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Titelmasterformat durch Klicken bearbeiten HEADING TOWARDS SUSTAINABLE • Textmasterformate durch Klicken AND DEMOCRATIC ELECTRICITY bearbeiten SYSTEMS • Zweite Ebene • Dritte Ebene • Vierte Ebene Reinhard HAAS, • Fünfte Ebene Energy Economics Group, TU Wien Ljubljana, 18 May 2018 1

CONTENT: Titelmasterformat durch Klicken 1. Introduction: bearbeiten Motivation • Textmasterformate durch Klicken 2. Method of approach bearbeiten 3. How variable renewables impact • Zweite prices Ebene in electricity markets • Dritte Ebene 4. The core problem of capacity payments • Vierte Ebene 5. The role of flexibility and sector coupling • 6. Fünfte Ebene Balancing groups: A future market design 7. Subsidizing RES: How long? 8. Conclusions 2

Titelmasterformat durch Klicken 1. INTRODUCTION bearbeiten Motivation: • Textmasterformate durch Klicken * Climate change Paris agreements bearbeiten • Zweite Ebene * Targets for renewables • Dritte Ebene Vierte Ebene * • The clean energy package • Fünfte Ebene * It is not possible to squeeze variable renewables into the system by violence system integration 3

Introduction: Titelmasterformat durch Klicken Electricity generation EU-28 bearbeiten • Textmasterformate durch Klicken bearbeiten • Zweite Ebene • Dritte Ebene • Vierte Ebene • Fünfte Ebene 4

How prices come about: Titelmasterformat durch Klicken Three periods of market design before liberalisation bearbeiten after liberalisation: old thinking after liberalisation: new thinking Price, costs (EUR/MWh) • Textmasterformate durch Klicken bearbeiten Scarcity prices • Zweite Ebene Average • Dritte Ebene costs • Vierte Ebene Long-term marginal costs • Fünfte Ebene Short-term marginal costs Excess prices time 5

Core objective Titelmasterformat durch Klicken bearbeiten … to identify the major boundary conditions to • Textmasterformate Klicken integrate even largerdurch amounts of variable bearbeiten into the electricity system renewables • Zweite Ebene • Dritte Ebene. Very important: • Vierte Ebene Our reflections apply in principle to every • Fünfte Ebene electricity system world-wide …. are based on electricity economic point-of-view 6

Titelmasterformat durch Klicken 2. METHOD OF APPROACH bearbeiten • • • hourly resolution of residual load over a Textmasterformate durch Klicken year in scenarios with large quantities bearbeiten of variable renewables; Zweite Ebene Dritte Ebene Applying a fundamental model to Vierte Ebene calcu. Iate (static) hourly electricity spot market prices; Fünfte Ebene Integration of flexibility in a dynamic framework for price calculation; 7

Day-ahead electricity markets Titelmasterformat durch Klicken bearbeiten Expectation of • Textmasterformate durch Klicken bearbeiten • Zweite Ebene prices = Short-term marginal costs • Dritte Ebene • Vierte Ebene (Short-term marginal costs = fuel costs) • Fünfte Ebene due to huge depreciated excess capacities at the beginning of liberalisation! 8

Titelmasterformat durch Klicken bearbeiten • Textmasterformate durch Klicken 3 bearbeiten HOW VARIABLE RENEWABLES IMPACT THE ELECTRICITY SYSTEM AND PRICES IN • Zweite Ebene ELECTRICITY MARKETS • Dritte Ebene • Vierte Ebene • Fünfte Ebene 9

Example: prices without Titelmasterformat durch Klicken and with PV bearbeiten Costs, Price (EUR/MWh) • Textmasterformate durch Klicken Demand Dt bearbeiten • Zweite Ebene • Dritte Ebene Price = System marginal costs • Vierte Ebene • Fünfte Ebene Supply curve w/ PV Price with PV! Supply curve w/o PV PV 10 MW

Supply and Demand Titelmasterformat durch. RESKlicken Production < Demand RES Production bearbeiten > Demand • Textmasterformate durch Klicken Demand bearbeiten • Zweite Ebene • Dritte Ebene • Vierte Ebene • Fünfte Ebene 11

