Jointly owned PV should be the new solar ownership model / Gemeinschaftliches Eigentum: der neue Ansatz für Photovoltaikanlagen in der Nachbarschaft

By Danielle Griego

Danielle just completed her PhD at ETH Zurich in the Chair of Architecture and Building Systems and the Chair of Information Architecture (April 2020). Danielle’s research explores methods to ‘Implement community-scale solar PV systems as a sustainable and governable urban common’. This approach incorporates both social and technical methods to promote intelligent utilization of on-site energy generation from distributed PV. 

 

Die deutsche Version des Textes finden Sie weiter unten. 


 

As societies transition from using predominantly centralized energy supply sources to increasing dependency on distributed renewable energy generation, it is no longer enough to singularly focus on energy efficiency. In particular, the time sensitivity of electricity generated from solar and wind must also become an integral part of future electric consumption behavior patterns. In this article, I outline how joint ownership of community-scale PV systems have vast potential to establish long-term and intelligent electricity consumption behavior patterns among co-owners.

 

Why focus on distributed solar PV?

Distributed energy generation from PV is projected to be an important avenue to supply clean and safe energy. However, more PV is not necessarily better. The intermittent nature of renewable energy supply from solar PV may cause unforeseen grid congestion such as those experienced in California from the rapid adoption of grid-tied distributed PV systems.This has caused what is famously called the `duck’ curve. This is caused by the large differential between the midday energy balance (when grid-tied solar PV is fed to the grid) and the evening energy balance (less solar PV and increased energy demands).

Figure 1: Typical spring day electric net-load demand profile from measured data for 2013-2019 forming what is known as the California `duck’ curve. This illustrates the steep ramp-up period in the evening to meet peak demands as grid-tied solar PV generation decreases. Image source: IEA, The California Duck Curve, IEA, Paris

Electricity supplied from PV is also an integral part of the Swiss Energy Strategy 2050. Current projections for PV integration in Switzerland by 2050 are in the range of 8 -14 TWh. Most of the additional PV installations are expected to be roof-top systems. There are similar concerns for grid instability with respect to peak periods of excess electricity supplied to the grid in Switzerland, which will require energy storage as well as demand side management strategies to maintain stability of the Swiss grid.

 

The transition to intelligent use of distributed solar

To successfully utilize electricity generated from solar PV, it becomes critical for building occupants to actively participate in the energy transition. Switzerland has started addressing this by promoting self-consumption of on-site energy generation. Self-consumption is the electricity consumed which is directly produced from a local PV system. However, for individual PV system owners, the money saved from peak-shaving or load-shifting to increase self-consumption, are often not enough to change consumption behavior.

Furthermore, a study with a local utility including 8702 households discovered that the perceived savings from time of use (TOU) pricing schemes are more important than the actual cost savings. This study indicates that it might be easier to focus on a behavioral heuristic instead of the cost savings. For example, electricity from on-site PV could be framed as `free electricity’ and excess PV production could be framed as being `wasted to the grid’.

Further, the community context also adds an important element for individuals to act according to the established sustainability culture. One particular study explored the impact of community strategies for energy efficiency and indicates that the community context improved actual savings. Even though the energy savings did not extend beyond the length of the study, it indicates the value of community accountability. However the question remains, “what maintains engagement over time?”

 

Maintaining engagement through joint-ownership of community-scale PV systems

Theory suggests that the solution to long-term sustainable consumption behavior could be achieved by coordinating individuals to collectively utilize shared resources. However, the resource should be directly tangible and end-users should have a shared economic dependency on the resource production. The joint strategy should also be more attractive than the individual strategy; fortunately for PV, there are notable economic benefits of scale. Therefore, joint investment in community PV systems could both create an economic incentive and serve as an active commitment for the life of the system.

Figure 2: Overview illustrating key characteristics of grid-tied community PV systems for long-term sustainable consumption.

