Evaluating Cost Allocation Methods in Energy Communities: an assessment framework based on Fairness and Efficiency

Abstract

The energy transition, driven by pressure from climate change, dependence on fossil fuels, and a growing social awareness of environmental sustainability, places Energy Communities (ECs) as a key vehicle to democratise the energy system and accelerate this transformation. ECs enable groups of prosumers to cooperate in local energy exchange, generating added economic value in the process. However, their successful implementation faces several challenges, such as the fair and efficient allocation of the costs and benefits generated by that cooperation. The scientific literature has explored various cost allocation methods. However, there is a lack of a unified framework to evaluate and compare them systematically. Concepts like fairness, efficiency, and stability are fundamental for the social acceptance and long-term sustainability of ECs, but their definitions in the literature often lack precision and objectivity. The main objective of this thesis is to design and validate a methodological framework for evaluating cost-allocation methods within Energy Communities. Our working methodology adopts a dual approach, combining rigorous theoretical analysis with data-driven simulations. We define an EC archetype that leads to the formalisation of a local energy-market (LEM) economic model based on a market clearing algorithm and a cost/benefit allocation algorithm within the community. We evaluate several families of cost-allocation methods: Price-Based (PB), RuleBased (RB), Surplus-Based (SB), and Game-Theoretic (GT). To overcome the subjectivity of traditional principles, we establish a set of eight desirable properties with precise, objective mathematical formulations: parity among equals, disparity among unequals, pareto efficiency, beneficial individual participation, rank correlation between costs and overconsumption, smoothness, environmental friendliness, and beneficial group participation (stability).

La transición energética, impulsada por la presión del cambio climático, la dependencia de los combustibles fósiles y una creciente conciencia social sobre la sostenibilidad ambiental, coloca a las Comunidades Energéticas (CEs) como un vehículo clave para democratizar el sistema energético y acelerar esta transición Las CEs permiten a grupos de prosumidores cooperar en el intercambio local de energía, generando un valor económico añadido en el proceso. No obstante, su implementación exitosa enfrenta varios desafíos, tales como la asignación justa y eficiente de los costes y beneficios generados por dicha cooperación. La literatura científica ha explorado diversos métodos de asignación de costes, sin embargo, no existe un marco unificado para evaluarlos y compararlos sistemáticamente. Conceptos como justicia, eficiencia y estabilidad son fundamentales para la aceptación social y la sostenibilidad a largo plazo de las CE, pero sus definiciones en la literatura a menudo carecen de precisión y objetividad. El objetivo principal de esta tesis es diseñar y validar un marco metodológico para evaluar métodos de asignación de costes dentro de Comunidades Energéticas. La metodología de trabajo adopta un enfoque dual, combinando el análisis teórico riguroso con simulaciones basadas en datos. Se define un arquetipo de CE que deriva en la formalización de un modelo económico de mercado local de energía (LEM) basado en un algoritmo de vaciado de mercado y un algoritmo de asignación de costes y beneficios dentro de la comunidad Se evalúan varias familias de métodos de asignación de costes: Price-Based (PB), Rule-Based (RB), Surplus-Based (SB) y Game-Theoretic (GT). Para superar la subjetividad de los principios tradicionales, se define un conjunto de ocho propiedades deseables con formulaciones matemáticas precisas y objetivas, permitiendo una evaluación replicable. Estas propiedades incluyen: paridad entre iguales, disparidad entre desiguales, eficiencia de Pareto, participación individual beneficiosa, correlación de ranking entre costes y sobreconsumo, suavidad, respeto al medio ambiente y participación grupal beneficiosa (estabilidad).