Electricity market integration and spot price convergence in a context of high penetration of renewables

Abstract

The interaction between the large-scale deployment of Renewable Energy Sources Electricity (RES-E) and spot electricity markets has sharply increased in the last decade. The high penetration of RES-E, which is now being achieved in some world regions, associated with the integration of electricity markets, creates new challenges requiring detailed study. The literature is scarce in addressing these issues simultaneously. Appropriate modelling can be developed to allow the evaluation of the key determinants of electricity market integration, considering the penetration of RES-E, by including adequate exogenous variables. The objective of this research is, therefore, to assess the influence of high penetration of RES-E on the level of electricity market integration. The spot electricity market price behaviour and the cost allocation mechanism of interconnections, through implicit auctioning, will be appraised. With this research we aim to provide robust quantitative analysis to stakeholders in both the public and private sectors, helping them to understand the wider picture. Statistical modelling is developed taking into account the objectives proposed. Vector Autoregressive (VAR) models or Vector Error Correction Models (VECM), depending on the analysis objectives, are considered. Additionally, non-parametric models are herein applied for the first time to our knowledge, in order to capture the level of price convergence, within already integrated electricity markets. Several exogenous variables are taken into account to express the behaviour of renewable generation and related influence on spot electricity markets. Results from the estimated models demonstrate a good integration level between the Portuguese and Spanish spot electricity markets. However, this is not the case between the Spanish and French spot electricity markets. The central west European spot electricity markets are found to be integrated at some level. Furthermore, smoothing of responses to innovations are also found after the introduction of market coupling mechanism in Germany. The high level RES-E generation, or moreover, the low marginal cost generation technologies are proven to have a decreasing effect on spot electricity prices. Additionally, this low marginal cost generation has an effect on market integration by increasing the probability of spot price divergence, or market splitting, as determined between both Iberian spot electricity markets. However, this behaviour can also be dependent of several other determinants, such as, the relative spot electricity market size, the available interconnections between bidding areas and the electricity generation mix.

A interacção entre o desenvolvimento de projetos com base em fontes de energias renováveis e o objetivo de interligar os mercados de electricidade europeus aumentou significativamente na década passada. A elevada e rápida penetração de electricidade gerada com base em energias renováveis atingida presentemente em algumas regiões do globo, associada à integração dos diversos mercados de electricidade, coloca novos desafios que carecem de estudo detalhado. A literatura tem sido escassa no que diz respeito ao tratamento destes problemas em simultâneo e de modo sistémico. Para possibilitar a avaliação dos principais determinantes da integração de tais mercados, atendendo à elevada penetração de electricidade gerada com base em energias renováveis, foram desenvolvidos modelos através da inclusão de apropriadas variáveis exógenas. O objectivo desta investigação é, na sua essência, propor novos modelos de modo a melhor aferir a influência da elevada penetração de electricidade gerada com base em energias renováveis no nível de integração dos mercados de electricidade. O comportamento dos preços do mercado grossista de electricidade e o mecanismo de alocação de custos das interligações através de leilão implícito será, por conseguinte, avaliado. Esta tese encontra-se delineada de modo a fornecer contribuições significativas a diversos agentes de decisão no âmbito dos mercados de electricidade Europeus atravessando processos de reestruturação similares. Os modelos estatísticos desenvolvidos tiveram em conta o tipo de dados adquiridos e os objectivos propostos. Foram considerados modelos VAR (Vectores Auto-regressivos) ou VECM (Modelo de Vector com Correção de Erros), dependendo dos objetivos específicos da análise em cada fase do projecto. Adicionalmente, modelos não paramétricos, nunca utilizados em estudos prévios, foram aplicados na análise do nível de convergência dos preços de mercados de electricidade, já considerados integrados. Variáveis exógenas foram incluídas de modo a expressar o comportamento da electricidade gerada com base em energias renováveis e correspondente influência na convergência de preços dos diversos mercados de electricidade. Os resultados dos diversos modelos estimados mostraram um bom nível de integração entre os mercados grossistas de electricidade Português e Espanhol. No entanto, não foram encontradas evidências que demonstrassem integração entre os mercados de electricidade Espanhol e Francês. Os mercados de electricidade da Europa central também demonstraram ter algum nível de integração, e adicionalmente, a inclusão do mercado eléctrico Alemão no mecanismo de acoplamento de mercados, suavizou as respostas a um eventual choque no mercado. A elevada penetração de renováveis na geração de electricidade, ou mais correctamente, a geração de electricidade com baixo custo marginal, foi comprovada ter um efeito decrescente no preço de electricidade. Este tipo de geração de electricidade foi demonstrado como tendo um efeito na integração de mercados eléctricos adjacentes, através do aumento da probabilidade da divergência de preços, tal como no mercado Ibérico. No entanto, foi também comprovado que este comportamento pode depender de vários outros factores, tais como, o tamanho relativo dos mercados, a capacidade de interligação disponível com os diversos mercados adjacentes e o "mix" tecnológico de geração de electricidade.