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2022-04-16
摘要翻译:
能源经济学和电力市场界正在进行的一场辩论提出了一个问题,即由于补贴可再生能源(RES)的馈电份额不断增加,纯能源电力市场是否正在日益失败。对此的简短回答是:不,他们没有失败。然而,以能源为基础的电力市场面临着几个市场扭曲,即前一天市场交易的电量与总用电量之间的差距,以及(错误的)监管假设,即可变RES发电,即风能和光伏(PV),实际上是零边际运营成本。在本文中,我们发现这两种效应都过度放大了众所周知的RES功率馈入的优序效应,超出了可由潜在物理现实解释的水平,即由于考虑损耗和启停约束,火力发电厂愿意接受负电价以保持在线。我们分析了风能和光伏电力馈入对一个地区的前一天市场的影响,该地区今天已经经历了大量的馈入电价(FIT)补贴的RES电力馈入,即EPEX德国-奥地利市场区(大约$\\\\,$20%的FIT份额)。我们的分析表明,如果采取必要的调整措施,即增加前一日市场在总负荷需求中的份额,并按优劣顺序使用RES单元的真实边际成本,尽管RES功率馈入较高,但基于能源的电力市场仍可保持功能。
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英文标题:
《Revisiting the Merit-Order Effect of Renewable Energy Sources》
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作者:
Marcus Hildmann, Andreas Ulbig and G\\\"oran Andersson
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最新提交年份:
2014
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分类信息:

一级分类:Quantitative Finance        数量金融学
二级分类:General Finance        一般财务
分类描述:Development of general quantitative methodologies with applications in finance
通用定量方法的发展及其在金融中的应用
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英文摘要:
  An on-going debate in the energy economics and power market community has raised the question if energy-only power markets are increasingly failing due to growing feed-in shares from subsidized renewable energy sources (RES). The short answer to this is: No, they are not failing. Energy-based power markets are, however, facing several market distortions, namely from the gap between the electricity volume traded at day-ahead markets versus the overall electricity consumption as well as the (wrong) regulatory assumption that variable RES generation, i.e., wind and photovoltaic (PV), truly have zero marginal operation costs. In this paper we show that both effects over-amplify the well-known merit-order effect of RES power feed-in beyond a level that is explainable by underlying physical realities, i.e., thermal power plants being willing to accept negative electricity prices to be able to stay online due to considerations of wear & tear and start-stop constraints. We analyze the impacts of wind and PV power feed-in on the day-ahead market for a region that is already today experiencing significant feed-in tariff (FIT)-subsidized RES power feed-in, the EPEX German-Austrian market zone ($\\approx\\,$20% FIT share). Our analysis shows that, if the necessary regulatory adaptations are taken, i.e., increasing the day-ahead market\'s share of overall load demand and using the true marginal costs of RES units in the merit-order, energy-based power markets can remain functional despite high RES power feed-in.
