Η επίδραση της διείσδυσης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στην αγορά ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα: τιμές, μεταβλητότητα, περιβάλλον

Abstract

The present thesis includes three distinct, although intertwined essays, in which, utilizing data from the Greek electricity market, a series of research questions related to the effect of the penetration of electricity generation from renewable energy sources (RES) in electricity prices as well as in the environment, are examined.In the first essay (second chapter), using hourly data for the period from August 2012 to December 2018, I examined the merit-order effect in the wholesale electricity prices in Greece. The results of the analysis confirm the statistically significant reducing impact that electricity generation from wind and photovoltaic units has on the wholesale electricity prices. The analysis of the merit-order effect by year reveals the impact that regulations related to the rules of market operation have on the size of the merit-order effect. The impact of each RES technology on determining the average merit-order effect varies considerably during the day and in addition evidence of an increase in wholesale prices in the hours following sunset is found. The prospect of a significant increase in the installed capacity of wind and photovoltaic units in the medium term is estimated to have a significant effect on wholesale electricity prices, changing further their distribution during the day. Such changes will dramatically affect the hours of operation and especially the profitability of conventional power plants and will necessitate regulatory interventions, such as the introduction of flexible capacity assurance mechanisms and the lifting of restrictions on price caps, in order to increase the incentives for investments in new conventional power plants. Furthermore, the analysis suggests that large-scale penetration of RES, which is anticipated for the next decade in Greece, is rather difficult to be achieved without operating aid, especially for photovoltaics, due to the merit-order effect, if there are no other favorable developments in RES installation costs. It is therefore highly likely that their support will need to be further maintained, which, however, is not compatible with the functioning of competitive markets for the rest of the electricity supply that will continue to shrink. I also estimated that the overall benefit to electricity suppliers from the reduction in wholesale prices does not offset the cost of supporting the photovoltaic units. However, for wind energy the benefit to suppliers is estimated to exceed support costs. Therefore, RES technologies in power generation are not neutral in terms of the benefits and costs they bring, and this element should be integrated into the relevant policy choices. Finally, I found that the distribution of RES support costs in Greece discriminates in favor of industrial companies that are large consumers of electricity, for reasons related to the protection of their competitiveness, creating distributive effects from the RES support policy. Estimates even suggest that large electricity consumers may have benefited from the entry of RES into electricity generation. [JEL Codes: Q28, Q42, Q48, H23. Keywords: Greek wholesale electricity market, Electricity prices, merit-order effect, RES support mechanism, wind energy, photovoltaic energy, distributive impact, energy policy].In the second essay (third chapter of the thesis) I examined firstly, the impact of wind and photovoltaic energy on the daily level and volatility of wholesale electricity prices in Greece for the period from August 2012 to December 2018 and, secondly, the effect that an increase in the wholesale market price cap had on the price level and volatility. The results of the econometric estimations confirmed the existence