englisch „control scheme“) und der Schnittstelle (in Englisch „interface“).


Das LINK-Paradigma wird als ein Instrument verwendet, um die LINK-basierte ganzheitliche Architektur und die LINK-Lösung abzubilden. Es ermöglicht die Modellierung des ganzen Stromnetzes von der Hochspannungsebene bis zur Niederspannungsebene, inklusive der Verbraucher. Es erlaubt die Beschreibung von allen Betriebsprozessen des Stromnetzes, wie z.B. Erzeugungs/Verbrauchs-Ausgleich, Spannungsanalyse, dynamische Sicherheit, Preis- und Notfall-basiertes Demand-Response-Management, etc.

Das LINK-Paradigma ist die Basis des ganzheitlichen, technischen und markt-orientierten Modells von intelligenten Stromnetzen mit einem großen Anteil an verteilten Energiequellen (in Englisch „distributed energy resource (DER)“). Das ganzheitliche technische Modell (die Energie-Versorgungskette, in Englisch „Energy Supply Chain Net”) illustriert die Zusammenstellung der Kettenglieder und deren relative Position im Raum, sowohl vertikal als auch horizontal. Die miteinander verbundenen Hochspannungsnetze (in Englisch „high voltage grids (HVG)“) sind auf der horizontalen Achse angebracht. Diese sind Eigentum der Übertragungsnetzbetreiber (in Englisch „transmission system operators (TSO)“) und werden von ihnen betrieben. Die Mittel- und Niederspannungsnetze (in Englisch „medium and low voltage grids (MVG & LVG)“) sowie das Stromnetz in den Kundenanlagen (in Englisch „customer plant grids (CPG)“) sind an der vertikalen Achse angebracht. Das Mittel- und Niederspannungsnetz ist Eigentum des Netzbetreibers (in Englisch „distribution system operators (DSO)“), und wird von diesem betrieben, während das Verbrauchernetz im Eigentum der Verbraucher steht und von diesen betrieben wird.

Per Definition ist die Energie-Versorgungskette eine Menge von automatisierten Stromnetzen, welche als Glieder einer Kette (bzw. „Links“) betrachtet werden können, die eine flexible und sichere elektrische Verbindung herstellen. Jeder einzelne Link oder jedes Bündel an Links wird unabhängig betrieben und hat vertragliche Vereinbarungen mit den angrenzenden Links bzw. Link-Bündeln.

Das ganzheitliche Modell in Bezug auf den Strommarkt wird vom ganzheitlichen technischen Modell abgeleitet. Der gesamte Strommarkt besteht aus verbundenen Marktbereichen (Bilanzgruppen) in der vertikalen und horizontalen Achse. Die Übertragungsnetzbetreiber (TSOs) operieren auf der horizontalen Achse des Marktmodels, während die Verteilnetzbetreiber (DSOs) auf der vertikalen Achse operieren. In diesem Model interagieren nicht nur die Übertragungsnetzbetreiber direkt mit dem Markt, sondern auch die Verteilnetzbetreiber um eine überlastungsfreie Stromverteilung zu ermöglichen und den Erzeugungs/Verbrauchs-Ausgleich zu übernehmen. Die Eigentümer der verteilten Stromquellen und die Prosumer (Produzenten und Verbraucher von Strom) können ebenfalls entweder direkt am Markt teilnehmen, oder über Aggregatoren wie z.B. Energie-Gemeinschaften. Die Schaffung eines lokalen Strommarktes stimuliert die Angebote im Demand-Response-Prozess und fördert Investitionen in den Regionen der jeweiligen Energie-Gemeinschaften.

Es existieren drei unabhängige große Komponenten des Stromnetzes: Erzeuger, Speicher und das Netz. Diese bilden die drei Eckpfeiler der ganzheitlichen Architektur: Erzeuger-Link, Speicher-Link und Netz-Link. Sie leiten sich vom LINK-Paradigma ab und bestehen daher aus drei konstituierenden Elementen: elektrischen Geräten, Regelungen bzw. Steuerungen, und Schnittstellen.

  • Der Erzeuger-Link ist eine Verbindung von einer stromerzeugenden Produktionseinheit, wie z.B. ein Kraftwerk oder eine Fotovoltaikanlage, dessen primäre Regelung und die Erzeuger-Link-Schnittstelle.
  • Der Speicher-Link ist eine Verbindung von einer Speichereinheit, wie zum Beispiel der Generator von einer Pumpspeicherkraftwerk oder eine Batterie, deren primäre Regelung und die Speicher-Link-Schnittstelle.
  • Der Netz-Link ist eine Verbindung von einem Teil des Stromnetzes, inklusive Kabel, Umspannwerke und Blindleistungsgeräte, deren sekundäre Regelung, und die Netz-Link Schnittstellen.