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2022-4-16 14:40:23
马库斯·希尔德曼(Marcus Hildmann)、安德烈亚斯·乌尔比格(Andreas Ulbig)和格兰·安德森(Goran Andersssonabstract)在能源经济学和电力市场界进行的辩论提出了一个问题,即由于补贴可再生能源(RES)的馈电份额不断增加,纯能源电力市场是否正在日益失败。对此的简短回答是:不,他们没有失败。以能源为基础的电力市场是,然而,面对几种市场扭曲,即日间市场交易电量与总用电量之间的差距,以及(错误的)监管假设,即可变发电,即风能和光伏(PV),真正具有零边际运行成本。本文表明,这两种效应都过度放大了众所周知的RES供电的优序效应--超出了可用潜在物理现实解释的水平,即火电厂出于磨损和启停约束的考虑,愿意接受负电价以保持在线。我们分析了风能和光伏电力馈入对日前市场的影响,该地区今天已经经历了显著的馈入电价(FIT)补贴的RES电力馈入,即EPEX德国奥地利市场区(≈20%的FIT份额)。我们的分析表明,如果采取必要的监管适应措施,即增加日间市场在总负荷需求中的份额,并按价值顺序使用RES单位的真实边际成本,尽管RES电力馈入很高,但基于能源的电力市场仍可以保持功能。在20世纪90年代早期,随着许多欧洲电力市场的自由化,ZF推出了以促进可再生能源(RES)大规模部署为具体目标的支持计划。德国《可再生能源法》(Erneuerbareenergien-Gesetz)(EEG)是一个著名的支持计划,自2000年以来,在其前身Stromeinspeisungsgesetz(1990)的基础上,为节省可再生能源提供了优惠的上网电价(FIT)。它优先考虑来自RES的电力供应,而不是来自传统发电厂的电力供应,即以化石和核燃料为燃料的火力发电厂和通常是大型水力发电厂。到2013年底,这一有利的投资案例已经为风能和光伏发电单位各创造了约35吉瓦的装机容量[1]。1990-2012年德国可变可再生能源装机容量和年产量的演变[2],包括到2017年的展望[3]。FITs的最初目标,即大规模的RES部署(图1a)和显著的RES能源份额(图1b)已经实现。到2013年底,风力和光伏机组的总装机容量约为70吉瓦,略高于德国的平均负荷需求(63-68吉瓦取决于负荷需求测量[4],[5]),风力和光伏机组显然不能再被视为外来的、边际的电力来源。这种持续的RES生产已经对电力市场产生了显著的影响,特别是以所谓的优序效应的形式出现。特别是前一日市场价格与RES feed-indue的脱钩以适应法规,导致前一日平均价格水平较低,而且每月有几个小时的前一日价格为负值。在当今欧洲电力市场环境中,存在着潜在容量[6],欧洲的年平均现货市场价格和基峰价差均为零。Hildmann,A.Ulbig和G.Andersson在电力系统实验室工作。
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2022-4-16 14:40:29
信息技术和电气工程,ETH苏黎世(瑞士联邦理工学院),瑞士。电子邮件:hildmann ulbig andersson@eeh.ee.ethz.ch1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016020406080100120水力发电装机容量[以吉瓦计](2013-17估值)风能装机容量[以吉瓦计](2013-17估值)光伏装机容量[以吉瓦计](2013-17估值)1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2008 2010 2012 2014年2016020406080100120140160180水力发电馈入-以吉瓦计](2013-17估值)风能馈入-以吉瓦计](2013-17估值)(2013-17估值)风能馈入-以估计值)年图。1.德国可再生能源(RES)部署概况(1990-2017)。2013-2017年的数值是最佳估计。a)风力涡轮机和光伏机组装机容量的变化。b)风力涡轮机和光伏发电机组的年馈电量的演变。处于多年来的最低水平[7]。这样做的一个影响是,像燃气机组这样不受欢迎的发电厂不能正常运行,因为峰值前一日价格往往低于其边际运行成本。另一个影响是,由于峰值/基准前一日价格的差距也在缩小,近年来,运行储能设施,即抽水蓄能水力发电厂(PSHP)的优势在不断减弱[8]。虽然从长远来看,对RES机组的支持计划可能会被逐步淘汰,它们将不得不在正常的市场环境中竞争,但从中期来看,电力市场结构可能必须适应RES部署的日益增长的影响。