Analysis of the impact of large quantities of electricity from photovoltaics on Central European wholesale electricity market prices and its influence on profitability of pump hydro storage power stations

Abstract

Durch die Einspeisung großer Mengen an elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen, vor allem aus Photovoltaik, wurde der Elektrizitätspreis an der Strombörse maßgeblich beeinflusst. Daraus resultierten kleinere Preisspannen und sinkende Einsatzstunden für Pumpspeicherkraftwerke, welche zu einem Einkommensrückgang führten. Das Ziel dieser Arbeit ist den Einfluss großer Mengen an Photovoltaikstrom auf dem Elektrizitätsmarkt in Mitteleuropa zu analysieren und in weiterer Folge die Auswirkungen auf das Einkommen von Pumpspeicherkraftwerken zu untersuchen. Dafür wurde ein lineares Modell zur Abbildung des Elektrizitätsmarktes erstellt, aus dem sich die Strompreise für verschiedene Szenarien mit unterschiedlichen Photovoltaik Anteilen ableiten lassen. Ein weiteres lineares Modell optimiert das Einkommen auf Basis des Strompreises für die Szenarien und für verschiedene Speichergrößen. Das Ergebnis des Modells zeigt eine Reduktion des Einkommens von Pumpspeicherkraftwerken bei einem Anstieg an installierter Photovoltaik Leistung in Österreich und Deutschland. Jedoch steigt das Einkommen wieder mit weiter zunehmender Photovoltaik Einspeisung. Laut dem Modell liegt der Einkommenstiefpunkt bei 70% des Einkommens ohne Photovoltaik Einspeisung, im Bereich zwischen 20GWpeak und 30GWpeak, was der installierten Leistung des Jahres 2012 entspricht. Der steigende CO2 Preis reduziert das Einkommen bei einer installierten Photovoltaik Leistung kleiner als 20GWpeak. Für eine installierte Leistung größer als 30GWpeak steigt das Einkommen laut dem Modell bei höheren CO2 Preisen.

In recent years, large quantities of renewable electricity, especially from photovoltaics, have influenced wholesale electricity market prices. The result was a decreasing price spread and less operating hours for pump hydro energy power stations, which caused declining revenue. Therefore, the question in this thesis is to analyze the impact of large quantities of electricity from photovoltaics on Central European wholesale electricity market prices and its influence on profitability of pump hydro storage power stations. Firstly, electricity prices on an hourly resolution are derived from a linear dispatch model, which represents the electricity market, for changing scenarios with different photovoltaic infeed and CO2 prices. Afterwards the linear optimization model maximizes the revenue for different scenarios and storage sizes using the derived prices. The findings demonstrate that an increase of installed photovoltaic capacity in Austria and Germany leads to a reduction of revenue first. However, if the capacity grows further, revenue is expected to rise with higher photovoltaic share. The model shows that the smallest revenue (about 70% compared to the scenario without photovoltaic infeed) occurs at the photovoltaic penetration level between 20GWpeak and 30GWpeak due to peak shaving. This correlates with the installed capacity in the base year 2012. Furthermore, higher CO2 prices are reducing revenue at lower photovoltaic share (<20GWpeak) and raising revenue at higher photovoltaic levels (>30GWpeak).