of the merit-order effect, both for the intermittent RES as a whole and, separately, for wind and photovoltaic electricity generation, which was stronger in the case of generation from wind farms. Examining regulatory mechanisms that may affect price volatility, I found that, overall, intermittent RES have reduced price volatility – contrary to the prevailing view in the literature that price volatility is increased. This result conceals the significant differentiation of the effect on volatility, which depends on the RES technology under examination. In particular, electricity generation from wind farms is associated with increased volatility, while generation from photovoltaic plants is associated with reduced volatility of wholesale prices. The offsetting effect between wind and photovoltaic energy on the daily price volatility leads to the overall marginally negative effect. Therefore, the balanced development of RES technologies is particularly useful from the perspective of the impact they may have on price volatility and system flexibility needs, and this should be taken into account in energy policy considerations to support and integrate different RES technologies in the power system. Differentiation is also present in the impact on price volatility during the day, as I found evidence that wind energy during low demand hours tends to increase price volatility, as opposed to higher demand hours during which it decreases price volatility. In addition, generation from photovoltaics has reduced price volatility during hours of high demand, at which almost all of their output is concentrated, confirming the hypothesis that when the output of intermittent RES is positively correlated with electricity demand, at high segments of the supply curve, a smaller impact or even a reduction in price volatility is expected. Finally, I estimated that the increase in the price cap in the Greek wholesale electricity market is associated with an increase in the level and a decrease in the volatility of wholesale electricity prices. This result highlights the importance of the composition of the portfolio of power plants and the degree of vertical integration of participants in liberalized electricity markets, which determines their behavior in the market and has a potential impact on the volatility of electricity prices [JEL Codes: Q41, Q42, Q48. Keywords: Greek wholesale electricity market, Electricity prices, volatility, wind energy, photovoltaic energy, price caps, merit-order effect].In the third essay (fourth chapter) I examined the average amount of avoided CO2 emissions from wind and photovoltaic energy in the Greek interconnected electricity system during the period from August 2012 to December 2018 and I evaluated the cost-effectiveness of the policy promoting RES in Greece with regard to the aim of reducing CO2 emissions. The analysis found a statistically significant effect on the CO2 emissions avoided per MWh of wind and photovoltaic generation, which, however, varies significantly by technology and per year, due to changes in conventional electricity generation mix and the level of total load and generation from intermittent RES. Wind energy has achieved greater substitution of thermal power generation and less substitution of hydroelectric production and net imports, i.e. energy sources with zero CO2 emissions or sources of emissions originating in other electricity systems, saving more CO2 emissions than photovoltaics. I also assessed the impact on CO2 emissions of a marginal increase in wind and photovoltaic energy during hours with different levels of load and electricity generation from intermittent RES. As a general conclusion, the composition of the installed capacity and the output of conventional power plants, the load of the system, the capacity of international interconnections and the generation levels of wind and photovoltaic