Key term of the future: Titelmasterformat durch Klicken Residual load bearbeiten (base load is “dead”) • Textmasterformate durch Klicken Under coverage bearbeiten • Zweite Ebene • Dritte Ebene • Vierte Ebene Excess electricity • Fünfte Ebene Residual load = Load – non-flexible generation 12

Deviation from STMC-pricing Titelmasterformat durch Klicken in spot markets Scarcity prices pt 1 bearbeiten New price spreads • Textmasterformate durch Klicken bearbeiten • Zweite Ebene • Dritte Ebene Low average price (3 cents/k. Wh) • Vierte Ebene Negative prices • Fünfte Ebene pt 2 These price spreads provide incentives for new flexible solutions!!!! 13

Remark: Cold - dark – Lull („Kalte Titelmasterformat durch Klicken Dunkelflaute“) bearbeiten Maximum price: ca. 85 EUR/MWh • Textmasterformate durch Klicken bearbeiten • Zweite Ebene • Dritte Ebene • Vierte Ebene • Fünfte Ebene 14

Classified residual load over. Klicken a year Titelmasterformat durch bearbeiten • Textmasterformate durch Klicken bearbeiten 2016 • Zweite Ebene Under coverage • Dritte Ebene • Vierte Ebene 2030 • Fünfte Ebene Surplus due to excess generation 15

Classified residual load Klicken Titelmasterformat durch bearbeiten How to cover Cold Klicken - dark – Lull • Textmasterformate durch Under coverage („Kalte Dunkelflaute“) ? bearbeiten • Zweite Ebene • Dritte Ebene Excess • Vierte Ebene production • Fünfte Ebene 16

There are two extreme positions: Titelmasterformat durch Klicken bearbeiten By a regulated capacity „market“ with STMC • Textmasterformate durch Klicken pricing? • • bearbeiten Zweite Ebene or Dritte Ebene Vierte Ebene By competition Fünfte Ebene between supply-side and demand-side technologies and behaviour (incl. Storages, grid and other flexibility options) with correct scarcity pricing signals? 17

4 THE CORE PROBLEMS Titelmasterformat durch Klicken OF CAPACITY PAYMENTS bearbeiten All regulatory capacity payments for power plants destort the EOM and lead to wrong price signals • Textmasterformate durch Klicken for all other options bearbeiten • Price Zweite Ebene peaks at times of scarce resource should • Dritte Ebene revive the markets and lead to effective • Vierte Ebene competition The higher the excess capacities, the lower is the • Fünfte Ebene share of RES strive to retain system resource adequacy by 18 correct price signals without capacity payments

Titelmasterformat durch Klicken bearbeiten Given a price pattern, showing excess and scarcity • Textmasterformate durch Klicken bearbeiten prices it would be attractive a sufficient number of flexible power • Zweitefor Ebene plant operators • Dritte Ebene to stay in the market! • Vierte Ebene • Fünfte Ebene REVISED ENERGY-ONLY MARKET 20

5 Flexible coverage of residual Titelmasterformat loaddurch Klicken bearbeiten Very high prices (2000 EUR/MWh!) Extension Transmission grid Capacity without ensured payments • Textmasterformate durch Klicken Load reduction due to bearbeiten Demand response to prices • Zweite Ebene Load reduction due to management • Dritte Ebene Demand-side technical (e. g. cycling) • Vierte Ebene • Fünfte Ebene Flexible power plants Storages Hours/year 21

Titelmasterformat durch Klicken Comparison bearbeiten • Textmasterformate durch Klicken bearbeiten • Zweite Ebene • Dritte Ebene • Vierte Ebene • Fünfte Ebene 22

Demand for long-term storage Titelmasterformat durch Klicken Long-term storage needed bearbeiten • Textmasterformate durch Klicken bearbeiten • Zweite Ebene • Dritte Ebene • Vierte Ebene • Fünfte Ebene 24

Sector coupling / Sector Titelmasterformat durch Klicken integration bearbeiten • *Textmasterformate durch Klicken In times of surplus generation: How to use excess electricity in meaningful way? bearbeiten • Zweite Ebene • Dritte. Heating/Cooling Ebene Transport * • Vague simplified Vierte Ebene suggestions, no convincing long-term • Fünfte Ebene solutions * Central (Ptx approaches, e. g. H 2) vs decentral (end user level, E. g. Evs, heat pumps for heating) applications * How to fit use with time of surplus, e. g of PV for heating ? 25