 

Furthermore, the community should also collectively set goals for how the electricity from PV is consumed. The community-specific goals should incorporate the time-sensitivity of electricity produced from the PV system. This includes a strategy to optimize hours of self-consumption and objectives to meet annual payback targets.

In order to track these goals, communities should also implement an easy-to-use energy management system and connected IOT system with measured tenant-level and aggregate values. For example, individuals could receive a self-consumption ‘score’ which does not provide detailed information about individual daily consumption profiles. This could avoid privacy concerns, identified in a previous community energy efficiency study.

 

How are these recommendations integrated into the existing community PV systems in Switzerland?

At the Federal level, specific guidelines to facilitate a group of buildings to form a merger for self-consumption (Zusammenschluss zum Eigenverbrauch (ZEV) in German) were developed in early 2018, and updated most recently in December 2019. One of the basic requirements for a self-consumption community to qualify as an official ZEV is that the building portfolio must only have a single point of measurement with the local electric utility (Art. 18 EnG). This is a critical step, because the members of the ZEV must now develop their own strategy to share the cost of electricity consumption and production. In other words, there is an incentive for these groups to interact and collaborate.

However, within the ZEV model, there are still limitations which can also inhibit collaboration among the end-users depending on the ownership model. For example, the ZEV guidelines provide separate intra-community recommendations for joint and single ownership:

Joint ownership. The inherent collective nature of the ZEV joint-ownership approach already satisfies the initial criteria for long-term commitment. It also encourages owners to develop a strategy to share the electricity production and associated costs. However, there is no indication that such ZEV’s have an energy management platform where they can jointly monitor their use of their free electricity production.

Single ownership (landlord with multiple tenants). For the single owner-tenant model, there is very little incentive for the individual tenants to use the resource during peak production as the cost of solar electricity is on par with the grid price or only slightly lower. In other words, tenants are not economically dependent on the electricity production and therefore have no real incentive to consume on-site electricity.

 

Policies should foster joint ownership for PV

In summary, the ZEV minimizes simultaneous mass PV electricity production that is fed into the grid through simple load aggregation (partially reducing the potential `duck-curve’ issue). However, there should be greater incentives for jointly owned ZEV’s in order to encourage greater citizen participation and active commitment to renewable energy. There should also be a greater focus on the collective energy management systems integrated into these communities. Together, I believe these have the potential to maintain user engagement for sustainable consumption behaviour over time. Policy makers should therefore prioritise financial incentives for jointly owned PV systems. Technology and service providers would then be wise to develop IOT platforms for collectively managed electricity production and consumption.

 

Cover photo acquired from Smart Energy Link

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Suggested citation: Griego, Danielle. “Jointly owned PV should be the new solar ownership model, Energy Blog, ETH Zurich,  June 26, 2020, http://blogs.ethz.ch/energy/jointly-owned-pv/

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Gemeinschaftliches Eigentum: der neue Ansatz für Photovoltaikanlagen in der Nachbarschaft

Mit dem zunehmenden Wandel von einer zentralisierten zu einer dezentraler Energieversorgung reicht es nicht mehr aus, sich nur auf möglichst energieeffiziente Systeme zu konzentrieren. Statt dessen müssen auch regenerative Energien und somit der Zeitpunkt? des aus Sonne und Wind erzeugten Stroms zu einem integralen Bestandteil des zukünftigen Verbrauchsverhaltens werden. In diesem Artikel skizziere ich, wie das gemeinschaftliche Eigentum von PV-Anlagen im nachbarschaftlichen Massstab ein enormes Potenzial zur Etablierung langfristiger und intelligenter Verbrauchsverhalten hat.

 

Warum sich auf verteilte Solar-PV konzentrieren?

