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Abstract(s)
Producing energy from fossil energy sources is the giant behind the climate change. The energy transition is fostering the massive integration of intermittent Renewable Energy Sources (RES-I) to reduce carbon dioxide and other greenhouse gas emissions. The integration of RES-I, such as wind and solar photovoltaic (PV) power, in electricity markets entails great challenges mainly because of (i) intermittent production levels; and (ii) nearly zero marginal production costs. The inherent features of RES-I are being claimed of decreasing the wholesale electricity price, also known as the Merit-Order Effect (MOE). Meanwhile, the volatility of the wholesale electricity prices was also found to be strongly affected by electricity production levels from RES-I. This thesis is focused on analyzing the electricity market price dynamics in European countries and is divided in two parts. The first part consists of four essays, where the MOE and the behaviour of the wholesale electricity price is assessed in detail. The second part is composed by two essays, that discuss the potential consequences of energy transition policies aiming the reduction of the dependency in fossil fuels.
The first part assesses, in the first essay, the impact in behaviour of the volatility of the Portuguese wholesale electricity price of the electricity produced from wind and solar PV power, by analysing two different samples. The long-sample covers a period where both wind and solar PV power incurred significant development levels, although the deployment of wind power stands out. Meanwhile, the small sample is focused in analysing the significant deployment of solar PV power. The main findings of this essay suggest that the the behaviour of the volatility of the electricity price, per-si, is less persistent in short-sample. This could be related to the knowledge acquired by market participants regarding the ramp-up phase of wind power, which makes them less susceptible of making short-sighted decisions in the speed-up period of the solar PV power. Furthermore, the electricity produced from wind and solar PV power revealed to increase and decrease the volatility of the wholesale electricity price, respectively.
The differing production patterns of wind and solar PV power could be behind the reasoning for their divergent impacts on the volatility of the wholesale electricity price. Therefore, in the second and third essays, the behaviour of the wholesale electricity price is analysed for each hour of the day, by also considering the role of external factors, namely electricity imports and exports. Two different electricity markets, i.e., the Nord Pool and the Iberian, namely by focusing on Sweden and Spain, respectively, were analysed. The results of these two electricity systems, which have different pricing mechanisms (namely, zonal and uniform) and generation mix structures, were critically compared.
The results of essay 2 revealed that the magnitude of the MOE was stable in Sweden during the 24 hours of the day. Meanwhile, in Spain, the behaviour of the MOE was found to vary significantly during the day. In fact, the differing behaviours of the MOE are related with the baseload and backup strategies used in each electricity system. The Swedish electricity system, has high production levels from nuclear power – with low production costs - and it belongs to an electricity market with great production levels of hydro power. However, in the Spanish electricity system, natural gas is the major backup energy source, which entails higher production costs. Another revealing finding of these two essays is the impact of the electricity flow in the behaviour of the wholesale electricity price. In Spain, electricity imports and exports reduce both the mean and volatility of the electricity price, in most hours of the day, as evidenced in the third essay. Meanwhile, in Sweden, the electricity flow, with neighbouring countries, appear to augment the volatility of electricity prices, mainly during peak hours of electricity consumption. This could be related with congestion in transmission lines. In fact, both zonal and uniform pricing mechanism reveal inneficiencies. In the fourth essay, where the main advantages and disadvantages of pricing mechanisms – zonal, uniform and nodal - are discussed, the potential inefficiencies in the redispatch mechanism, in the zonal and uniform pricing mechanisms, are warned.
Backup strategies seem to have a prominent role in ensuring energy security. However, recent energy policies appear to underestimate the flexibility needs in electricity markets by strongly betting on displacing fossil energy sources. The second part of this thesis analyses, in the fifth essay, the role of the natural gas in the pre- and post-decommission period of coal power plants, in Portugal. The results revealed that the electricity produced from natural gas explains a greater percentage of the variance in electricity price after the decommissioning of coal power plants. In fact, the energy transition seems not to be ready to displace fossil energy sources from the electricity markets. In the last essay of this thesis, the impact of investment in research, development and demonstration (RD&D) in fossil energy sources and RES in retail electricity prices (both industrial and household) is analysed for 10 European countries. Additional investments RD&D in fossil energy sources is likely to decrease retail electricity prices (both industrial and households), while RD&D investments in RES increase household electricity prices.
