Sector-coupling and P2X2P Enabling Energy Market Structures and Related Solutions for Future Flexible Energy Systems

Abstract

The accelerating integration of renewable generation, distributed energy resources (DERs), flexibility assets, and cross-sector conversion technologies such as Power-to-X (P2X) is fundamentally reshaping the operational and economic landscape of modern power systems. This doctoral thesis develops coordinated, market-based frameworks at the distribution level to enable the efficient utilization of these resources within local energy markets. The proposed approaches embed network-aware, sector-coupled clearing mechanisms and advanced coordination with wholesale electricity markets to ensure both technical feasibility and economic efficiency.

The research spans the full chain of requirements for next-generation energy systems: from the design of local electricity and multi-energy market architectures, through coordinated operation across local-wholesale layers, to strategic and risk-aware offering models for key participants, including DER aggregators and energy hubs. Local market designs allow multiple independent aggregators to compete under distribution power-flow constraints, while extended electricity-heat platforms integrate Power-to-Heat and hybrid storage technologies to unlock cross-sector flexibility and reduce curtailment. A centralized clearing methodology with distribution locational marginal pricing for both electricity and heat is introduced, internalizing network and sectoral interactions to provide transparent, location- and time-specific price signals.

In order to distributed actions with system-wide objectives, a hierarchical coordination framework links local integrated markets with the wholesale market, prioritizing local flexibility before upstream procurement and enabling bidirectional price and dispatch consistency. Finally, price-making and risk-aware participation strategies are developed for DER aggregators and energy hubs, using stochastic optimization with risk constraints to capture uncertainty in prices, renewable generation, demand, and competitor behavior. This enables participants to balance profitability with operational resilience while contributing to overall system efficiency. Collectively, the thesis delivers a comprehensive set of market-based solutions that bridge technical feasibility, economic efficiency, coordination, and strategic decision-making under uncertainty, supporting the transition toward flexible, decarbonized, and resilient multi-energy systems.

Uusiutuvan energiantuotannon, hajautettujen energia- ja joustoresurssien sekä sektoreita yhdistävien teknologioiden, kuten Power-to-X (P2X), käyttöönotto muuttaa sähköjärjestelmien teknistä ja taloudellista toimintaa sekä kanta- että jakeluverkkotasoilla. Tässä väitöskirjassa ehdotetaan uusia viitekehyksiä tulevaisuuden jakeluverkkotason energiamarkkinoille, jotta voitaisiin mahdollistaa resurssien tehokas hyödyntäminen paikallisissa jakeluverkkotason ratkaisuissa. Toteuttamiskelpoisuus ja taloudellinen tehokkuus huomioiden ehdotetut viitekehykset koostuvat esimerkiksi sektoreita yhdistävistä selvitysmekanismeista sekä koordinoinnista sähkön tukkumarkkinoiden kanssa. Väitöstutkimus kattaa koko ketjun paikallisten sähkö- ja monienergiamarkkinoiden suunnittelusta, paikalliset sähkömarkkinat, sektorikytkentä, monienergiajärjestelmät, integroidut energiamarkkinat, hierarkkinen koordinointi, aggregaattorit, riskitietoinen optimointi, Power-to-X, hajautetut energiaresurssit, joustoresurssit. Tutkimuksessa ehdotetut uudet markkinaratkaisut voivat mahdollistaa usean aggregaattorin kilpailun jakeluverkon rajoitteet huomioiden ja yhdistetyssä sähkölämpömarkkinassa voidaan hyödyntää Power-to-Heat (P2H) -teknologioita ja hybridienergiavarastoja mahdollistaen täten sektoreiden välisten joustoja hyödyntämisen. Keskitetty malli jakeluverkkotason marginaalihinnoittelulla huomioi verkkojen ja sektoreiden vuorovaikutukset sekä tarjoaa myös läpinäkyviä sijainti- ja aikaspesifisiä hintasignaaleja.

Järjestelmätason tavoitteiden saavuttamiseksi väitöskirjassa ehdotetaan hierarkkista koordinointikehystä, joka yhdistää paikalliset markkinat tukkusähkömarkkinoihin. Tämä rakenne asettaa paikallisen joustavuuden ja joustotarpeet etusijalle, parantaen kustannustehokkuutta, uusiutuvien energialähteiden integraatiota ja sektoreiden välistä tasapainotusta. Lisäksi väitöskirjassa on kehitetty hinnanmuodostukseen vaikuttavia ja riskitietoisia osallistumisstrategioita, joissa stokastinen optimointi huomioi epävarmuudet hinnoissa, tuotannossa, kysynnässä ja kilpailijoiden käyttäytymisessä. Näin on mahdollista tasapainottaa kannattavuus ja toimintavarmuus vaihtelevissa markkinaolosuhteissa. Yhteenvetona voidaan todeta, että tämä väitöstutkimus esittää uusia markkinapohjaisia ratkaisuja, jotka yhdistävät teknisen toteuttamiskelpoisuuden, taloudellisen tehokkuuden, koordinoinnin ja päätöksenteon epävarmuuden alla, tukien siirtymää kohti joustavia, vähähiilisiä ja resilienttejä monienergiajärjestelmiä.