units significantly affect the level of marginal emissions avoided by the intermittent RES. In addition, I found that the net cost of the policy promoting RES to reduce CO2 emissions varies significantly for each RES technology. The net support cost of photovoltaics is found to be many times its potential external benefit. Wind energy has provided significant net social benefit, being a highly effective policy tool to reduce emissions, as each emission reduction unit was carried out to the benefit of consumers and society as a whole, regardless of the benefit associated with other externalities. In contrast, in the case of photovoltaics the benefit of reducing the emissions could not approach the cost of support. These findings highlight the essential role that RES policy design can play, which, under certain conditions, may prevail over alternative climate policy instruments. Overall, the policy of promoting RES in Greece in the period 2013-2018 with the aim of reducing CO2 emissions cannot be considered cost-effective, as the total cost of supporting intermittent RES significantly exceeds a wide range of estimates of social carbon cost. These results suggest that more efficiency gains can be realized by designing incentives to more accurately reflect the external benefits of individual RES technologies. Furthermore, depending on the technology, the conclusion of other studies that direct carbon pricing is the most effective policy tool for reducing CO2 emissions and other sources of pollution cannot be generalized.

Η παρούσα διατριβή περιλαμβάνει τρία διακριτά, αλλά αλληλοσυνδεόμενα δοκίμια, στα οποία, αξιοποιώντας στοιχεία από την Ελληνική αγορά ηλεκτρικής ενέργειας, εξετάζεται μια σειρά ερευνητικών ερωτημάτων που σχετίζονται με την επίδραση της διείσδυσης της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ), τόσο στις τιμές ηλεκτρικής ενέργειας, όσο και στο περιβάλλον.Στο πρώτο δοκίμιο (δεύτερο κεφάλαιο), με χρήση ωριαίων δεδομένων για την περίοδο από τον Αύγουστο 2012 έως και τον Δεκέμβριο 2018, εξετάστηκε το αποτέλεσμα της σειράς κατάταξης (merit-order effect) στις χονδρεμπορικές τιμές ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης επιβεβαιώνουν τη στατιστικά σημαντική μειωτική επίδραση που έχει η παραγωγή αιολικών και φωτοβολταϊκών μονάδων στις χονδρεμπορικές τιμές ηλεκτρικής ενέργειας. Η ανάλυση του αποτελέσματος της σειράς κατάταξης ανά έτος ανέδειξε την επίδραση που έχουν ρυθμίσεις που σχετίζονται με τους κανόνες λειτουργίας της αγοράς, στο μέγεθος του αποτελέσματος της σειράς κατάταξης. Η επίδραση κάθε τεχνολογίας στον προσδιορισμό του μέσου αποτελέσματος διαφοροποιείται σημαντικά στη διάρκεια της ημέρας και επιπλέον εντοπίστηκαν ενδείξεις για αύξηση των χονδρεμπορικών τιμών τις ώρες που ακολουθούν τη δύση του ήλιου. Η προοπτική σημαντικής αύξησης της εγκατεστημένης ισχύος αιολικών και φωτοβολταϊκών μονάδων μεσοπρόθεσμα, εκτιμήθηκε ότι θα έχει σημαντική επίδραση στις χονδρεμπορικές τιμές ηλεκτρικής ενέργειας, μεταβάλλοντας την κατανομή τους εντός της ημέρας. Τέτοιες αλλαγές θα επηρεάσουν δραματικά τις ώρες λειτουργίας, αλλά κυρίως την κερδοφορία των συμβατικών μονάδων ηλεκτροπαραγωγής και θα καταστήσουν απαραίτητες ρυθμιστικές παρεμβάσεις, όπως η ενεργοποίηση μηχανισμών διασφάλισης ευέλικτης ισχύος και η άρση των περιορισμών ως προς τις ανώτατες τιμές προσφοράς στη χονδρεμπορική αγορά, προκειμένου να ενισχυθούν τα κίνητρα εισαγωγής νέων συμβατικών μονάδων ηλεκτροπαραγωγής.