Electricity markets material - UChicago...

35
Electricity markets material GEOS 24705 / ENST 24705 / ENSC21100 Copyright E. Moyer 2016

Transcript of Electricity markets material - UChicago...

  • Electricity markets material GEOS 24705 / ENST 24705 / ENSC21100

    Copyright E. Moyer 2016

  • Electrical  grid  organiza/on  and  management:  basic  ques/ons  

    •     What  controls  how  much  power  flows,  and  where?  •     Who  owns  and  manages  what?  •     How  is  electricity  sold?  •     Who  pays,  and  to  who?  •     Who  sets  the  amount  that  people  pay?  •     How  big  is  the  grid?  

       

  • Electrical  grid  opera/on:  basic  ques/ons  

    From  the  Energy  Informa0on  Agency,  U.S.  Dept.  of  Energy.    

    •     What  controls  how  much  power  flows,  and  where?    Nothing  except  the  balance  of  genera=on  and  demand  –  an  en=re  interconnected  grid  is  a  single  complex  circuit.  Imagine  a  plumbing  system  with  interconnected  pipes  but  no  “valves”  that  control  the  flow  of  current.  You  can’t  control  what  power  flows  where  except  by  =nkering  with  inputs  and  outputs  

    The  U.S.  grid  is  broken  into  3  weakly  connected  regions,  and  not  much  power  flows  in  between.  But  the  regions  are  connected  to  Canada  (strongly)  &  Mexico  (weakly).    Texas  is  its  own  grid!  And  its  own  regulatory  en0ty.    

  • For most of 20th century, one entity owned all components in chain Now typically owned by 2 or 3 diff. entities, managed by another, and market can be managed by outside broker – up to 5 players in game

    Electrical  grid:  Who  owns  and  manages  what?    

    Image:  Wikipedia  

    •  Generator •  Transmitter (long-dist. wires) •  Grid operator (wires operator)

    •  Utility for distribution (local wires) •  Load-serving entity (seller to consumer)

  • Electrical  grid:  major  regulatory  shi:s  

    1.   UNIFYING  AND  CENTRALIZING  GRID  

    2.   INTRODUCING  MARKET  FORCES  

    3.   DECENTRALIZING  GENERATION  

  • Electrical  grid:  major  regulatory  shi:s  

    1.   UNIFYING  AND  CENTRALIZING  GRID:  shi:  from  disconnected  organiza/ons  and  transmission  to  unified    transmission  (3  grid  regions),  gradually  more  centralized  authority  

     •  1920:  First  regula=on  under  Federal  Power  Act  (then  

    repeatedly  amended  over  =me).    

    •  1965:  blackout  led  to  more  communica=on  between  u=li=es  on  voluntary  basis  to  ensure  reliability  

    •  1977:  Federal  Electricity  Regulatory  Commission  (FERC)  established  to  regulate  rates  (+  license  hydro),  under  authority  of  Federal  Power  Act  

    •  2005:  Voluntary  reliability  council  (NERC)  replaced  by  an  “Electric  Reliability  Organiza=on”  with  actual  enforcement  authority  

  • 1965  blackout  was  wakeup  call  New  York  City  went  dark,  people  were  stuck  in  high-‐rises,  crime  spiked  2nd blackout in 1977 contributed to sense of system (and city) in decay

    headlines, 1977 blackout

    1965: bad relay setting caused line out of Niagara power station to shut down, overloads cascaded. Blackouts for 30M people: CT, MA, NH, NJ, NY, RI, PA, VT, + Ontario.

    1977: lightning hit substation and lines, took out some breakers and power lines. Overloads cascaded, shutting down more lines. Blackout over New York City only, lasted all night.

