Dead Battery? Wind Power, The Spot Market, and Hydro Power Interaction in the Nordic Electricity Market

It is well established within both the economics and power system engineering literature that hydro power can act as a complement to large amounts of intermittent energy. In particular, hydro power can act as a "battery" where large amounts of wind power are installed. This paper attempts to extend that literature by describing the effects of cross-border wind and hydro power interaction in a day-ahead "spot" market. I use simple econometric distributed lag models with data from the Nordic electricity market and a sample of Norwegian hydro power plants with water storage magazines. I suggest that wind power mainly affects prices in the hydro power area by way of shifting the shadow value of water. The empirical results support this view.Wind Power; Hydro Power; Nordic Electricity Market; Empirical

Empirical Analysis of Effect of Demand Structure on the East African Electricity Power Market

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 협동과정 기술경영·경제·정책전공, 2014. 8. 허은녕.초 록 사하라 사막 이남 지역 아프리카(SSA)의 전기 보급율은 32%인 반면 아프리카 평균전기 보급율은 43%였다(IEA, 2012). SSA에 대한 이런 데이터는 전기 보급율 면에서 SSA가 열악한 상태임을 알려 준다. SSA의 전기 보급율이 매우 낮은 수준이지만, 이 지역의 많은 국가들은 경제 개발 프로그램을 진행하고 있다. 수요와 공급 사이의 격차를 메꾸는 한 가지 수단으로 전기 시장 통합을 고려하였는데 전기 시장을 통합하면 국가간 전기 거래가 가능하므로, 각 국가가 시장에 참여하기로 결정할 때 엄격하게 주의할 필요가 있다. 전기 시장 통합 프로세스를 계획하려면 많은 정보를 수렴해야 한다. 또한 수출하는 국가들은 현지에서 사용하기 위해 남겨 두어야 할 잔여 전력량을 고려해야 한다. 반면에, 수입하는 국가들은 시장에서 구하려고 하는 전력량의 정당한 근거를 제시해야 한다. 수량과 가격이 상거래와 시장에서 매우 중요하겠다. 하지만, 수량과 가격이 얼마나 잘 기능을 발휘하느냐는 경제 부분의 움직임에 따라 결정된다. 이상의 개념을 근거로 본 연구에서는 전기 사용의 가장 낮은 가능한 결정 변수를 토대로 해당 경제 부문이 필요한 전력량을 어떻게 계산하는지 살펴 보았고 지수 분해 분석(IDA) 방식을 사용하여 선택된 여섯 개의 아프리카 국가, 즉 DRC, 이집트, 에티오피아, 케냐, 수단 및 탄자니아에서 전력 소모량에 영향을 미치는 요소들을 찾아보았는데, 전력 소모량은 두 가지 효과, 즉 구조 효과와 집약도 효과로 나누어졌다. 이 분석에서는 두 가지 모델로 첫째, 각 나라 별로 네 가지 경제 부문, 즉 농업/임업/기타 부문, 산업 부문, 상업/공공 서비스 부문, 그리고 주택 부문으로 구성되는 모델과 둘째, 여섯 개 나라 전체의 경제 부문별 모델을 사용하였다. 이 두 가지 유형의 분석 모델을 토대로 보면, 경제 부문 수준에서 전력 소모량을 추정하고 전력 소모 요인을 사용하면 합계 값을 추정하는 것보다 실제 전력 수요를 더 잘 파악할 수 있음을 알 수 있다. 