Περαιτέρω, η ανάλυση υποδεικνύει ότι η μεγάλη διείσδυση των ΑΠΕ, η οποία προβλέπεται την επόμενη δεκαετία στην Ελλάδα, είναι μάλλον δύσκολο να επιτευχθεί χωρίς λειτουργική ενίσχυση, ειδικά για τα φωτοβολταϊκά, εξαιτίας του αποτελέσματος της σειράς κατάταξης, εφόσον δεν υπάρξουν ευνοϊκές εξελίξεις στο κόστος εγκατάστασης των μονάδων ΑΠΕ. Συνεπώς, είναι ιδιαίτερα πιθανό να χρειαστεί η περαιτέρω διατήρηση της στήριξής τους, η οποία, όμως, δεν είναι συμβατή με τη λειτουργία ανταγωνιστικών αγορών για το υπόλοιπο της προσφοράς, το οποίο ολοένα και θα συρρικνώνεται. Επίσης, εκτιμήθηκε ότι το συνολικό όφελος που είχαν οι προμηθευτές ηλεκτρικής ενέργειας από τη μείωση των χονδρεμπορικών τιμών δεν αντισταθμίζει το κόστος στήριξης των φωτοβολταϊκών μονάδων, αλλά δεν ισχύει το ίδιο για την αιολική παραγωγή, για την οποία εκτιμήθηκε ότι το όφελος για τους προμηθευτές υπερέβαινε το κόστος στήριξης. Οι τεχνολογίες ΑΠΕ στην ηλεκτροπαραγωγή, συνεπώς, δεν είναι ουδέτερες ως προς το όφελος και το κόστος που επιφέρουν, και αυτό το στοιχείο θα πρέπει να ενσωματώνεται στις σχετικές επιλογές πολιτικής. Τέλος, διαπιστώθηκε ότι η διάρθρωση της κατανομής του κόστους στήριξης των ΑΠΕ στην Ελλάδα, μεροληπτεί υπέρ των επιχειρήσεων που είναι μεγάλοι καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας, για λόγους προστασίας της ανταγωνιστικότητάς τους, δημιουργώντας διανεμητικές επιπτώσεις από την πολιτική στήριξης των ΑΠΕ. Οι εκτιμήσεις δείχνουν μάλιστα ότι οι μεγάλοι καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας ενδέχεται να είχαν καθαρό όφελος από την είσοδο των ΑΠΕ στην ηλεκτροπαραγωγή.Στο δεύτερο δοκίμιο (τρίτο κεφάλαιο) της διατριβής εξετάστηκε πρώτον, η επίδραση που είχε η διείσδυση των αιολικών και φωτοβολταϊκών μονάδων στο ημερήσιο επίπεδο και στη μεταβλητότητα των χονδρεμπορικών τιμών ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα για την περίοδο από τον Αύγουστο 2012 έως και τον Δεκέμβριο 2018 και, δεύτερον, η επίδραση που είχε στο επίπεδο και τη μεταβλητότητα των τιμών η αύξηση του ανώτατου ορίου τιμών της χονδρεμπορικής αγοράς. Τα αποτελέσματα του συνόλου των οικονομετρικών εκτιμήσεων επιβεβαίωσαν την ύπαρξη του αποτελέσματος της σειράς κατάταξης (merit-order effect), τόσο για τις μη ελεγχόμενες ΑΠΕ συνολικά, όσο και, διακριτά, για τις αιολικές και τις φωτοβολταϊκές μονάδες και ήταν ισχυρότερο στην περίπτωση της παραγωγής από αιολικές μονάδες. Ελέγχοντας για ρυθμιστικούς μηχανισμούς που δύναται να επηρεάσουν τη μεταβλητότητα των τιμών, διαπιστώθηκε ότι, συνολικά, οι μη ελεγχόμενες ΑΠΕ έδρασαν περιοριστικά στη μεταβλητότητα των τιμών – σε αντίθεση με την κυρίαρχη πεποίθηση στη βιβλιογραφία, ότι η μεταβλητότητα των τιμών αυξάνεται. Αυτό το αποτέλεσμα υποκρύπτει τη σημαντική διαφοροποίηση της επίδρασης στη μεταβλητότητα, ανάλογα με την τεχνολογία ΑΠΕ. Η παραγωγή από αιολικές μονάδες συνδέεται με αύξηση της μεταβλητότητας, ενώ η παραγωγή από φωτοβολταϊκές μονάδες με μείωση της μεταβλητότητας των χονδρεμπορικών τιμών. Η αντιστάθμιση της επίδρασης στη μεταβλητότητα των τιμών μεταξύ των αιολικών και των φωτοβολταϊκών μονάδων σε ημερήσιο επίπεδο, οδηγεί στο συνολικό αποτέλεσμα της οριακά αρνητικής επίδρασης. Επομένως, η ισορροπημένη ανάπτυξη των τεχνολογιών ΑΠΕ είναι ιδιαίτερα χρήσιμη από την οπτική της επίδρασης που μπορεί να έχουν στη μεταβλητότητα των τιμών και στις ανάγκες ευελιξίας του συστήματος και αυτό θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στους σχεδιασμούς της ενεργειακής πολιτικής για τη στήριξη και ενσωμάτωση των διαφορετικών τεχνολογιών ΑΠΕ στο ηλεκτρικό σύστημα. Διαφοροποίηση βρέθηκε και στην επίδραση στη μεταβλητότητα των τιμών στη διάρκεια της ημέρας, καθώς υπάρχουν ενδείξεις ότι η αιολική παραγωγή τις ώρες χαμηλής ζήτησης τείνει να αυξάνει τη μεταβλητότητα των τιμών, σε αντίθεση με τις ώρες υψηλότερης ζήτησης κατά τις οποίες τη μειώνει. Επιπλέον, η παραγωγή από φωτοβολταϊκές μονάδες βρέθηκε ότι μειώνει τη μεταβλητότητα των τιμών τις ώρες υψηλής ζήτησης, στις οποίες συγκεντρώνεται το σύνολο σχεδόν της παραγωγής τους, επιβεβαιώνοντας την υπόθεση ότι όταν η παραγωγή από μη ελεγχόμενες ΑΠΕ συσχετίζεται θετικά με τη ζήτηση, σε υψηλά τμήματα της καμπύλης προσφοράς, αναμένεται μικρότερη επίδραση ή ακόμα και μείωση της μεταβλητότητας των τιμών. Τέλος, εκτιμήθηκε ότι η αύξηση του ανώτατου ορίου τιμών στην Ελληνική χονδρεμπορική αγορά ηλεκτρικής ενέργειας συνδέεται με αύξηση του επιπέδου, αλλά και μείωση της μεταβλητότητας των χονδρεμπορικών τιμών ηλεκτρικής ενέργειας. Το αποτέλεσμα αυτό αναδεικνύει τη σημασία της σύνθεσης του χαρτοφυλακίου μονάδων ηλεκτροπαραγωγής και του βαθμού καθετοποίησης των συμμετεχόντων στις απελευθερωμένες αγορές ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία καθορίζει τη συμπεριφορά τους στην αγορά και έχει δυνητική επίδραση και στη μεταβλητότητα των τιμών ηλεκτρικής ενέργειας.