在随后的研究中,必须考虑两个相关的视角:1)生产者视角:如何在高比例的电力市场中保持必要的可调度基负荷和峰负荷电厂的可获得性;2)消费者视角:如何降低适合方案的成本,并使之能够过渡到一个补贴较少的(最终是真实的)电力市场生产商Perspectiveen在德国和类似的奥地利,所有支持FIT的RES电力馈电都在欧洲电力交易所(EPEX)的日间市场结算,要么直接结算,例如以电力供应投标的形式结算,要么间接结算,例如以降低负荷需求投标的形式结算。这一构造对前一日市场产生了两个主要影响。首先,由于FIT支持的RES馈入与当日现货价格脱钩,平均现货价格下降,因为所有这些投标将位于供应曲线的负侧,例如低至-3000E/MWh,以保证结算。除了通常较低的前一日现货价格水平外,前一日价格往往会出现负值,尤其是在需求较低和风力较大的情况下。其次,由于PV的大规模部署,峰/基扩展显著减小[7],[8]。再加上今天欧洲常规发电厂明显的容量过剩[6],这些发展导致了基础和峰值负荷发电厂以及短期储存机组(即抽水蓄能水电站)的可利用性问题。从短期和中期来看,完全基于RES的电力生产本身既不能提供必要的产量,也不能提供必要的可靠性来满足全年所有时间的负荷需求。传统发电厂的发电量可以控制,对于提供基本和峰值负荷需求、缓冲风力和光伏电力供应不足以及通常覆盖可变RES电力供应预测误差仍然是必要的。解决这个问题的一个建议是实施容量市场,在这种市场中,(传统)发电厂不仅因提供能源而获得回报,而且因提供合理的电力容量而获得回报[9]。
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2022-4-16 14:40:35
容量市场有助于降低发电厂投资风险,因为它们为发电厂所有者提供了额外的收入来源。然而,容量市场的引入将增加另一种补贴机制,既阻止了纯能源电力市场的有效运作,又从长远来看,阻止了负担得起的能源过渡到电力部门的可再生能源份额。因此,引入容量市场的想法受到了其他人的质疑,他们认为纯能源电力市场实际上可以对比今天更高的可再生能源份额的电力系统有效运作[10],[11]。b.从可再生能源的许多可能支持方案中,基于FIT的方案被证明是高效的能源政策工具。因此,RES的大规模部署,特别是风能和光伏的部署取得了显著的成功。实际的FIT付款,即FIT价格与每小时前市场价格之间的差额,在德国通过对电力消费(EEG Umlage)的额外征税来实现。由于EEG FIT计划的巨大成功,这一税收已经增加,即6.24 ect/kwhel,或约22%,平均居民电价为29 ect/kwhel(2014年)。德国零售消费者平均电价目前是欧洲最高的[12],而前一天的平均销售电价是最低的[7]。在额外的长期价格上涨的情况下,消费者有兴趣降低适合方案的成本,并实现RES电力馈入到竞争性电力市场框架中的集成。虽然长远而言,对可再生能源发电单位的补贴计划最终会逐步取消,但可再生能源发电的不确定性,即生产预测与实际生产之间固有的不匹配,将会持续存在。作为建立完全竞争的电力市场的中间环节,电力市场面临着价格风险,同时也必须为预测误差付出代价,因此有必要对现有的电力市场框架进行修正。这种修正必须确保消费者和生产者的观点得到充分考虑,同时最大限度地减少监管行为。在本文中,我们分析了EPEX电力市场的以下两个方面,在保持现有的前一日电力市场设置不变的情况下:1)风和光伏机组的每小时电力馈送量与总负荷需求量的比较。2)如果给定的风和光伏发电量被确定为一个假设的可能边际运行成本范围(0-20 E/Mwhel),则对前一日市场价格水平的估计,请参阅第四节-a以了解风和光伏机组的非零边际成本背后的原因和不利的文献回顾。基于这些假设,我们将讨论对电力市场和发电厂的影响。我们将尽量避免最初的问题是,是否真的有必要对电力市场结构进行实质性的改变,例如引入容量市场,或者是否有更简单的方法来减少由大量RES馈入造成的纯能源市场的扭曲。数据分析基于德国电力系统的高分辨率时间序列数据,这些数据由欧洲能源交易所(EEX)[13]透明平台和欧洲电力传输系统运营商网络(ENTSO-E)数据门户[5]提供。该分析是为2011-13年全年进行的。表一列出了所使用的时间序列数据和数据源。表IUSED数据和源时间序列数据源垂直电网负荷ENTSO-EGerman日前价格EEXGerman日前出价/出价曲线EEXGerman风馈入EEXGerman光伏馈入EEXVertical电网负荷,风和光伏馈入可用15分钟。分辨率,而前一天的价格和出价/出价曲线可用每小时的分辨率。所有对两种分辨率数据的分析都是在每小时分辨率和15分钟分辨率上进行的。
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2022-4-16 14:40:41
