Who benefits from energy storage?

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Business | Master's thesis
Date
2021
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Economics
Language
en
Pages
42 + 5
Series
Abstract
In this thesis, I examine the short-run effects of energy storage on electricity market outcomes when storage is used for intertemporal price arbitrage in a socially optimal manner. I ask how energy storage changes electricity prices, and what this means to the interested parties: electricity consumers, incumbent producers, and storage owners. The effects of storage are first examined theoretically, and they are then quantified by using electricity market data from California and the Nordics from 2016. Storage use may increase or decrease mean electricity prices, and therefore it may shift some Marshallian surplus from consumers to producers or from producers to consumers. Storage's effect on mean electricity prices depends on storage characteristics and market characteristics. Efficient energy storage tends to decrease mean electricity prices more than inefficient energy storage does, since energy losses in the storing process increase total electricity demand, and therefore they increase mean electricity prices in the short run. Furthermore, consumers tend to benefit from storage in an electricity market where high electricity prices coincide with high consumption levels, since in such a market, a decrease of a high price matters more than a similar increase of a low price. Moreover, the shapes of supply and demand curves matter for storage's effect on mean electricity prices. Storage owners do not capture the whole welfare gain from storage. The more storage arbitrages price differences, the more prices stabilize, which decreases arbitrage profits. If storage has unlimited capacity and it is used in a socially optimal way, storage owners' profits are zero. However, even in that scenario, inefficient storage does not eliminate price dispersion completely, since storage's inefficiency makes it socially suboptimal to arbitrage small price differences. In my quantitative experiment, I find that storage may indeed have a considerable effect on mean electricity prices, which results in a redistribution of surplus between consumers and producers. For example, in the Nordics, 1 GW of additional lithium-ion battery capacity is estimated to shift a Marshallian surplus of over 200 million EUR (17 EUR per household) from producers to consumers during one year. However, the arbitrage gain and total welfare gain from the use of additional storage devices seem modest in comparison with the cost of the devices. This may change in the future if the role of variable renewables increases and the cost of storage devices decreases.

Tässä tutkielmassa tarkastelen energiavarastojen lyhyen aikavälin vaikutuksia sähkömarkkinoilla, kun varastoja käytetään arbitraasiin sosiaalisesti optimaalisella tavalla. Tutkin, kuinka varastot muuttavat sähkön hintaa ja vaikuttavat sähkönkuluttajiin ja -tuottajiin sekä varastojen omistajiin. Analysoin vaikutuksia ensin teoreettisesti, minkä jälkeen kvantifioin niitä käyttämällä vuoden 2016 sähkömarkkinadataa Kaliforniasta ja Pohjoismaista. Energiavarastot voivat laskea tai nostaa sähkön keskihintaa ja siten hyödyttää kuluttajia tai tuottajia. Vaikutus riippuu varaston ominaisuuksista ja sähkömarkkinan rakenteesta. Esimerkiksi varaston matala hyötysuhde voi hyödyttää tuottajia, sillä energiahukka lisää energian kysyntää ja siten nostaa sähkön hintaa lyhyellä aikavälillä. Kuluttajat taas hyötyvät varastoista erityisesti sellaisella markkinalla, jolla sähkön tukkuhinta on korkea kulutuksen ollessa suurta ja matala kulutuksen ollessa pientä, sillä tällaisella markkinalla hintahuippujen madaltamisen merkitys on erityisen huomattava. Myös sähkön kysyntä- ja tarjontakäyrien muodot vaikuttavat siihen, miten varastot muuttavat sähkön keskihintaa. Energiavarastot lisäävät sähkömarkkinan tehokkuutta ja tuottavat siten yhteiskunnallista hyötyä, josta varaston omistajat saavat osan arbitraasivoittoina. Mitä enemmän varastoa käytetään, sitä enemmän sähkön hinta tasaantuu, mikä vähentää omistajien arbitraasivoittoja. Jos markkinalle tuodaan rajattomasti varastokapasiteettia, jota käytetään yhteiskunnallisesti optimaalisella tavalla, varaston arbitraasivoitto on nolla. Tutkielman kvantitatiiviset tulokset viittaavat siihen, että varaston vaikutukset sähkön keskihintaan voivat olla melko suuret. Tulosten mukaan esimerkiksi Pohjoismaissa yhden gigawatin akkujärjestelmän lisäys sähkömarkkinalle siirtäisi yhden vuoden aikana 200 miljoonaa euroa taloudellista ylijäämää tuottajilta kuluttajille (17 euroa kotitaloutta kohden). Tällaisesta akkusysteemistä saatava arbitraasihyöty ja kokonaisyhteiskunnallinen hyöty vaikuttavat kuitenkin tulosteni mukaan pieniltä suhteessa kustannuksiin. Tämä voi muuttua tulevaisuudessa, jos tuuli- ja aurinkovoiman kasvava rooli lisää hintavaihtelua ja varastoteknologioiden kustannukset laskevat.
Description
Thesis advisor
Liski, Matti
Keywords
energy storage, battery, electricity, arbitrage, economic surplus
Other note
Citation