  • Electrical  grid:  major  regulatory  shi:s  

    2.   INTRODUCING  MARKET  FORCES:  Transi/on  from  ver/cally  integrated  regional  monopolies  (one  u=lity  owns  genera=on,  transmission,  distribu=on)  to  compe//ve  systems    

     •  1992  Energy  Policy  Act:  FERC  can  order  a  company  to  

    carry  power  for  someone  else  

    •  FERC  orders  through  1996  encourage  forma=on  of  Regional  Transmission  Organiza=ons  (RTOs)  

    •  Most  places  now  have  compe==ve  genera=on:  u=lity  or  load-‐serving  en=ty  buys  from  mul=ple  independent  generators,  with  a  market  for  power  and  hourly  pricing    

    •  Possibly  in  the  works:    market  system  on  retail  side  too  (requires  hourly  pricing  and  so  “smart  meters”)  

    •  S=ll  problema=c:  compe==ve  distribu=on  

  • Electrical  grid:  major  regulatory  shi:s    

    3.   DECENTRALIZING  GENERATION:  Encouragement  of  distributed  power:      

     •  Energy  Policy  Act  of  2005  requires  net  metering  

    •  Small  (2-‐10  MW)  operators  can  sell  at  market  rate  by  Federal  law  

    •  Demand-‐side  management,  or  DSM  (pay  for  “negawaa”  genera=on)  is  now  an  op=on  in  some  markets,  areas  

     

  • Summary  of  ownership  in  the  new  deregulated  elect.  industry  

     

    U/li/es  are  “wires”  companies.  They  own  the  distribu=on  and  transmission  lines,  repair  the  lines,  process  billing,  and  take  payment  from  retail  customers.  

       

    RTOs  are  managers:  (for  most  people,  though  not  everywhere):  They  manage  the  market  (buy  and  sell,  set  clearing  prices),  and  exercise  minute-‐by-‐minute  control  of  genera=on  and  conges=on  management  (call  to  get  plants  turned  on  or  off)  

     

    Anyone  can  be  a  generator:  in  market  system  power  produc=on  is  open  to  all  

  • Defini'on:  Regional  Transmission  Organiza/on        "An  en=ty  that  is  independent  from  all  genera=on  and  power  marke=ng  interests  and  has  exclusive  responsibility  for  grid  opera=ons,  short-‐term  reliability,  and  transmission  service  within  a  region.”    

  • Regional  Transmission  Organiza/ons    An  RTO  is  an  en=ty  created  to  balance  genera=on  across  a  regional  footprint  regardless  of  ownership  of  genera=on  ….invented  to  promote  compe==on  and  hopefully  efficiency.  “Independent  system  operators”  (ISOs)  are  similar  to  RTOs  but  ofen  cover  smaller  geographic  areas.    RTOs  eliminate  the  need  for  generators  to  contract  with  separate  u=li=es  to  sell  and  transmit  power,  and  prevent  integrated  u=li=es  to  favor  their  own  genera=on  and  block  transmission  of  compe=tors.  The  goal  is  to  create  a  transparent  market  to  incen=vize  more  op=mal  building  and  dispatching  of  genera=on.    In  Europe  analogous  en==es  opera=ng  across  countries  are  called  “transmission  system  operators”  (TSOs)  

  • About  60%  of  U.S.  electricity  is  managed  by  RTOs  and  ISOs    

    RTOs  as  of  2010  (ISO/RTO  Council)  

    Note:  Chicago  area  is  part  of  PJM,  not  of  MISO  

  • RTO  excep/ons:  

     

    Arizona:  from  electricity  standpoint  is  essen=ally  a  colony  of  California  –  its  genera=on  not  managed  by  RTO,  but  independent  generators  make  long-‐term  contracts  with  California,  sell  into  California  markets.  

    Texas:  The  only  state  where  a  single  agency  regulates  both  the  genera=on/transmission  side  (wholesale  prices)  and  demand  side  (retail  rates).  Texas  is  its  own  RTO,  full  state-‐wide  authority.  Makes  planning  much  easier  to  have  one  central  power.  

    SE  U.S.  is  tradi=onal  u=lity  ownership  and  opera=on  on  big  scales  (e.g.  TVA,  The  Southern  Company)  so  no  need  for  RTOs  

    Rocky  Mtn.  corridor  doesn’t  have  much  transmission  

  • Ownership:  high-‐voltage  transmission  

    Generally  owned  by  u=li=es  but  managed  by  RTOs  (regional  transmission  organiza=ons).  The  RTOs  are  are  themselves  owned  by  groups  of  u=li=es.  