分辨率数据被下采样以确定每小时的分辨率。垂直电网负荷被调整以与德国的总供电量相匹配,即2011年561.3TWHH(2012年566.7TWh)[2],[4]。EEX提供的出价/出价曲线数据似乎包含了哪些方面进行了调整和重组(每小时的步骤正好有200个需求/供应出价);Suppedly,以模糊准确的出价和请求结构。然而,可用的数据质量完全适合我们的分析。(夏时制的影响被适当地移除。)三。EPEX SPOTA的定量分析。欧洲电力交易所(EPEX)是中欧和西欧主要的日内电力市场,直接为奥地利、法国、德国和瑞士提供服务。在这里,大部分前一天的现货市场交易都是通过EPEX进行的。2011年,EPEX德国/奥地利联合市场区的日间现货市场年结算量约为224.6吨[14]。然而,这仅占2011年德国约561.3吨电力供应总额(或德国和奥地利合计约627.8吨电力供应总额)的约40.0%(或35.8%)。到2013年,这些市场份额分别上升到44.2%(DE)和39.2%(DE+AT)。德国所有FIT补贴的RES发电都必须在EPEX日前市场(DE+at marketzone)上交易。2011年,这约占总用电量的101.3%或16.8%。在整个FIT补贴的RES馈电中,18.4%来自光伏,45.1%来自风力涡轮机[2](德国和奥地利合计108台)。因此,可变RES机组贡献了全部FIT补贴可再生能源发电的63.5%。到2013年,FIT补贴的RES份额分别增加了112吨(DE)和119吨(DE+AT)。时间序列分析在下文中,对EPEX结算交易量(德国/奥地利市场区)、FIT补贴的可再生能源生产和电力负荷需求的各自年度时间序列进行了透彻的分析,两者仅针对德国。在本节的其余部分,所有0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1050100150200250300350 EPEX现货市场成交量与净负荷需求相对成交量([0...1]=[0%..100%])图。2.EPEX日前现货量与德国净负荷需求量(2011年)的直方图。结果数据是使用2011年全年(8\'760小时)每小时供电和负荷需求时间序列计算的。2012年和2013年的结果在性质上相似,表现出相对于总负荷需求而言,RES能源和日前市场份额都稳步上升。1)EPEX交易量与负荷需求:作为给定小时内总用电量的函数,日前市场容量的清除量在23.8%的最小贡献度和67.9%的最大贡献度之间振荡。2011年EPEX日前额与德国总负荷需求的直方图如图所示。2.年内清洁前市场容量与电力需求的平均比率为35.8%(容量加权平均值)。因此,它对德国/奥地利EPEX市场区2011年全年所有电力需求的贡献略低于一半,即2.4%(1.2)RES馈线与负荷需求:FIT补贴RES生产量作为给定小时总用电量的函数,在最低贡献5.1%和最高贡献4 9.1%之间波动。全年平均贡献为15.6%(体积加权平均值)。净负荷需求的光伏能源份额在零至22.2%之间变化,而Avolume加权平均值为3.4%(2011年)。
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2022-4-16 14:40:47
风能在净负荷需求中所占份额介于零至39.3%之间,数量加权平均值为8.7%(2011年)。3)RES馈入与EPEX交易量:在给定小时内,向现货市场投标的FIT补贴RES产量作为前一天市场总出清量的函数,在一年中变化显著。这一比例在15.3%和95.0%之间变化。FIT补贴RES馈入对整年前一日市场总成交量的平均贡献为45.0%(成交量加权平均数)。因此,由FIT补贴的RES发电贡献的电力不到德国/奥地利市场区内交易的全部发电量的一半。图中给出了2011年FIT补贴RES馈入量与EPEX day-aheadvolume的直方图。3.光伏能源在日前市场交易量中所占份额介于零至47.4%之间,交易量加权平均值为8.6%(2011年)。与此相比,风能在前一日市场成交量中的份额介于零至67.5%之间,成交量加权平均值为21.8%(2011年)。其他EEG输入,即生物量、土地和生物气体以及小水电,构成了体积加权平均值≈20%的EPEX总体积(2011年)。0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1020406080100120140160180200所有RES输入与EPEX点体积([0...1]=[0%..100%])图。3.补贴RES馈入量与EPEX日前现货量的直方图(2011年)。结果:尽管所有FIT补贴的RES发电量占德国和奥地利总负荷需求的比例不到1%(2012年≈19.2%,2013年≈20.0%),但它占EPEX德国/奥地利市场区交易电量的近一半(2012年≈38.7%,2013年≈39.2%)。这清楚地说明了在直方图之间的差距的FIT-BuildZedres馈入量与总负载需求和EPEX日前量,分别作为givenin图。4.因此,由优序效应引起的观察到的前一日价格波动的根本原因变得明显:就成交量而言,前一日市场主要由补贴供应主导,因此推动了前一日价格清算机制的动态。这与德国电力系统的实际情况形成了鲜明对比,在德国电力系统中,健康补贴的再馈电发挥了次要但不断上升的作用。因此,在现有的纯能源电力市场中,一个明显的方法是通过在EPEX日前市场之外纳入更多的传统电力生产,即场外交易(OTC)来增加日前市场的交易量。EPEX和Nord Pool现货市场的比较将EPEX日前市场的情况与邻近的powermarket的情况进行比较,揭示了有趣的见解。Nord Pool是一个成熟的多国日内现货市场,包括北欧和东北欧洲国家芬兰、丹麦、挪威、瑞典和挪威[15]。北池国家的年总负荷需求(≈440 TWhel)与德国/奥地利EPEX市场区(≈665 TWhel)相当[4]。这两个电力市场都包括日间市场和日内市场,其组织方式相似(仅限于能源,在斯堪的纳维亚有战略储备)。
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