Die dezentrale Energieerzeugung aus Photovoltaik (PV) wird ein zentraler Bestandteil der zukünftigen Energieversorgung sein, um saubere und sichere Energie liefern zu können. Das Wachstum von PV bringt jedoch auch Schwierigkeiten mit sich. Der mit der Sonneneinstrahlung schwankende Charakter von Photovoltaikstrom kann zu unvorhergesehenen Netzüberlastungen führen, wie dies z.B. in Kalifornien durch die rasche Einführung netzgebundener PV-Anlagen geschah. Dies hat die berühmte sogenannte “Enten-Kurve” verursacht, die eine Absenkung des Strombedarfs über den Tag und damit verbunden einen starken Anstieg des Strombedarfs bei Sonnenuntergang illustriert.

Abbildung 1: Typisches Netzlast-Nachfrageprofil für einen Frühlingstag aus Messdaten für 2013-2019, die die so genannte “Enten-Kurve” in Kalifornien hervorrufen. Sie veranschaulicht die steile Anstiegsphase am Abend zur Deckung des Spitzenbedarfs bei abnehmender netzgebundener PV-Solarstromerzeugung. Bildquelle: IEA, The California Duck Curve, IEA, Paris

Die Stromversorgung mit PV ist auch ein integraler Bestandteil der Schweizer Energiestrategie 2050. Die aktuellen Prognosen für die PV-Integration in der Schweiz bis 2050 liegen im Bereich von 8 -14 TWh. Die meisten der zusätzlichen PV-Anlagenwerden voraussichtlich auf Gebäudedächern installiert werden. Ähnliche Bedenken wie in Kalifornien gibt es hinsichtlich der Netzinstabilität deshalb auch in der Schweiz. In Spitzenzeiten wird es daher zusätzliche  Speichermöglichkeiten und verbraucherseitige Laststeuerung geben müssen um die Netzstabilität gewährleisten zu können.

 

Der Übergang zur intelligenten Nutzung dezentraler Solarenergie

Für die erfolgreiche Nutzung von PV-Strom ist es für Gebäudenutzer von entscheidender Bedeutung, sich aktiv an der Energiewende zu beteiligen. Die Schweiz hat damit begonnen, dieses Problem anzugehen, indem sie Eigenverbrauch fördert. Unter Eigenverbrauch versteht man den verbrauchten Strom, der direkt von der eigenen PV-Anlage stammt. Für den einzelnen Eigentümer einer PV-Anlage reichen die finanziellen Anreize allerdings nicht aus, um den Eigenverbrauchsanteil durch das “Brechen” von Verbrauchsspitzen und Verlagern des Stromverbrauchs  zu ändern.

Eine gemeinsame Studie mit einem lokalen schweizer Energieversorgungsunternehmen sowie 8’702 Haushalten ergab sogar, dass die vom Nutzer wahrgenommenen Energieeinsparungen bei einer zeitabhängigen Tarifgestaltung wichtiger sind als die tatsächlichen Kosteneinsparungen. Laut dieser Studie könnte es also einfacher sein, sich auf Verhaltensmuster statt auf Kosteneinsparungen zu konzentrieren um das Nutzerverhalten zu verändern. So könnte z.B. Strom aus der eigenen PV-Anlage als “kostenloser Strom” und überschüssige PV-Produktion als “ins Netz eingespeiste Verschwendung” konzipiert werden.

Darüber hinaus spielt der Kontext der Gemeinschaft eine wichtige Rolle. Einzelpersonen in einer Gemeinschaft sind motivierter, entsprechend der etablierten Nachhaltigkeitskultur zu handeln. Eine Studie untersuchte die Auswirkungen gemeinschaftlich organisierter Strategien zur Erhöhung der  Energieeffizienz und fand heraus, dass der gemeinschaftliche Kontext die tatsächlichen Einsparungen verbesserte. Auch wenn die Energieeinsparungen nicht über die Dauerder Studie hinausgingen, zeigt dies, wie wichtig die Rechenschaftspflicht der Gemeinschaft gegenüber ist. Allerdings bleibt die Frage offen, wie das erhöhte Engagement über die Zeit aufrechterhalten werden kann.