Die LINK-basierte ganzheitliche Architektur vereint alle relevanten Komponenten des Stromnetzes in eine einheitliche Struktur. Alle Links kommunizieren untereinander durch technische Schnittstellen „T“ und mit dem Markt durch markt-bezogene Schnittstellen „M“, unter Einhaltung von Datenschutz und Cybersicherheit. Haushaltsverbraucher sind zu klein, um direkt am Markt teilnehmen zu können, daher geschieht dies durch einen Aggregator oder eine Energie-Gemeinschaft.

Die verschiedenen Ebenen der LINK Architektur, wie zum Beispiel technisch/funktionell, generalisiert, oder ganzheitlich, sind in dem folgenden, englisch-sprachigen Video beschrieben.

Die LINK-basierte ganzheitliche Architektur unterstützt die Prozesse cross-vector coupling und Endverbraucher sector coupling durch den Speicher-Link. Storage-Link.

Die LINK-basierte ganzheitliche Architektur ermöglicht die Einbettung von Energie-Gemeinschaften und unterstützt damit deren großflächige Verbreitung.

Alle Marktteilnehmer, inklusive Haushaltskunden, welche sich an Energie-Gemeinschaften beteiligen, partizipieren diskriminierungsfrei am Markt. Jeder Marktteilnehmer, wie z.B. Haushaltskunden, Prosumer, Betreiber von verteilten Energiequellen oder Dienstleister, können sich entscheiden, ob sie sich direkt oder über Aggregatoren oder Energie-Gemeinschaften am Markt beteiligen wollen. Alle Netzbetreiber, sowohl vom Übertragungsnetz als auch von den anderen Netzebenen, koordinieren den Markt um ein sicheres und beständiges Funktionieren des Stromnetzes zu garantieren.

Die LINK-basierte ganzheitliche Architektur unterstützt den Preis-basierten Demand Response Prozess, der für die Energie-Gemeinschaften von essenzieller Bedeutung ist. Hier findet man ein kurzes englisches Video mit weiteren Erklärungen.

Positive Energy Districts and Neighbourhoods are an integral part of comprehensive approaches towards sustainable urbanisation including technology, spatial, regulatory, financial, legal, social and economic perspectives while optimizing three key aspects: energy efficiency, energy flexibility and energy production towards climate neutrality and energy surplus. Guidelines for identification of geographic and virtual boundaries of PED are still under discussion.

The reference framework of Positive Energy Districts (PED)/ Positive Energy Neighbourhoods (PEN) is defined in White Paper on PED Reference Framework as energy-efficient and energy-flexible urban areas or groups of connected buildings which produce net zero greenhouse gas emissions and actively manage an annual local or regional surplus production of renewable energy.  They require integration of different systems and infrastructures and interaction between buildings, the users and the regional energy, mobility and ICT systems, while securing the energy supply and a good life for all in line with social, economic and environmental sustainability.

The SET-Plan, adopted by the European Union in 2008 and revised in 2015, is a first step to establish an energy technology policy for Europe, with a goal of accelerating knowledge development, technology transfer and up-take in order to achieve Energy and Climate Change goals. The SET Plan focuses on 10 key actions fields, of which action 3.2 on “Smart Cities and Communities” aims to support the planning, deployment and replication of 100 Positive Energy Districts by 2025 for sustainable urbanisation. Such PED/PENs could be new developments, but should also implement ambitious solutions for urban district renewal.

There are already number of PED-releated developments within EU. A comprehensive summary of real examples of PED related projects was made by JPI in 2020. Within INTERACT project best practices from existing PED/PEN projects in selected countries will be integrated and needs from all stakeholders within the grid respected.

Energy communities are a new form of social movement that allows for more participative and democratic energy processes. Energy communities involve citizens and public and private actors in various collective energy actions to generate benefits for the community and the environment.

The definitions of energy communities evolved in the legislative procedure of two EU directives, i.e. the Internal Electricity Market Directive (EU) 2019/944 and the Renewable Energy Directive (EU) 2018/2001.

