Ökonomie der Energiewende Respect diversity How power market design can support renewable integration Karsten Neuhoff CARL VON OSSIETZKY UNIVERSITÄT OLDENBURG 03.04.2014
0 Three domains of policies Satisficing behaviour Optimising behaviour Transforming behaviour Resource Use / Energy & Emissions Real-world individual and organisational decisionmaking Innovation & evolution of complex systems Economic Output / Consumption Source: Grubb, Hourcade & Neuhoff (2014): Planetary Economics, Energy, Climate Change and the three domains of sustainable development. Routledge.
Respect diversity How power market design can support renewable integration 1 Nutzung der regionalen Diversität 2 Berücksichtigung der Diversität der Investoren/Finanzierung 3 Berücksichtigung der Diversität der Erzeugung 4 (Integrierende Rahmenbedingungen, EU ETS, RE Ziele) 3
1 Regional diversity in wind output, profile and demand: Modelling 40% energy from wind (UK 2005) Wind output Wind investment CCGT investment Source: Neuhoff, Ehrenmann, Butler, Cust, Hoexter, Keats, Kreczko & Sinden (2008): Space and Time: Wind in an Investment Planning Model. Energy Economics.
1 European perspective: Most T-constraints are within not between countries 50 N 40 N 10 W 30 E 0 10 E 20 E Source: Neuhoff, Barquin, Bialek, Boyd, Dent, Echavarren, Grau, von Hirschhausen, Hobbs, Kunz, Nabe, Papaefthymiou, Weber and Weigt (2013): Renewable Electric Energy Integration: Quantifying the Value of Design of Markets for International Transmission Capacity. Energy Economics. 5 Karsten Neuhoff, 29.3.2012
1 Zones for zonal pricing do not match national borders No wind Source: Neuhoff, Barquin, Bialek, Boyd, Dent, Echavarren, Grau, von Hirschhausen, Hobbs, Kunz, Nabe, Papaefthymiou, Weber and Weigt (2013): Renewable Electric Energy Integration: Quantifying the Value of Design of Markets for International Transmission Capacity. Energy Economics.
1 And zones with similar price change with wind output Max wind 0.8-2 Mrd. Euro jährliche Einsparung Brennstoff+CO2 durch bessere Netznutzung Source: Neuhoff, Barquin, Bialek, Boyd, Dent, Echavarren, Grau, von Hirschhausen, Hobbs, Kunz, Nabe, Papaefthymiou, Weber and Weigt (2013): Renewable Electric Energy Integration: Quantifying the Value of Design of Markets for International Transmission Capacity. Energy Economics.
1 Vorteile des Europäischen Netzes I: Ausgleich von Windportfolios in Deutschland und Polen Wie können DEU und PL die Synergien in der Erzeugung bergen?
1 Vorteile des Europäischen Netzes II: Gemeinsame Generation Adequacy, Deutschland 120 100 80 60 120 100 80 60 Retired Mothballed Retirement nominated Network reserve Available capacity Peak load 40 40 20 20 0 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 0 Situation in Deutschland: Zurzeit große Überkapazitäten Mehrere Stilllegungen angemeldet in kommenden Jahren Welche administrativen Schritte?