  • Owned  by  u=li=es:  3170  total  in  U.S.  (75%  of  customers  are  served  by  239  investor-‐owned;  the  remainder  are  public,  co-‐op,  Federal)  

     The  primary  job  of  u=li=es  (like  ComEd)  is  to  maintain  a  distribu=on  network  and  to  sell  power  to  residen=al,  commercial,  and  industrial  customers.      Many  u=li=es  s=ll  generate  much  of  the  power  they  carry,  but  some  generate  none.  The  businesses  of  genera=ng  and  selling  are  becoming  decoupled.  You  can  even  bypass  the  u=lity  for  your  electricity  purchase  and  ONLY  pay  them  for  the  distribu=on  service.  Very  analogous  to  phone  system  afer  deregula=on.  

    Ownership:  distribu/on  

  • Genera=on  can  be  owned  by  u=li=es  but  also  by  independent  power  producers  who  sell  on  the  open  market    

    Example:  Exelon,  who  own  Dresden  nuclear  genera=ng  sta=on,  is  not  a  u=lity.  It  is  mostly  a  power  company  that  owns  power  plants  and  sells  their  output  to  u=li=es  or  RTOs.        Exelon  owns  ComEd.  The  u=lity  is  a  subsidiary  of  Exelon,  not  the  other  way  around.  When  the  lights  go  out,  the  guys  (or  gals)  who  come  fix  it  will  wear  ComEd  hardhats,  not  Exelon  hardhats.  

    Ownership:  genera/on  

  • How  is  electricity  sold?  3  markets  for  electricity  genera=on    

     For  electrical  power  itself  

     • Day-‐ahead  market  payment  made  under  contract  to  provide  power  if  needed  at  market-‐clearing  price  

    • Real-‐=me  market  emergency  purchases  of  power  as  needed  minute  by  minute  at  pre-‐set  rates  

     

    For  electrical  capacity  

    • Capacity  markets  payments  made  to  all  generators  in  RTO  simply  for  exis=ng  to  provide  backup  (ca.  2%  of  elect.  price)  

  • RTO:  Every  day  the  RTO  buys  all  the  power  that  will  be  used  and  sells  all  that  power.      

    Each  day  the  RTO  forecasts  power  demand  for  next  day.  Each  day  the  generators  all  send  in  “bids”  sta=ng  how  much  they’ll  be  willing  to  sell  their  power  for.  The  RTO  then  buys  all  the  power  it  thinks  will  be  needed,  at  the  marginal  price.  I.e.  everyone  gets  the  price  of  the  highest-‐priced  seller  whose  power  is  bought.  

    But,  the  RTO  doesn’t  actually  write  a  check  to  those  generators  =l  the  power  is  used.  If  power  isn’t  needed  afer  all,  no  $  change  hands.  Only  if  power  is  generated  does  the  RTO  writes  a  check  to  generators.  

    The  RTO  then  turns  around  and  sells  all  that  power  to  u=li=es,  who  then  sell  it  to  their  customers.  The  u=li=es  write  a  check  to  the  RTO.    

    Who  pays,  and  to  who?  

  • RTO:  Every  day  the  RTO  buys  all  the  power  that  will  be  used  and  sells  all  that  power.    

    U/li/es:  The  u=li=es  pay  the  RTO.    

    U=li=es  can  also  make  “bilateral  contracts”  with  par=cular  generators,  to  lock  in  that  power  for  the  u=lity  at  a  given  price.  If  so,  the  u=lity  then  pays  the  generator  just  the  difference  between  the  market  price  and  the  contract  price.  This  is  a  hedging  strategy  to  minimize  risk.  

    Who  pays,  and  to  who?  

  • RTO:  Every  day  the  RTO  buys  all  the  power  that  will  be  used  and  sells  all  that  power.  

    U/li/es:  The  u=li=es  pay  the  RTO.    

    Generators:  Sell  to  RTOs.  Also  get  $  from  contracts  with  u=li=es.    Generators  can  also  sell  directly  to  customers  IF  on  private  land  and  if  the  distribu=on  network  can  be  bypassed.  

    And  ,  generators  are  also  paid  not  for  power  but  simply  for  exis=ng,  to  provide  power  if  necessary.  (“Capacity”  market)  

    Who  pays,  and  to  who?  