In November 2016, the European Commission proposed to define Local Energy Communities as “an association, a cooperative, a partnership, a non-profit organisation or other legal entity which is effectively controlled by local shareholders or members, generally value rather than profit-driven, involved in distributed generation and in performing activities of a distribution system operator, supplier or aggregator at local level, including across borders”. However, the terms “local shareholder”, “local member”, and “local level” remained undefined.

Almost one year later, in September 2017, the Council of the European Union changed the proposal of the European Commission by defining Energy Communities as “a legal entity which is effectively controlled by shareholders or members who are natural persons, local authorities, including municipalities, or small and micro enterprises. At least 51% of the shareholders or members with voting rights of the entity are natural persons. Energy communities can be engaged in electricity generation, distribution and supply, self-consumption, aggregation, storage or energy efficiency services, generation of renewable electricity or provide other service to its shareholders or members”. This definition defuses the geographical limitation of the Local Energy Community by allowing non-local natural persons and small and micro enterprises to participate in the Energy Community.

In April 2019, the Council of the European Union refined its definition by renaming the Energy Community Citizen Energy Community, which is “a legal entity that:

a. is based on voluntary and open participation and is effectively controlled by members or shareholders that are natural persons, local authorities, including municipalities, or small enterprises;

b. has for its primary purpose to provide environmental, economic or social community benefits to its members or shareholders or to the local areas where it operates rather than to generate financial profits; and

c. may engage in generation, including from renewable sources, distribution, supply, consumption, aggregation, energy storage, energy efficiency services or charging services for electric vehicles or provide other energy services to its members or shareholders”.


This definition is included in the final Directive (EU) 2019/944, which is currently in force.

 

In parallel, the European Commission proposed the concept of Renewable Energy Communities in November 2016 without providing a concise definition. In December 2018, the Directive (EU) 2018/2001, which is currently in force, introduced the definition of Renewable Energy Communities as “a legal entity

a. which, in accordance with the applicable national law, is based on open and voluntary participation, is autonomous, and is effectively controlled by members or shareholders that are located in the proximity of the renewable energy projects that are owned and developed by that legal entity;

b. the shareholders or members of which are natural persons, SMEs or local authorities (including municipalities); and

c. the primary purpose of which is to provide environmental, economic or social community benefits to its shareholders or members or for the local areas where it operates, rather than financial profits.”

The Renewable Energy Directive (EU) 2018/2001 and the Internal Electricity Market Directive (EU) 2019/944 recently adopted as part of the European Commission’s Clean Energy Package provide the current definitions of energy communities by distinguishing between Renewable Energy Communities (REC) and Citizen Energy Communities (CEC).

Participation in both types of energy communities is generally open and voluntary, while their purpose is to provide social, economic and environmental benefits to the community members or shareholders rather than profits. Typical community activities include supply, generation, storage, distribution, consumption, sharing, and energy-related services.

Renewable Energy Communities are geographically limited and organised in the proximity of renewable energy projects owned and developed by that community. Natural persons, including low-income and vulnerable households, local authorities and small- and medium-sized enterprises (SME) may participate. RECs cover a broad range of activities referring to all forms of renewable energy in the electricity and heating sector. They are effectively controlled by SMEs while remaining autonomous from individual members and other traditional market actors who participate in the community as members or shareholders.

Citizen Energy Communities mainly differ from the renewable ones by their geographically unlimited character, their focus on the electricity sector, and their technology neutrality. Any actor may participate as long as members or shareholders engaged in large-scale commercial activity and for which the energy sector constitutes a primary area of economic activity do not exercise any decision-making power.

The main driver for the Smart Grid development is environmental protection through the decarbonization of all economic sectors.  This goal leads to a significant increase in renewable energy resources. Having various sizes, they are connected throughout the grid at different voltage levels, thus radically changing the electricity production structure. Because of these changes, the traditional power system architecture can no longer meet the new requirements. Other, novel holistic architectures emerge that reliably meet the Smart Grid’s era needs.

The electric power system is a physical entity that includes various appliances owned and operated by different stakeholders. Each control action always impacts the behaviour of the whole system. Control schemes that do not rely on a holistic approach consider the perspective of individual stakeholders (TSOs, DSOs, and customers) and optimize individual functionalities, thus leading to suboptimal solutions from the global view. The holistic architecture enables the efficient and secure operation of the system as a whole.