 

Aufrechterhaltung des Engagements durch Miteigentum von PV-Anlagen

Die Theorie legt nahe, dass die Lösung für ein langfristig nachhaltiges Konsumverhalten durch die Koordination von Einzelpersonen zur kollektiven Nutzung gemeinsamer Ressourcen erreicht werden könnte. Dafür sollte die Ressource direkt greifbar sein und alle Einzelpersonen sollten eine gemeinsame wirtschaftliche Abhängigkeit vom Ertrag der Ressource haben. Die gemeinsame Strategie sollte zudem attraktiver sein als die individuelle Strategie. Glücklicherweise gibt es für die Photovoltaik erhebliche wirtschaftliche Skalenvorteile, die über  gemeinschaftliche Investitionen in PV-Anlagen sowohl wirtschaftliche Anreize schaffen als auch dafür sorgen, dass das Engagement über die Lebensdauer des Systems aufrecht erhalten wird.

Abbildung 2: Übersicht zur Veranschaulichung der Hauptmerkmale netzgekoppelter gemeinschaftlicher PV-Anlagen für einen langfristig nachhaltigen Verbrauch.

Darüber hinaus sollte die Gemeinschaft auch gemeinsame Ziele für den Verbrauch von PV-Strom festlegen. Diese spezifischen Ziele sollten die Zeitabhängigkeit des aus der PV-Anlage erzeugten Stroms berücksichtigen. Dazu gehören auch eine Strategie zur Erhöhung des Eigenverbrauchs und Massnahmen zur Erreichung der jährlichen Amortisationsziele.

Um diese Ziele zu erreichen, sollte die Gemeinschaft auch ein einfach zu handhabendes Energiemanagementsystem und ein angeschlossenes IOT-System (internet of things)  mit gemessenen Werten auf Nutzerebene und auf aggregierter Ebene implementieren. Einzelpersonen könnten z.B. eine “Punktzahl” für den Eigenverbrauch erhalten, die keine detaillierten Informationen über individuelle tägliche Verbrauchsprofile liefert. Auf diese Weise könnten Datenschutzbedenken vermieden werden, die in einer Energieeffizienz-Studie zu gemeinschaftliche Systemen festgestellt wurden.

 

Wie sind diese Empfehlungen in die bestehenden Zusammenschlüsse zum Eigenverbrauch in der Schweiz integriert?

Auf Bundesebene wurden Anfang 2018 spezifische Richtlinien zur Erleichterung des Zusammenschlusses zum Eigenverbrauch (ZEV) entwickelt und zuletzt im Dezember 2019 aktualisiert. Eine der Grundvoraussetzungen für eine Gemeinschaft mit Eigenverbrauch, um sich als offizielle ZEV zu qualifizieren, ist, dass der Gebäudebestand nur einen einzigen Messpunkt mit dem örtlichen Stromversorgungsunternehmen haben darf (Art. 18 EnG). Dies ist ein wichtiger Schritt, da die Mitglieder der ZEV nun ihre eigene Strategie entwickeln müssen, um die Kosten für den Stromverbrauch und die Stromerzeugung zu teilen. Somit wurde ein Anreiz zur Interaktion und zur Zusammenarbeit geschaffen.

Innerhalb des ZEV-Modells gibt es jedoch auch Einschränkungen, die je nach Eigentumsmodell die Zusammenarbeit zwischen den Nutzern behindern können. Beispielsweise enthalten die ZEV-Richtlinien separate Empfehlungen für gemeinschaftliches und einzelnes Eigentum:

Gemeinschaftliches Eigentum: der kollektive Charakter des Ansatzes der ZEV zum Gemeinschaftseigentum erfüllt die ersten Kriterien für ein langfristiges Engagement: Er ermutigt die Eigentümer zur Entwicklung einer Strategie zur Aufteilung der Stromproduktion und der damit verbundenen Kosten. Es gibt jedoch keinen Hinweis darauf, dass solche ZEVs über eine Energiemanagement-Plattform verfügen, auf der sie gemeinsam die Nutzung ihrer kostenlosen Stromerzeugung überwachen können.