Sector coupling hydrogen: Titelmasterformat durch Klicken Storage and fuel in transport? bearbeiten η=27 -38% • Textmasterformate durch Klicken η ≈90% η=50 -60% bearbeitenη=60 -70% Electrolyser • Zweite Ebene G • Dritte Ebene H 2 -Storage • Vierte Ebene • Fünfte Ebene Compressor Electricity Combined cycle H 2 Electricity H 2 26

Titelmasterformat durch Klicken bearbeiten • Textmasterformate Klicken 6. THE CORE ROLE durch AND RESPONSIBILITY bearbeiten. OF BALANCING GROUPS • Zweite Ebene • Dritte Ebene • Vierte Ebene • Fünfte Ebene 27

Elements of electricity markets Titelmasterformat durch Klicken bearbeiten Time of delivery Quantity (TWh) • Textmasterformate durch Klicken bearbeiten Long-term: • Bilateral contracts • Zweite Ebene • Futures • Dritte Ebene • Vierte Ebene Short-term: • Fünfte Ebene • day-ahead and • Intraday markets Years, months Control power, Balancing energy Day, hours ¼ hours 28

BALANCING GROUPS Titelmasterformat durch Klicken bearbeiten • Textmasterformate durch Klicken Generators Exports Consumers bearbeiten • Imports Zweite Ebene • Dritte Ebene Balancing group: entity in a control area of an electricity • Vierte Ebene system; it has to ensure that at every moment demand • Fünfte Ebenesupply is balanced E. g. municipal utility of Vienna, Ljubljana, Maribor. Essen To meet this target: own generation , storage, flexibility, Trading in long-term, day-ahead and intraday market Every difference high costs! 29

Old thinking Titelmasterformat durch Klicken bearbeiten • Textmasterformate durch Klicken bearbeiten Genera. Supply Grid • Zweite Ebene tion • Dritte Ebene • Vierte Ebene Storage • Fünfte Ebene Demand Flexibility options 30

New Thinking: Making the electricity Titelmasterformat durch Klicken system more democratic bearbeiten • Textmasterformate durch Klicken bearbeiten G 1 Balancing G 3 Grid Group/ • Zweite Ebene Supplier G 2 • Dritte Ebene STO • Vierte Ebene STO Flexibility options • Fünfte Ebene G 5 Prosumagers *) G 4 STO 31 *) R. Green

Titelmasterformat durch Klicken bearbeiten • Textmasterformate durch Klicken bearbeiten 7. IS THE TIME FOR SUBSIDIZING RENEWABLES OVER ? • Zweite Ebene • Dritte Ebene As long there is no price on CO 2 …. . • Vierte Ebene • Fünfte Ebene 33

Grid parity: PV-costs and household Titelmasterformat electricity durch prices Klicken bearbeiten Costs • Textmasterformate durch Klicken bearbeiten • Zweite Ebene • Dritte Ebene Household electricity price Germany • Vierte Ebene • Fünfte Ebene Austria Grid parity 34

Titelmasterformat durch Klicken Share of own consumption bearbeiten • Textmasterformate durch Klicken bearbeiten • Zweite Ebene • Dritte Ebene • Vierte Ebene • Fünfte Ebene 36

Tenant electricity model and Titelmasterformat durch Klicken Blockchain bearbeiten PV-System on the roof • Tenant Textmasterformate durch Klicken electricity model: Contracted PV-electricity bearbeiten • Zweite Ebene Customer 1 • Dritte Ebene • Balancing Vierte Ebene Customer 2 Group/ • Supplier Fünfte Ebene Customer 3 Meter Blockchain 37

8. CONCLUSIONS Titelmasterformat durch Klicken • Sustainable electric. system integration of a bearbeiten broad technology portfolio & demand-side options! • Textmasterformate durch Klicken • Larger market areas favourable bearbeiten • • Very important: Zweite Ebenecorrect price signals (incl. CO 2) • • most urgent: exhaust full creativity for flexibility Dritte Ebene of all market participants incl. decentralised PV • Vierte Ebene systems • Fünfte payments: Ebene • Capacity Any CP will distort the system towards more conv. and less RES capacity • New key player: Balancing group (Supplier), no more the generator 38