1 Vorteile des Europäischen Netzes II: Gemeinsame Generation Adequacy, und Polen 4 GW 0 GW Top-down Scenario EU 2020 Best Estimate Scenario B -4 GW Conservative Scenario A 2013 2015 2016 2020 Situation in Polen: Mit IPPC bedingter Schließung von Kohlekraftwerken 2016 Knappheit Umfangreiche Investitionen in Kapazitäten nötig
1 Herausforderung bei der Nutzung des Netzes Loop-flows berücksichtigen Wenn Realised Schedules DE AT kleiner als 500 MW (01.2011 12.2012) Warum ist keine Interkonnektorkapazität zwischen DEU und PL verfügbar? Source: Joint study by ČEPS, MAVIR, PSE and SEPS regarding the issue of Unplanned flows in the CEE region in relation to the common market area Germany-Austria, January 2013
1 Herhausforderung bei der Nutzung des Netzes Loop-flows berücksichtigen Wenn Realised Schedules DE AT größer als 3000 MW (01.2011 12.2012) Kapazität muss reserviert werden für loop-flows und Sicherheitsmargen. Source: Joint study by ČEPS, MAVIR, PSE and SEPS regarding the issue of Unplanned flows in the CEE region in relation to the common market area Germany-Austria, January 2013 12
Respect diversity How power market design can support renewable integration 1 Nutzung der regionalen Diversität 2 Berücksichtigung der Diversität der Investoren/Finanzierung 3 Berücksichtigung der Diversität der Erzeugung 4 (Integrierende Rahmenbedingungen, EU ETS, RE Ziele) 13 Karsten Neuhoff, 3.4.2014
2 Investitionen Finanzierungskosten zentral für Erfolg der Energiewende 2.500 2.000 Billion (Euros) 1.500 1.000 500-2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Imported fossile fuels Carbon costs of emissions @ 30 /tco2) Renewable energy cost (5% cost of capital) Domestic fossile fuels Renewable investment costs Renewable energy cost (10% cost of capital) Source: Neuhoff et al. (2014): Staying with the Leaders: Europe s path to a low carbon economy. www.climatestrategies.org. DIW Berlin Calculations based on REN 21, 2013; EPIA, 2014; Clean Energy Regulator, 2014. Assumptions: 2% Inflation, Fossil conversion losses 50% 66% of energy from on-shore Wind and 33% Solar
2 A leading group of countries facilitates investments in renewable energy - Example: Feed-in tariffs Source: Neuhoff et al. (2014): Staying with the Leaders: Europe s path to a low carbon economy. www.climatestrategies.org. DIW Berlin Calculations based on REN 21, 2013; EPIA, 2014; Clean Energy Regulator, 2014.
2 A leading group of countries is modernizing energy provision and use - Example: Annual construction of wind power 2009-2012. In 2012, 70% of wind deployment was outside of Europe. Source: Neuhoff et al. (2014): Staying with the Leaders: Europe s path to a low carbon economy. www.climatestrategies.org. DIW Berlin Calculations based on REN 21, 2013; EPIA, 2014; Clean Energy Regulator, 2014.
2 A leading group of countries is modernizing energy provision and use Example: Annual construction of photovoltaic 2009-2013. In 2013, 70% of solar deployment was outside of Europe. Source: Neuhoff et al. (2014): Staying with the Leaders: Europe s path to a low carbon economy. www.climatestrategies.org. DIW Berlin Calculations based on REN 21, 2013; EPIA, 2014; Clean Energy Regulator, 2014.
2 Market and RE remuneration risks drive financing costs Tradable green certificates Revenue requirement (Financing costs) Risk from: Performance/operation Regulatory uncertainty Future market evolution Premium Fixed Floating Feed-in Costs Project risk and developers margin Transmission constraints Balancing, Reference Price Energy price risk Policy design TGC TGC market price
2 Kosten / installierte Anlage deutlich geringer Feed-in tariffs - Limited volume of surplus profits for wind Tradeable green certificates (TGC) - Consistently higher cost than feed-in Profits for investors Euro/MWh (assuming 6.5% WCC) Source: EU Project RE-shaping
