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Main Title: On the economics of real-time pricing in low-carbon electricity markets
Subtitle: efficiency and feasibility in the presence of policy-induced variable renewable energy supply
Translated Title: Die Ökonomik von Echtzeittarifen in dekarboniserten Strommärkten
Translated Subtitle: Effizienz und Implementierbarkeit bei induzierter variabler Stromerzeugung
Author(s): Gambardella, Christian
Advisor(s): Edenhofer, Ottmar
Referee(s): Edenhofer, Ottmar
Müsgens, Felix
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Has Part: https://doi.org/10.5547/01956574.37.SI3.mpah
https://doi.org/10.1038/nenergy.2017.50
Language Code: en
Abstract: Price responsive demand is increasingly considered as an integral part of lowcarbon electricity markets, where accommodating the large share of variable renewable electricity generation from wind and solar power will be pivotal for efficiency and supply reliability. Exposing consumers to the variation in the marginal costs of electricity supply through real-time retail prices is to many economists the most intuitive solution to achieve this. The economic evaluation of implementing real-time pricing in low-carbon electricity markets requires a proper understanding of how climate policy instruments and variable renewable generation interact on the related welfare as well as distributional effects. This thesis provides insights on this interaction, by identifying the major drivers and explaining the basic economic mechanisms underlying the effects of real-time retail pricing on transforming electricity markets. To this end, comparative static welfare analyses are conducted, by using a simple electricity market modeling framework to simulate long-run market equilibria and applying empirical market data. In doing so, this thesis sheds light on crucial issues regarding the timing and feasibility of introducing real-time pricing, both of which are relevant to regulators and market actors. The optimal timing of rolling out real-time pricing is found to be complicated by a non-linear relationship between policy-induced variable renewable technology deployment and the gross welfare gains from real-time pricing. This result challenges existing rollout strategies, since it implies that real-time pricing does not necessarily become more beneficial in the presence than in the absence of large-scale variable renewable generation. Moreover, growing variable renewable deployment renders full-fledged real-time pricing virtually inevitable, as it allows for making efficient use of installed renewable capacity, and thus increasingly outperforms second-best pricing schemes, which are often considered less complex and therefore more feasible. Besides the complexity of real-time pricing, its potentially adverse distributional effects are another important acceptance barrier, which this thesis addresses. Variable renewable electricity supply is shown to significantly attenuate these distributional effects, within and across consumer sectors, since reducing the influence of individual demand patterns on consumption costs. Most consumers might thus not have to expect significant consumption cost increases from real-time pricing in low-carbon electricity markets. Targeted rollouts of real-time pricing to large consumers, which are often considered efficient at low renewable supply shares, are, however, found to result in negative pecuniary externalities across consumer sectors, affecting particularly residential consumers. Such cross-sectoral distributional effects could foster already existing acceptance problems of dynamic pricing schemes. In addition to this, many consumers may make non-optimal tariff choices and decide not to switch to real-time pricing for a variety of reasons. This thesis shows that the resulting unrealized welfare gains could be substantial and rapidly growing with variable renewable market penetration, particularly if mostly residential and commercial consumers do not adopt real-time pricing. It is therefore arguedthat the potential welfare losses from low adoption rates could justify corrective measures, if tariff choices are indeed non-optimal on average. Furthermore, several findings in this thesis highlight the complementarity of real-time pricing and climate or renewable policies. This thesis particularly contributes to assessing the cost-effectiveness of renewable support instruments, by illustrating the circumstances under which renewable output subsidies can be more efficient than capacity subsidies in achieving a certain renewable supply target. Putting previous research on this topic into perspective, this seemingly counterintuitive result can obtain, if consumers are real-time priced and can thus react to the negative wholesale prices induced by output subsidies during periods of high variable renewable generation. Addressing the potential influence of other technological factors on the effects of real-time pricing, this thesis analyzes the relevance of costs and price effects resulting from rapid changes in thermal-plant operation, caused by variable renewable generation. While these effects can decisively modify the evolution of efficiency gains from real-time pricing found in this thesis, it can be illustrated that they likely become negligible under reasonable assumptions about the dynamics in fuel prices, in the carbon price and the generation portfolio. Concluding with a thorough discussion on future research avenues, this thesis argues that since knowledge about retail tariff choice is lacking, it remains fundamentally uncertain whether the efficiency potential of real-time pricing can actually be realized. Understanding and investigating the determinants of retail tariff choice hence appear to be the next important steps for advancing the economics of real-time pricing.