  • RTO:  Every  day  the  RTO  buys  all  the  power  that  will  be  used  and  sells  all  that  power.  

    U/li/es:  The  u=li=es  pay  the  RTO.    

    Generators:  Sell  to  RTOs.  

    Residen/al  power  customers:  pay  $  to  the  u=li=es  

    Who  pays,  and  to  who?  

  • RTO:  Every  day  the  RTO  buys  all  the  power  that  will  be  used  and  sells  all  that  power.  

    U/li/es:  The  u=li=es  pay  the  RTO.    

    Generators:  Sell  to  RTOs.    

    Residen/al  power  customers:  pay  $  to  the  u=li=es  

    Transmission  owners:    receive  payment  from  the  RTO,  but  just  for  recovering  costs  –  fixed  return  on  investment.  (Need  permission  to  build,  though).  

    Note:  If  transmission  owners  are  also  generators  they  have  insufficient  incen=ve  to  build  more  transmission,  since  get  more  money  for  genera=on  if  it  must  be  local  because  of  conges=on.  (Even  15%  return  w/  no  risk  from  building  transmission  won’t  outweigh  the  profit  from  genera=on).  

    Who  pays,  and  to  who?  

  • Who  sets  the  amounts  that  people  pay?  

    In  the  old  days  

    The  u=li=es  owned  everything,  and  would  charge  customers  enough  to  recover  their  costs.  The  state  u=li=es  commission  would  approve  the  rates.  

    Nowadays  

    Generator  price  set  by  the  day-‐ahead  market:  Sets  the  hour  by  hour  price  that  generators  receive  for  power  or  for  capacity.  

    Wholesale  price  set  by  market  and  by  FERC:  FERC  sets  the  markup  that  the  RTO  can  charge  over  market,  and  sets  the  fees  paid  for  transmission.  

    Retail  price  set  by  state  u/li/es  commissions:  The  PUC  sets  the  rates  that  the  u=li=es  can  charge  their  customers.  At  present  these  are  flat  rates  –  no  hourly  charges  –  but  that  may  change.  

  • Usefulness  of  electricity  market  driven  by    1)  diurnal  demand  curve  

    .  

    Image:  World  Nuclear  Org.  

  • Usefulness  of  electricity  market  driven  by    2)  different  opera=ng  cost  for  different  genera=on  technologies  

    .  

    Market  clearing  means  that  everyone  receives  the  price  bid  by  the  last  (most  expensive)  generator  whose  bid  is  accepted.  (Hourly  bids).    Nuclear  will  bid  zero  because  it  wants  to  be  on  always  and  its  opera=ng  costs  are  =ny.  Oil  is  expensive  so  will  bid  high  –  will  only  turn  on  if  price  >  opera=ng  costs.  

    Pre-fracking-era supply stack: coal cheaper than gas

  • But,  supply  stack  is  changing  drama/cally  

    .  

    •  What  happens  when  gas  becomes  cheaper  than  non-‐dispatchable  coal?  •  When  coal  plants  shut  down?  •  If  bring  on  must-‐take  no-‐marginal  cost  wind?  

  • Peakers  vs.  baseload:    In  all  previous  history,  the  expensive  marginal  cost  genera=on  is  fast  to  turn  on  and  off,  so  can  be  used  as  peakers  when  demand  is  high  

  • Peaker  vs.  baseload  difference  fundamental  to  market    Generators  are  turned  on  when  their  bid  is  below  market-‐clearing  price  

    (Figure:  Marson  Energy)  

    Generators  bid  their  marginal  costs  …  then  each  generator  receives  the  market-‐clearing  price  when  it  is  turned  on.  (Even  baseload  gets  the  marginal  price.)    Should  in  theory  result  in  incen=ves  for  building  more  efficient  genera=ng  capacity,  also  for  clever  peak-‐shaving  strategies  (demand  reduc=on,  storage,  etc.)  