2 Unterschiedlicher Anforderungen der Technologien an Markt- und Regulierung sollten berücksichtigt werden Strategische Entscheidung Wind/PV Installationsvolumen und räumliche Verteilungen Konventionelle Kraftwerke & Interaktion Nachfrage/Wärme (Re-) Investitionen& Schließung Verträge für Kohle, Gas, Anteil Kapital- an Gesamtkosten Voraussetzung für staatliche Entscheidungen 80% 30% Gute Informationslage (Homogene Technologien, wettbewerbliche Preise) Asymmetrische Information (Zustand von Bestandsanlagen, Marktmacht) Weitere Faktoren EE Ausbaupfad benötigt für Netzausbauplanung und Wertschöpfungskette Anlagenspezifische Entscheidungen, sehr politisch Strategische Entscheidung: Öffentlich Privatwirtschaftlich Finanzierung: Projektfinanzierung On-balance Sheet Sicherheit: 20 Jahre (EEG) 1-3 Jahre (Verträge/Kunden)
2 Interaktionen Finanzierung / Strommarktgestaltung Terminmärkte zentral für effektiven Markt (1-4 Jahre) Absicherung von Erzeugern und Kunden Sichtbarkeit für Reinvestitionen und Schließungen Dafür notwendig: Übertragungsverträge für mehr als ein Jahr Zeitnahe Weitergabe der EEG Umlage Teil des Portfolios Nebeneffekte von Kapazitätsmechanismen berücksichtigen Passende Vertragsstrukturen 21
2 German Day-ahead Spark spread (with fuel plus ETS costs) vs. Option Payoff for CCGT Units (with heat rate of 7,000 BTU/KWh Source: Schwenen and Neuhoff (2014): The Declining Value of Peak Forward Contracts. IAEE Energy Forum. 22
Respect diversity How power market design can support renewable integration 1 Nutzung der regionalen Diversität 2 Berücksichtigung der Diversität der Investoren/Finanzierung 3 Berücksichtigung der Diversität der Erzeugung 4 (Integrierende Rahmenbedingungen, EU ETS, RE Ziele) 23
3 Interaktionen Finanzierung / Strommarktgestaltung Day-ahead/Intra-day Auktionen Referenz für Terminmärkte Effiziente Kurzzeitmärkte erschließen europaweite Synergien Erlöse Verkäuferunabhängig Marktprämie nicht notwendig Wert von Flexibilität im Strompreis abbilden 24
3 Zu berücksichtigende Herausforderung Dispatch (I) Peak Traditionell: Kraftwerksstart nach Festen Zeiten der Peak Nachfrage Wachsende Wind/Solaranteile: Täglich wechselndes Erzeugungsmuster Daten der Transparency Platform aufgearbeitet von Bruno Burger, Fraunhofer ISE 25 Damit Kohlekraftwerke etc. ihre Flexibilität im Markt anbieten können, müssen zeitliche Abhängigkeiten in Angeboten abgebildet werden können. (z.b. Start-up Kosten, Part-Load Kosten, Ramping Raten)
3 Verbesserungen der Windprognose in letzten Stunden Durschschnittlicher Prognosefehler (%) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 2005 2006 2007 2008 Wachsender Anpassungsbedarf in den letzten Stunden 4-8 Stunden. vor Produktion Bei gutem Marktdesign können alle konventionellen Anlagen Flexibilität beisteuern. Daten von Ignacio de la Fuente, Red Eléctrica de España 26
3 Flexible Antwort auf verbesserte Windprognose: Synergien im System reduzieren Kosten Intraday market design kann start-up Kosten und must-run Sockel reduzieren. Source: Müsgens and Neuhoff (2006): Modelling Dynamic Constraints in Electricity Markets and the Costs of Uncertain Wind Output, Cambridge. 27
3 Temporal diversity: Price-duration curve guide investment (assuming no risk aversion) 100 80 /MWh 60 40 2005 2010 20 0 2015 2020 1 974 1947 2920 3893 4866 5839 6812 7785 8758 Load Hour Source: Neuhoff, Ehrenmann, Butler, Cust, Hoexter, Keats, Kreczko & Sinden (2008): Space and Time: Wind in an Investment Planning Model, Energy Economics.
4 Zusammenfassung Nutzung der regionalen Diversität Effektive Netznutzung + Netzausbau Berücksichtigung der Diversität der Investoren/Finanzierung Wind / Solar LT Verträge /EEG Konventionelle Anlagen Balance Sheet, Mid-term Verträge Biomasse, Storage etc.? Berücksichtigung der Diversität der Erzeugung Nutzung der Flexibilität von (konventionellen) Anlagen (Integrierende Rahmenbedingungen, EU ETS, RE Ziele) 29