In short, this thesis provides insightful guidelines for designing energy policies considering the sustainable diversification of the electricity generation mix during the energy transition. The role of the electricity flow and resilient backup strategies were identified as potential strategies to ensure the resilience, as well as the reliability of electricity markets.
A produção de energia através de fontes de energia fóssil é a principal causa da crise climática. A transição energética está a promover a integração massiva de fontes de energia renováveis intermitentes (FER-I) para reduzir as emissões de carbono e de outros gases de efeito de estufa. A integração de FER-I, como a energia eólica e solar fotovoltaica, desencadeou desafios nos mercados de eletricidade principalmente devido (i) a níveis de produção intermitentes e (ii) a custos de produção marginais quase nulos. Estas características, inerentes às FER-I, têm vindo a provocar a diminuição do preço no mercado de eletricidade grossista, também conhecido como o efeito da ordem de mérito (‘merit order effect’). Por sua vez, a volatilidade do preço tem vindo a ser, também, consideravelmente afetada pelos níveis de produção de eletricidade através de FER-I. Esta tese é focada na análise da dinâmica do preço de eletricidade do mercado grossista em países europeus e está dividida em duas partes. A primeira parte é constituída por quatro ensaios, onde o efeito da ordem de mérito e o comportamento da volatilidade do preço são detalhadamente estudados. A segunda parte é composta por dois ensaios, que discutem as potencias consequências de políticas públicas que ambicionam a redução absoluta da dependência de fontes de energia fóssil. A primeira parte analisa, no primeiro ensaio, o impacto da produção de eletricidade através da energia eólica e solar fotovoltaica no comportamento da volatilidade do preço de eletricidade do mercado grossita em Portugal, através do estudo de duas amostras diferentes. A amostra longa abrange um período em que tanto a energia eólica, como a solar fotovoltaica registaram um desenvolvimento substancial, embora o da eólica se destaque. Por sua vez, a amostra curta foca-se na análise do desenvolvimento significativo da fonte de energia solar fotovoltaica. Os principais resultados deste ensaio sugerem que o comportamento da volatilidade do preço de eletricidade, per-si, é menos persistente na amostra do período mais curto. Este resultado pode estar relacionado com o conhecimento adquirido pelos participantes de mercado durante a fase do crescimento acentuado da energia eólica e, portanto, estão menos suscetíveis a tomar decisões por impulso durante a fase de desenvolvimento da fonte de energia solar fotovoltaica. Para além disso, os resultados do primeiro ensaio, evidenciam também que, a produção de eletricidade através da fonte de energia eólica aumenta a volatilidade do preço de eletricidade, enquanto a fonte de energia solar fotovoltaica aumenta-a. Os padrões de produção de eletricidade de energia eólica e solar fotovoltaica pode ser uma potencial justificação para os impactos divergentes na volatilidade do preço de eletricidade grossista. Desta forma, no ensaio 2 e 3, analisa-se o comportamento do preço de eletricidade do mercado grossista em cada hora do dia, considerando também o papel de fatores externos, nomeadamente as importações e exportações de eletricidade. Dois mercados de eletricidade diferentes, i.e., Nord Pool e o Ibérico, focando-se na Suécia e Espanha, respetivamente, foram analisados. Os resultados destes dois sistemas elétricos, que possuem mecanismos de preços (zonal e uniforme, respetivamente) e estruturas de mix de geração diferentes, foram detalhadamente comparados e discutidos. Os resultados do ensaio 2 revelaram que a magnitude do efeito da ordem de mérito é estável ao longo das 24 horas do dia, na Suécia. No entanto, em Espanha, os resultados do ensaio 3 evidenciam que comportamento do efeito da ordem de mérito varia significativamente ao longo do dia. Na verdade, os comportamentos diferentes do efeito da ordem de mérito podem estar relacionados com estratégias de baseload e backup utilizadas em cada um dos sistemas elétricos. O sistema de eletricidade sueco tem níveis elevados de produção de eletricidade através da fonte de energia nuclear - com custos de produção relativamente baixos - e pertence a um mercado com grande capacidade de produção de eletricidade através da fonte de energia hídrica. No entanto, no sistema elétrico espanhol, o gás natural é a principal fonte de energia com o papel de backup, com custos de produção mais elevados. O impacto do fluxo de eletricidade no comportamento de eletricidade é outro resultado distinto nestes dois ensaios. Em Espanha, as importações e