Einzeleigentümer (Vermieter mit mehreren Mietern): Beim Einzeleigentümer-Mieter-Modell besteht für die einzelnen Mieter nur ein sehr geringer Anreiz, die Ressource während der Spitzenproduktion zu nutzen, da die Kosten für Solarstrom dem Netzpreis entsprechen oder nur geringfügig darunter liegen. Mit anderen Worten, die Mieter sind wirtschaftlich nicht von der Stromproduktion abhängig und haben daher keinen wirklichen Anreiz, Strom vor Ort zu verbrauchen.

 

Richtlinien sollten das gemeinsame Eigentum für PV fördern 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ZEVs die gleichzeitige Massenproduktion von PV-Strom, der Netz eingespeist wird, durch Lastaggregation minimieren (wodurch das Problem der “Enten-Kurve” teilweise reduziert wird). Da die Möglichkeiten der Lastaggregation weitestgehend ausgeschöpft sind, sollte der Schwerpunkt jedoch auch auf Anreize für gemeinschaftliche Eigentumsmodelle gelegt werden, um das Commitment und Engagement der Nutzer für erneuerbare Energien zu fördern. Zudem sollte den gemeinschaftlich organisierten Energiemanagementsystemen mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden. Zusammen haben gemeinschaftlichen Eigentumsmodelle und gemeinschaftlich organisierten Energiemanagmentsysteme das Potenzial, das Engagement der Nutzer für nachhaltiges Konsumverhalten zu verbessern und über die Zeit hinweg aufrechtzuerhalten. Politische Entscheidungsträger sollten daher finanziellen Anreizen für PV-Anlagen in Gemeinschaftsbesitz Vorrang einräumen. Technologie- und Dienstleistungsanbieter wären dann gut beraten, IOT-Plattformen für kollektiv verwaltete Stromerzeugung und -verbrauch zu entwickeln.

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Empfohlene Zitierweise: Griego, Danielle. “Gemeinschaftliches Eigentum: der neue Ansatz für Photovoltaikanlagen in der Nachbarschaft, Energy Blog, ETH Zurich,  June 26, 2020, http://blogs.ethz.ch/energy/jointly-owned-pv/

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3 comments

  • Martin Holzherr

    Yes, I fully agree: ideally, a group of buildings that rely on solar energy is not dependent on the grid. This can be partly achieved by using battery storage.
    Unfortunately, northern countries like Switzerland have too little solar energy in winter. Solar energy is therefore not THE energy solution for Switzerland.

  • Martin Holzherr

    Solar energy systems on a Community scale can be considered as the incarnation of a subsidiarity principle of energy production and consumption: Wikipedia says: “Subsidiarity is a principle of social organisation which states that social and political [and energy] issues should be dealt with at the most immediate (or local) level compatible with their resolution „
    Why is this important for energy and especially solar energy?
    The answer is that the grid is the top level of the energy system and no local consumer or producer should overburden the grid. A midday peak (solar energy) should and must be avoided to protect the grid. It is best – and in accordance with the principle of subsidiarity – handled at local, i.e. municipal, level.

    • Danielle Griego

      Thank you for comments. It seems as though we both agree that as more grid-tied PV systems are installed, we will have to develop greater measures to help balance the electric grid. It also seems that we agree that this should be handled at the local level. The most direct way to minimize grid instability is reduce the amount of electricity that is sent to the grid in the first place. This can be done by increasing local self-consumption, which is easier with larger and more diverse groups of buildings. I also believe that we should not purely rely on load aggregation to meet self-consumption targets. Citizen participation is essential to solve local challenges and limitations. Joint ownership of PV, therefore provides this incentive for people to come together, and try to manage their shared resource most effectively =)

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