A holistic power system architecture is an architecture in which all relevant components of the power system are merged into one single structure.  These components could comprise of the following:

    • Electricity producer (regardless of technology or size, e.g. big power plants, distributed generations, etc.),
    • Electricity storage (regardless of technology or size, e.g. pumped power plants, batteries, etc.),
    • Electricity grid (regardless of voltage level, e.g. high-, medium- and low voltage grid),
    • Customer plants, and
    • Electricity market.

The holistic architecture unifies all interactions within the power system itself, between the network-, generation- and storage-operators, consumers and prosumers, and the market, thus creating the possibility to harmonize them without compromising data privacy and cybersecurity. It facilitates all processes necessary for a reliable, economical, and environmentally friendly operation of smart power systems. It allows a clear description of the relationships between different actors and creates conditions to go through the transition phase without causing problems.

More information on this topic can be found in White Paper on Holistic Architectures for Future Power Systems released by the ETIP SNET Working Group on Reliable, economic and efficient smart grid system in 2020.

By definition, the LINK-paradigm is a set of one or more electrical appliances (ElA), i.e., a grid part, storage device or a producer device, the control schema and the interface.

The LINK-Paradigm is used as an instrument to design the LINK-based holistic architecture and the LINK-Solution . It facilitates modelling the entire power system from high to low voltage levels, including customer plants. It enables the description of all power system operation processes such as load-generation balance, voltage assessment, dynamic security, price- and emergency-driven demand response, etc.

The LINK-paradigm is the fundament of the holistic, technical and market-related model of smart power systems with large distributed energy resource (DER) shares. The holistic technical model (the “Energy Supply Chain Net”) illustrates the Links’ compositions and their relative position in space, both horizontally and vertically. The interconnected high voltage grids (HVG) are situated on the horizontal axis. They are owned and operated by transmission system operators (TSO). The medium and low voltage grids (MVG and LVG, respectively) and the customer plant grids (CPG) are situated on the vertical axis. The medium and low voltage grids are actually owned and operated by distribution system operators (DSO), while CPGs are operated by customers.

By definition, an “Energy Supply Chain Net” is a set of automated power grids intended for chain links (abbreviated as Links), which fit into one another to establish a flexible and reliable electrical connection. Each individual Link or Link bundle operates autonomously and has contractual arrangements with other relevant boundary Links or Link bundles.

The holistic model associated with the energy market is derived from the holistic technical model. The whole energy market consists of coupled market areas (balancing groups) at the horizontal and vertical axes. TSOs operate on the horizontal axis of the holistic market model, while DSOs operate on the vertical. Based on this model, not only TSOs but also DSOs will communicate directly with the whole market to ensure a congestion-free distribution grid operation and to take over the task of load-production balance. The owner of the distributed energy resources and the prosumers (producers and consumers of electricity) may participate directly in the market or via aggregators or local energy communities. The creation of the local retail markets attracts the demand response bids and stimulates investment in the LEC areas.

There exist three independent main power system components: producer, storage and grid that build three basic components of the holistic architecture: Producer-Link, Storage-Link and Grid-Link. They derive from the LINK-Paradigm and have three constituent elements: electrical appliance, control unit, and interface.

    • The Producer-Link is a composition of an electricity production facility, such as a generator, a photovoltaic system, etc., its primary control and the Producer-Link interface.
    • The Storage-Link is a composition of a storage facility, such as the generator of a pumped power plant, a battery, etc., its primary control and the Storage-Link interface.
    • The Grid-Link is a composition of a grid part, including lines, transformers and reactive power devices, its secondary control and the Grid-Link interfaces.

The LINK-based holistic architecture merges all relevant components of the power system into one single structure. All Links communicate with each other through technical interfaces “T” and with the market through market interfaces “M”, ensuring data privacy and cybersecurity. Customer plants are too small to participate in the market directly, so they participate through an aggregator or energy community.

The different levels of the LINK architecture, i.e., technical/functional, generalized, and holistic, are described in this video.

The LINK-based holistic architecture supports the cross-vector and end-user sector coupling through the Storage-Link.

The LINK-based holistic architecture allows embedding energy communities, thus supporting their large-scale implementation.

All market actors, including customers joining energy communities, participate in the market in a non-discriminatory way. Each market actor – i.e. simple consumers, prosumers, operators of distributed energy resources, and service providers – may choose to participate in the market directly, through an aggregator, or through the energy community. All grid operators, both transmission and distribution system operators, coordinate the market to guarantee the power system’s reliable and secure functioning.

The LINK-based holistic architecture supports the price-driven demand response process, which is of utmost importance for energy communities. Here is a short video with further explanation.