    Note:  the  market  system  does  not  guarantee  that  the  user  will  get  a  lower  price  than  in  the  old  monopoly  system.  He  now  pays  the  marginal  cost  of  electricity  genera=on  rather  than  the  average  cost.  The  marginal  cost  is  always  higher  than  the  average  cost,  but  the  theory  is  that  eventually  retail  prices  will  drop.  

  • Old  system:  expensive  peakers  on  only  during  max  load  

    (figure  from  the  U.K.?)  

    Baseload  power  stays  on  all  the  =me.  High-‐marginal-‐cost  power  is  purchased  only  during  =mes  of  day  when  demand  is  highest.      But  how  to  manage  now  if  the  marginal  genera0on  is  coal,  which  is  not  easily  dispatchable?

  • Electricity  strategies  driven  by  the  diurnal  cycle  

    Peakers:  buy  high  cost  but  fast  turn-‐on  genera=on  that  can  come  on  just  for  the  peak  energy  demand  period.      (Big  complica0ons  now  that  rela0ve  costs  are  flipped.)  

    Peak-‐shaving:  buy  electricity  when  it’s  cheap  and  store  it,  then  sell  it  back  to  the  grid  when  it’s  expensive  

    Demand-‐side  management:  sign  contracts  with  customers  forcing  them  to  turn  off  if  demand  is  too  high  

    Demand-‐side  management:  introduce  =me-‐variable  pricing  for  customers  to  incen=vize  less  use  at  peak  periods,  more  off-‐peak  

    Load-‐dumping:  since  baseload  power  can’t  turn  off,  some=mes  just  have  to  dump  it  if  have  too  much  

  • How  big  is  the  grid?  

    Total  U.S.  network:  ~  300,000  km    Most  of  this  is  high-‐voltage  

     (>  250,000  km  are  >  230  kV)    Cost  of  high-‐voltage  on  average  $1M/km    

    Total  value  of  the  distribu'on  part  of  the  grid  is  of  order  $300  billion  dollars.    

  • Higher  voltage  lines  carry  more  power  (&  tend  to  be  longer)  

    Line  length  Mean  length  ~  300  km  in  U.S.    Prac=cal  limits  to  transmission  distance:  DC  ~  7000  km  DC,  AC  ~  3-‐4000  km    (Paris  et  al.,  1984.  Con0nental  U.S.  is  ~  4600  km  east  to  west.  Could  transmit  across  the  country,  barely.)    Longest  individual  HVDC  lines  >  1000  km            (mostly  in  China,  carrying  >  3  GW  each)  

    Line  power  Rated  power  ~  1  GW  in  U.S.    Check  numbers:    total  300,000  km  at  300  km  per  à  1000  lines,  each    max  ~  1  GW.  Total  power  ~  1  TW.    U.S.  electrical  use:  300  M  people  x  1.5  kW  /  person  =        

  • Transmission  cost  issues  

    ...  x  2  cost  because  of  environmental  issues  (as  with  nuclear)  Example:  Arrowhead-‐Weston  line  in  Minnesota  cost  >  $1.1  M/  km  in  2002.  Original  es0mate  ~  $0.7M/  km;  cost  nearly  doubled  because  of  environmental  safeguards,  payments  to  landowners,  permit  delays    

    Note  that  high  power  means  bigger  /  more  expensive  lines  Rule  of  thumb  =  $500-‐700  /MW*km      Projected  total  costs  in  future  are  high  Es=mated  new  builds  to  meet  rising  electricity  demand:  $9-‐12  B/yr            (Report  Card  for  America’s  Infrastructure,  ASCE,  2005)    Maintenance  costs  almost  as  high:  if  power  lines  last  50  years  then  $300  B  /  50  years  à  $6B/yr  just  for  maintenance    Higher  renewables  generally  means  new  transmission  requirements  

  • ~  7  %  of  electrical  power  lost  in  transmission  

     Losses  due  to:    •   Joule  hea=ng  (I2R)  (resis=ve  losses)    •   Inductance  and  capacitance  (reac=ve  power,  AC  only)    •   Coronal  discharge  losses      Tradeoffs  in  losses  sets  maximum  voltage:  -‐  Minimize  resis=ve  losses  with  large  conductors  (small  R)  and  high  V  -‐  But  V  can’t  be  too  high  or  makes  more  coronal  discharge