Eine preisealistische Stromnachfrage wird zunehmend als essentielle Voraussetzung eines an Kohlendioxidemission armen Strommarktes erachtet. Sowohl die Effizienz als auch die Versorgungssicherheit dieses Marktes wird maßgeblich durch die Integration fluktuierender Stromerzeugung seitens variabler erneuerbarer Energien bestimmt werden. Echtzeittarife, die Stromkonsumenten die Variation der marginalen Erzeugungskosten signalisieren, stellen eine in dieser Hinsicht intuitive Lösung dar. Eine ökonomische Bewertung solcher Tarife in sich wandelnden Märkten erfordert das Verständnis über die Wechselwirkung klimapolitischer Instrumente und variabler, erneuerbarer Stromerzeugung auf die mit Echtzeittarifen einhergehenden Wohlfahrts- und Verteilungseffekte. Die vorliegende Arbeit beleuchtet diese Interaktion, indem sie entscheidende Einflussfaktoren der Wohlfahrts- und Verteilungseffekte von Echtzeitpreisen in sich verändernden Strommärkten identifiziert und die zugrundeliegenden ökonomische Mechanismen erklärt. Um dies zu erreichen werden komparativ statische Wohlfahrtsanalysen mittels eines einfachen Strommarktmodells durchgeführt, welches auf Basis empirischer Marktdaten langfristige Gleichgewichte im Strommarkt simuliert. Somit gibt diese Dissertation Antworten auf wesentliche Themen bezüglich des Timings und der Durchführbarkeit der Markteinführung von Echtzeittarifen. Insbesondere kann sich die optimale Terminierung der Einführung von Echtzeittarifen als komplex erweisen angesichts des nicht-linearen Zusammenhangs zwischen der Diffusion variabler erneuerbare Erzeugungstechnologien und den mit Echtzeittarifen verbundenen Wohlfahrtsgewinnen. Dadurch geht die Einführung von Echtzeittarifen, entgegen weitverbreiteter Intuition und gegenwärtiger Pläne bezüglich ihrer Markteinführung, nicht notwendigerweise mit höheren Wohlfahrtsgewinnen einher, sobald ein hoher Anteil variabler erneuerbarer Energieerzeugung im Markt erreicht ist. Darüber hinaus scheinen Echtzeittarife mit der Marktpenetration variabler Erzeugungstechnologien zunehmend alternativlos zu werden, da es eine effiziente Nutzung installierter erneuerbarer Kapazität erlaubt, so dass weniger komplexe und deswegen als praktikabler erachtete dynamischer Stromtarifmodelle signifikant ineffizienter werden. Echtzeittarife werden jedoch nicht nur wegen ihrer Komplexität, sondern auch wegen ihrer möglicherweise negativen Verteilungseffekte als impraktikabel erachtet. Es kann jedoch gezeigt werden, dass solche Verteilungseffekte, die sowohl innerhalb eines Konsumentensegments als auch sektorenübergreifend entstehen, durch variable Stromerzeugung abgeschwächt werden können. Dies ist darauf zurückzuführen, dass eine zunehmend fluktuierende Erzeugung den Einfluss individueller Nachfragemuster auf die jeweiligen Kosten des Stromkonsums abmildert. Die meisten Stromkonsumenten wären daher keinen signifikanten Kostensteigerungen durch Echtzeittarife in einem von erneuerbaren Energien dominierten Strommarkt ausgesetzt. Eine selektive Einführung von Echtzeittarifen, die oft aus plausiblen Effizienzgründen für relativ große Konsumenten angedacht wird, kann wiederum signifikante negative Verteilungseffekte auf Konsumenten anderer Sektoren haben, insbesondere solange der Anteil variabler