exportações de eletricidade reduzem, tanto a média, como a volatilidade do preço de eletricidade, na maior parte das horas do dia, como evidenciado no ensaio 3. No entanto, na Suécia, o fluxo de eletricidade com os países vizinhos parece aumentar a média e a volatilidade dos preços de eletricidade, principalmente em horas de pico de consumo de eletricidade. Este facto aparenta estar relacionado com episódios de congestionamento nas linhas de transmissão de eletricidade. Na verdade, tanto o mecanismo de preço zonal, como o uniforme, revelaram ineficiências. O quarto ensaio, onde as vantagens e desvantagens dos mecanismos de preços – zonal, uniforme e zonal – são discutidas, alerta para potenciais ineficiências no mecanismo de redespacho, nos mecanismos de preços zonal e uniforme. As estratégias de backup parecem ter um papel proeminente na segurança energética. No entanto, as mais recentes políticas públicas parecem estar a subestimar as necessidades de flexibilidade dos mercados de eletricidade, apostando na substituição das fontes de energia fóssil. A segunda parte desta tese estuda, no quinto ensaio, o papel do gás natural no período antes e após a desativação das centrais de produção de eletricidade através de carvão, em Portugal. Os resultados deste ensaio revelam que a produção de eletricidade através de gás natural explica uma maior percentagem da variação do preço de eletricidade no mercado grossita, após o a desativação das centrais de carvão. Na verdade, a transição energética parece não estar preparada para a saída abrupta das fontes de energia fóssil dos mercados de eletricidade. No sexto, e último, ensaio desta tese, o impacto do investimento em investigação, desenvolvimento e demonstração (ID&D) em fontes fósseis e FER nos preços de eletricidade de retalho (industrial e residencial) é analisado para 10 países europeus. Os resultados indicam que o aumento de investimentos em ID&D em fontes fósseis diminuem os preços de eletricidade (tanto industrial como residencial), enquanto os investimentos em ID&D em FER aumentam o preço de eletricidade de retalho residencial. Em suma, as conclusões desta tese apresentam diretrizes para a formulação de políticas públicas, relativamente à diversificação sustentável do mix de produção de eletricidade durante a transição energética. O papel das importações e exportações, assim como de backup com características resilientes e de flexibilidade, destacam-se como estratégias com elevado potencial para garantir a segurança energética e, assim, a fiabilidade dos mercados de eletricidade.
A produção de energia através de fontes de energia fóssil é a principal causa da crise climática. A transição energética está a promover a integração massiva de fontes de energia renováveis intermitentes (FER-I) para reduzir as emissões de carbono e de outros gases de efeito de estufa. A integração de FER-I, como a energia eólica e solar fotovoltaica, desencadeou desafios nos mercados de eletricidade principalmente devido (i) a níveis de produção intermitentes e (ii) a custos de produção marginais quase nulos. Estas características, inerentes às FER-I, têm vindo a provocar a diminuição do preço no mercado de eletricidade grossista, também conhecido como o efeito da ordem de mérito (‘merit order effect’). Por sua vez, a volatilidade do preço tem vindo a ser, também, consideravelmente afetada pelos níveis de produção de eletricidade através de FER-I. Esta tese é focada na análise da dinâmica do preço de eletricidade do mercado grossista em países europeus e está dividida em duas partes. A primeira parte é constituída por quatro ensaios, onde o efeito da ordem de mérito e o comportamento da volatilidade do preço são detalhadamente estudados. A segunda parte é composta por dois ensaios, que discutem as potencias consequências de políticas públicas que ambicionam a redução absoluta da dependência de fontes de energia fóssil. A primeira parte analisa, no primeiro ensaio, o impacto da produção de eletricidade através da energia eólica e solar fotovoltaica no comportamento da volatilidade do preço de eletricidade do mercado grossita em Portugal, através do estudo de duas amostras diferentes. A amostra longa abrange um período em que tanto a energia eólica, como a solar fotovoltaica registaram um desenvolvimento substancial, embora o da eólica se destaque. Por sua vez, a amostra curta foca-se na análise do desenvolvimento significativo da fonte de energia solar fotovoltaica. Os principais resultados deste ensaio sugerem que o comportamento da volatilidade do preço de eletricidade, per-si, é menos persistente na amostra do período mais curto. Este resultado pode estar relacionado com o conhecimento adquirido pelos participantes de mercado durante a fase do crescimento