Στο τρίτο δοκίμιο (τέταρτο κεφάλαιο) εξετάστηκε η μέση ποσότητα αποφευγόμενων εκπομπών CO2 από την αιολική και φωτοβολταϊκή παραγωγή στο Ελληνικό διασυνδεδεμένο σύστημα ηλεκτρισμού, στη διάρκεια της περιόδου από τον Αύγουστο του 2012 έως τον Δεκέμβριο του 2018 και αξιολογήθηκε η αποτελεσματικότητα από πλευράς κόστους της πολιτικής προώθησης των ΑΠΕ στην Ελλάδα ως προς τον στόχο μείωσης των εκπομπών CO2. Από την ανάλυση βρέθηκε στατιστικά σημαντική επίδραση στις εκπομπές CO2 που αποφεύγονται ανά MWh αιολικής και φωτοβολταϊκής παραγωγής, η οποία, ωστόσο, παρουσιάζει σημαντική διαφοροποίηση ανά τεχνολογία και ανά έτος, εξαιτίας μεταβολών στη σύνθεση της συμβατικής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και στο επίπεδο του συνολικού φορτίου και της παραγωγής των μη ελεγχόμενων ΑΠΕ. Η αιολική παραγωγή επιτυγχάνει μεγαλύτερη υποκατάσταση θερμικής ηλεκτροπαραγωγής και μικρότερη υποκατάσταση υδροηλεκτρικής παραγωγής και καθαρών εισαγωγών, δηλαδή πηγών ενέργειας μηδενικών εκπομπών ή εκπομπών με προέλευση σε άλλα συστήματα ηλεκτρισμού, εξοικονομώντας περισσότερες εκπομπές από τη φωτοβολταϊκή παραγωγή. Εκτιμήθηκε, επίσης, η επίδραση που έχει στις εκπομπές CO2 μια οριακή αύξηση της παραγωγής από αιολικές και φωτοβολταϊκές μονάδες στη διάρκεια ωρών με διαφορετικά επίπεδα ζήτησης του συστήματος και παραγωγής από μη ελεγχόμενες ΑΠΕ. Ως γενικό συμπέρασμα, η σύνθεση της εγκατεστημένης ισχύος και της παραγωγής των συμβατικών μονάδων, το φορτίο του συστήματος, η δυναμικότητα των διεθνών διασυνδέσεων και τα επίπεδα παραγωγής των αιολικών και των φωτοβολταϊκών μονάδων επηρεάζουν σημαντικά τα επίπεδα των οριακών εκπομπών που αποφεύγονται από την παραγωγή των μη ελεγχόμενων ΑΠΕ. Επιπλέον, βρέθηκε ότι το καθαρό κόστος της πολιτικής προώθησης των ΑΠΕ για τη μείωση των εκπομπών CO2 διαφοροποιείται σημαντικά ανά τεχνολογία. Το καθαρό κόστος στήριξης της φωτοβολταϊκής παραγωγής βρέθηκε πολλαπλάσιο του δυνητικού εξωτερικού της οφέλους. Η αιολική ενέργεια προσέφερε σημαντικό καθαρό κοινωνικό όφελος, αποτελώντας ένα ιδιαίτερα αποτελεσματικό μέσο πολιτικής για τη μείωση των εκπομπών, καθώς κάθε μονάδα μείωσης των εκπομπών πραγματοποιούταν με όφελος για τους καταναλωτές και το κοινωνικό σύνολο, ανεξάρτητα και πλέον από το όφελος που συνδέεται με άλλες εξωτερικότητες. Αντίθετα, στην περίπτωση της φωτοβολταϊκής παραγωγής, το όφελος από τη μείωση των εκπομπών που προσέφεραν δεν μπορεί να προσεγγίσει το κόστος στήριξης. Τα ευρήματα αυτά αναδεικνύουν τον ουσιαστικό ρόλο που μπορεί να έχει ο σχεδιασμός της πολιτικής προώθησης των ΑΠΕ, η οποία, υπό προϋποθέσεις, μπορεί να υπερισχύει έναντι εναλλακτικών μέσων της κλιματικής πολιτικής. Συνολικά, η πολιτική προώθησης των ΑΠΕ στην Ελλάδα την περίοδο 2013-2018 με στόχο τη μείωση των εκπομπών CO2 δεν μπορεί να χαρακτηριστεί αποτελεσματική από πλευράς κόστους, καθώς το συνολικό κόστος στήριξης των μη ελεγχόμενων ΑΠΕ υπερβαίνει σημαντικά ένα αρκετά μεγάλο εύρος εκτιμήσεων του κοινωνικού κόστους του άνθρακα. Τα αποτελέσματα αυτά υποδηλώνουν ότι περισσότερα οφέλη σε όρους αποτελεσματικότητας μπορούν να πραγματοποιηθούν με τον σχεδιασμό των κινήτρων, έτσι ώστε να αντανακλούν με μεγαλύτερη ακρίβεια το εξωτερικό όφελος των επιμέρους τεχνολογιών ΑΠΕ. Περαιτέρω, ανάλογα με την τεχνολογία, δεν μπορεί να γενικευθεί το συμπέρασμα άλλων μελετών, ότι η άμεση τιμολόγηση του άνθρακα αποτελεί το πιο αποτελεσματικό μέσο πολιτικής για τη μείωση των εκπομπών CO2 και άλλων πηγών ρύπανσης.