erneuerbarer Stromerzeugung relativ gering ist. Dadurch könnten bestehende Akzeptanzprobleme hinsichtlich der Einführung von Echtzeittarifen verstärkt werden. Zudem könnten viele Konsumenten nicht optimale Tarifentscheidungen treffen und Echtzeittarife aufgrund verschiedener Faktoren ablehnen. Wie die vorliegende Arbeit zeigt, könnten dadurch substanzielle Wohlfahrtsgewinne nicht realisiert werden, insbesondere wenn Konsumenten des Haushalts- und Dienstleistungssektors Echtzeittarife ablehnen. Diese entgangenen Wohlfahrtsgewinne steigen zudem stark mit dem Anteil erneuerbarer Erzeugung an. Die potenziellen Wohlfahrtsverluste durch geringe Akzeptanzraten könnten somit Interventionen rechtfertigen, die der Korrektur nicht optimaler Tarifentscheidungen dienen können. Viele Ergebnisse dieser Dissertation unterstreichen überdies die Komplementarität von Echtzeittarifen und Klima- beziehungsweise erneuerbarer Förderpolitiken. Die vorliegende Arbeit trägt insbesondere zur Bewertung der Kosteneffektivität erneuerbarer Förderpolitiken bei, indem sie aufzeigt unter welchen Umständen erneuerbare Erzeugungssubventionen gegebene Einspeiseziele effizienter erreichen können als entsprechend Kapazitätssubventionen. Dieses scheinbar kontraintuitive Ergebnis kommt zustande sobald Echtzeittarife eingeführt sind und Konsumenten somit durch negative Strompreise in Phasen hoher variabler Stromerzeugung einen Anreiz erhalten ihre Nachfrage zu erhöhen. Um den möglichen Einfluss weiterer technologischer Faktoren auf die Effekte von Echtzeittarifen zu adressieren, wird in dieser Arbeit die Relevanz von Kosten- und Preiseffekten analysiert, die durch rapide Änderungen in der Stromerzeugung thermischer Kraftwerke entstehen, und die durch variable erneuerbare Erzeugung verstärkt werden können. Während diese Effekte die Entwicklung der Wohlfahrtseffekte von Echtzeittarifen stark beeinflussen können, kann gezeigt werden, dass ihr Einfluss unter realistischen Annahmen hinsichtlich der Dynamik von Energiepreisen, CO2 Preisen und des Erzeugungsportfolios vernachlässigbar werden. Die vorliegende Arbeit schließt mit einer ausführlichen Diskussion möglicher weiterer Forschungsthemen bezüglich der Einführung von Echtzeittarifen ab. Hierbei wird aufgezeigt, dass das Wissen über mögliche Einflussfaktoren auf Tarifentscheidungen fehlt und daher eine grundsätzliche Unsicherheit darüber besteht, ob und inwiefern die möglichen Effizienzgewinne durch Echtzeittarife überhaupt realisierbar sind. Die Analyse der Determinanten von Tarifentscheidungen ergibt sich somit als wichtiger nächster Schritt in der Ökonomik der Echtzeittarife.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10542
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9470
Exam Date: 1-Mar-2019
Issue Date: 2020
Date Available: 10-Feb-2020
DDC Class: 333 Boden- und Energiewirtschaft
Subject(s): energy economics
computational economics
climate policy
partial equilibrium modeling
electricity markets
Pigouvian taxation
carbon pricing
retail pricing
Energieökonomik
quantitative Ökonomik
Klimapolitik
partielle Gleichgewichtsmodellierung
Strommärkte
Pigou-Steuer
CO2-Bepreisung
Stromtarif
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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