acentuado da energia eólica e, portanto, estão menos suscetíveis a tomar decisões por impulso durante a fase de desenvolvimento da fonte de energia solar fotovoltaica. Para além disso, os resultados do primeiro ensaio, evidenciam também que, a produção de eletricidade através da fonte de energia eólica aumenta a volatilidade do preço de eletricidade, enquanto a fonte de energia solar fotovoltaica aumenta-a. Os padrões de produção de eletricidade de energia eólica e solar fotovoltaica pode ser uma potencial justificação para os impactos divergentes na volatilidade do preço de eletricidade grossista. Desta forma, no ensaio 2 e 3, analisa-se o comportamento do preço de eletricidade do mercado grossista em cada hora do dia, considerando também o papel de fatores externos, nomeadamente as importações e exportações de eletricidade. Dois mercados de eletricidade diferentes, i.e., Nord Pool e o Ibérico, focando-se na Suécia e Espanha, respetivamente, foram analisados. Os resultados destes dois sistemas elétricos, que possuem mecanismos de preços (zonal e uniforme, respetivamente) e estruturas de mix de geração diferentes, foram detalhadamente comparados e discutidos. Os resultados do ensaio 2 revelaram que a magnitude do efeito da ordem de mérito é estável ao longo das 24 horas do dia, na Suécia. No entanto, em Espanha, os resultados do ensaio 3 evidenciam que comportamento do efeito da ordem de mérito varia significativamente ao longo do dia. Na verdade, os comportamentos diferentes do efeito da ordem de mérito podem estar relacionados com estratégias de baseload e backup utilizadas em cada um dos sistemas elétricos. O sistema de eletricidade sueco tem níveis elevados de produção de eletricidade através da fonte de energia nuclear - com custos de produção relativamente baixos - e pertence a um mercado com grande capacidade de produção de eletricidade através da fonte de energia hídrica. No entanto, no sistema elétrico espanhol, o gás natural é a principal fonte de energia com o papel de backup, com custos de produção mais elevados. O impacto do fluxo de eletricidade no comportamento de eletricidade é outro resultado distinto nestes dois ensaios. Em Espanha, as importações e exportações de eletricidade reduzem, tanto a média, como a volatilidade do preço de eletricidade, na maior parte das horas do dia, como evidenciado no ensaio 3. No entanto, na Suécia, o fluxo de eletricidade com os países vizinhos parece aumentar a média e a volatilidade dos preços de eletricidade, principalmente em horas de pico de consumo de eletricidade. Este facto aparenta estar relacionado com episódios de congestionamento nas linhas de transmissão de eletricidade. Na verdade, tanto o mecanismo de preço zonal, como o uniforme, revelaram ineficiências. O quarto ensaio, onde as vantagens e desvantagens dos mecanismos de preços – zonal, uniforme e zonal – são discutidas, alerta para potenciais ineficiências no mecanismo de redespacho, nos mecanismos de preços zonal e uniforme. As estratégias de backup parecem ter um papel proeminente na segurança energética. No entanto, as mais recentes políticas públicas parecem estar a subestimar as necessidades de flexibilidade dos mercados de eletricidade, apostando na substituição das fontes de energia fóssil. A segunda parte desta tese estuda, no quinto ensaio, o papel do gás natural no período antes e após a desativação das centrais de produção de eletricidade através de carvão, em Portugal. Os resultados deste ensaio revelam que a produção de eletricidade através de gás natural explica uma maior percentagem da variação do preço de eletricidade no mercado grossita, após o a desativação das centrais de carvão. Na verdade, a transição energética parece não estar preparada para a saída abrupta das fontes de energia fóssil dos mercados de eletricidade. No sexto, e último, ensaio desta tese, o impacto do investimento em investigação, desenvolvimento e demonstração (ID&D) em fontes fósseis e FER nos preços de eletricidade de retalho (industrial e residencial) é analisado para 10 países europeus. Os resultados indicam que o aumento de investimentos em ID&D em fontes fósseis diminuem os preços de eletricidade (tanto industrial como residencial), enquanto os investimentos em ID&D em FER aumentam o preço de eletricidade de retalho residencial. Em suma, as conclusões desta tese apresentam diretrizes para a formulação de políticas públicas, relativamente à diversificação sustentável do mix de produção de eletricidade durante a transição energética. O papel das importações e exportações, assim como de backup com características resilientes e de flexibilidade, destacam-se como estratégias com elevado potencial para garantir a segurança energética e, assim, a fiabilidade dos mercados de eletricidade.