Assessment of policy, technology, and business model adaptation for smart and sustainable electricity distribution

Abstract

The growing diffusion of distributed energy resources including renewable energy generation, electric mobility, and electricity storage, in combination with the deployment of smart grids, and a more active role of consumers are reshaping the electricity sector infrastructure and utilities’ business models. This is particularly challenging for electricity distribution utilities – Distribution System Operators (DSOs), in the European Union (EU) context, which operate at the interface of downstream connected consumers and distributed energy resources, and upstream large-scale electricity generation and transmission, therefore having a critical role in enabling adaptation and innovation across the supply chain. This thesis focuses on studying the changing role of DSOs and aims to contribute to a more detailed understanding of policy, technology, and business model adaptation towards smart and sustainable electricity distribution. This is delivered through three policy-oriented empirical assessments. Firstly, a foresight analysis implemented through a Policy Delphi expert elicitation technique is presented, evaluating future alternatives to inform business model innovation, technological adaptation, and market design options. Secondly, a case study approach is unveiled highlighting the DSO’s challenges and opportunities at present. Lastly, a capabilities assessment, applied through a Structural Equations Model (SEM), explores the ability of DSOs to implement business model innovations and adaptation in a rapidly changing electricity sector. These assessments build on novel primary data collected from over 200 electricity sector stakeholders, including regulators, academics, policy makers, and industry representatives, and 129 utilities from 27 EU countries. The findings indicate a future in which DSOs continue with their core electricity distribution responsibilities, while expanding their business model to facilitate flexibility services, by integrating distributed energy resources in their operations. These future possibilities are contrasted with empirical evidence of a present situation in which DSOs are challenged by corporate inertia and regulatory barriers to pursue innovative business models and deploy smart grid technology, particularly in which the value of full scale rollouts of smart meters remains uncertain for DSOs. Notwithstanding the challenges of the structural reforms impacting the electricity distribution industry, the results obtained indicate the ability of DSOs to adapt their operations including core electricity distribution and smart grid deployment, integration and management capabilities. Moreover, DSOs performance was found to benefit from the integration of smart grid technology. Additionally, DSOs scale was identified as a determinant factor on operational performance, innovation performance, smart grid diffusion performance and business model innovation performance, with larger DSOs performing significantly better. These findings enhance the relevance of network infrastructure to support the ongoing energy transition and validate the ability of DSOs to expand their business model and adjust their value capture and creation processes. Policy makers and the electricity distribution industry should consider the methodologies and insights presented throughout this thesis when tackling the challenges impacting the electricity sector.

A crescente difusão de recursos energéticos distribuídos sob a forma de geração distribuída de origem renovável, mobilidade elétrica e unidades armazenamento de eletricidade, em paralelo com a implementação de redes inteligentes e um papel mais ativo por parte dos consumidores está a contribuir para uma reforma do setor elétrico, com especial impacto na sua infraestrutura e no modelo de negócio das utilities. Estes impactos são particularmente desafiantes para as utilities de distribuição de eletricidade – Operadores de Redes de Distribuição (ORD), no contexto da União Europeia (UE), por se encontrarem na interface entre consumidores e recursos energéticos distribuídos a jusante, e geração de grande porte e transmissão de eletricidade a montante, sendo assim um elemento principal no apoio à inovação e adaptação ao longo da cadeia de fornecimento. No âmbito desta tese foi analisada a alteração do papel dos ORD tendo como objetivo compreender o ajustamento de políticas públicas, tecnologia e modelos de negócio que permitam transitar para uma indústria de distribuição de eletricidade mais inteligente e sustentável. Para este efeito foram desenvolvidos três estudos empíricos. Em primeiro, através de um método Policy Delphi, foram analisadas um conjunto de alternativas futuras permitindo assim compreender as possibilidades de inovação do modelo de negócio, adaptação tecnológica e desenho de mercado. Em segundo, através de um método de estudo do caso, foram analisadas as atuais oportunidades e desafios para os ORD. Por último, através da aplicação de Modelos de Equações Estruturais (MEE), foi analisado o papel das competências corporativas na introdução de inovações no modelo de negócio a adaptação face a um setor elétrico em mudança. Estes estudos empíricos foram desenvolvidos com base em dados primários originais recolhidos no âmbito desta tese a partir de cerca de 200 peritos do setor elétrico, incluindo reguladores, académicos, decisores de política pública, e representantes da indústria, bem como através de dados de 129 ORD a operar em 27 estados membro da UE. Os resultados obtidos indicam um futuro no qual os ORD continuam a ser responsáveis pela distribuição de eletricidade, ao mesmo tempo que expandem o seu modelo de negócio de modo a facilitar o desenvolvimento de serviços de flexibilidade através da integração de recursos energéticos distribuídos nas suas operações. No entanto, estas possibilidades futuras são contrastadas com evidência empírica de uma situação presente na qual os ORD enfrentam um conjunto de desafios relacionados com inércia corporativa e barreiras regulatórias que dificultam a introdução de modelos de negócio inovadores e a difusão de tecnologias de redes inteligentes, com especial enfoque na incerteza dos ORD face ao valor acrescentado de uma difusão de larga escala de contadores inteligentes. Neste contexto de alterações estruturais na indústria de distribuição elétrica, os resultados obtidos indicam que os ORD são capazes de adaptar as suas operações, incluindo tanto competências relacionadas com as operações tradicionais de distribuição elétrica, bem como competências de implementação, integração e gestão de redes inteligentes. Neste contexto, foi ainda identificado um impacto positivo da integração de redes inteligentes no desempenho operacional dos ORD. A escala dos ORD foi também reconhecida como um fator determinante em matéria de desempenho operacional, inovação, difusão de redes inteligentes, e adaptação do modelo de negócio, sendo que ORD de maior escala apresentam melhor desempenho. Este estudo reforça a relevância da infraestrutura de distribuição na atual transição do setor elétrico e valida a capacidade dos ORD em expandir os seus modelos de negócio e ajustar os processos de criação de valor. As metodologias e resultados apresentados nesta tese podem ser considerados por decisores de política pública e por representantes da indústria de distribuição de eletricidade focados na adaptação do setor elétrico.