두 가지 분석 모두 기간은 1990~2010년이었지만, 각 국가에서 사용 가능한 데이터로 인해 실제 기간은 국가마다 차이가 있음을 알 수 있다. 우선, 각 국가의 총 전력량을 분석하여 나온 결과를 네 가지 구조 효과와 집약도 효과로 설정하였다. 첫 번째 분석은 전기 소모량이 경제 부문 구성의 변화와 한 국가 내에서 각 경제 부문이 사용하는 집약도의 변화로 인해 어떤 영향을 받는지 보여주기 위한 것이었으며, 한 국가 내에서의 전기 사용 면에서 중요한 경제 부문을 구분하는 면에서 유의미한 결과가 나왔다. DRC의 경우, 집약도 효과는 1991~1999, 구조 효과는 2000~2010년, 집약도 효과는 전체 연구 기간 동안 지배적이었다. 또한 1991~1999년에, 산업 부문과 주택 부문이 발전하면서 집약도 효과가 강해졌다. DRC에서 중요한 부문은 산업 부문과 주택 부문이었다. 1996~2010년에 이집트에 대해 나온 IDA 결과는 구조 효과보다 집약도 효과가 더 많이 증가했음을 보여주었다. 게다가, 이집트에서는 산업 부문과 농업/임업/기타 부문이 이 기간 동안 전기 사용 면에서 지배적인 역할을 했다. 에티오피아에 대한 IDA 연구 결과는 구조 효과 증가가 집약도 효과 증가의 절반 밖에 안됨을 보여주었다. 구조 효과와 관련된 경제 부문은 산업 부문과 상업/공공 서비스 부문이었고, 집약도 효과와 관련된 경제 부문은 주택 부문과 상업/공공 서비스 이다. 케냐에서는 이 경제 부문들에 대해 이용 가능한 데이터로 인해 세 가지 기간, 즉 1991-1994년, 1995-2007년 및 2008-2010년에 대해 분석을 수행하였다. 케냐의 경우 분석 결과는 구조 효과 증가가 분석 대상 기간 중의 집약도 효과 증가에 비해 작음을 보여주었다. 전력 소모량 변화에 영향을 주는 면에서 지배적인 경제 부문은 분석에서 다양하게 나타났다. 수단에 대한 분해 분석 결과는 집약도 효과가 많이 증가했음을 보여준다. 이것은 주로 사용된 전력량에 비해 주택 부문 전력 사용 비용 지출이 적었기 때문이다. 탄자니아에 대한 IDA 결과에 의하면, 구조 효과가 집약도 효과보다 더 적었다. 연구 기간의 많은 부분 동안 집약도 효과가 지배적이었던 추세는 탄자니아에서도 반복되어, 산업 및 주택 부문이 지배적이었다. 각 경제 부문의 전력 소모량이 해당 국가의 점유율 변화로 인해 어떤 영향을 받았는지를 알아 보기 위해 두 번째 분석을 실시하였다. 이 경우, 결과는 다소 정밀함을 알수 있었다. 각 국가를 나머지 다섯 나라와 비교하였는데, 특정 산업 부문의 전력 소모량의 집약도를 근거로 각 나라가 앞으로 어떻게 될지 예측하기가 비교적 단순하여 농업/임업/기타 부문의 총 전력량 집약도를 분해하였다. 1991~1994년 기간의 농업/임업/기타 부문의 총 전력 집약도에 대한 IDA 연구 결과에서는 구조 효과와 집약도 효과가 증가한 것으로 나타났다. 대부분의 나라들이 1995~1999년에 농업 부문에서 전기를 사용하지 않았지만, 전통적인 방식으로 경제적인 산출물을 생산했기 때문에 이 경제 부문에서는 생산을 위해 많은 전기를 사용하지 않았으며, 집약도 효과가 증가하면서 2000~2007년에 이 경제 부문의 전력 사용이 증가하였다. 1991~2010년의 산업 부문에 대한 IDA 연구 결과에서는 구조 효과가 감소한 반면 집약도 효과는 증가한 것으로 나타났다. 집약도 효과가 약간 더 크기는 했지만, 이집트와 DRC가 차지하는 점유율이 감소했기 때문에 활동 구성의 변화가 미치는 효과가 지배적이라 할 수 있겠다. 상업 부문과 공공 서비스 부문에 대한 IDA 연구 결과는 이용 가능한 데이터를 고려하여 두 가지 유형으로 분류하였다. 1991~1999년에 대한 연구 결과에서는 구조 효과가 감소한 반면 집약도 효과는 급격하게 증가한 것으로 나타났으며, 2000~2010년에 대한 연구 결과는 구조 효과와 집약도 효과가 모두 증가했음을 보여주었다. 구조 효과로 인해 1년 중에 경제적 산출물을 생산하는데 사용된 전력의 양이 감소하였지만, 집약도 효과로 인해 그 안에서 큰 변화가 나타났다. 1991~2010년에 주택 부문에 대한 IDA 분석 결과에서는 구조 효과가 감소한 반면 집약도 효과는 증가한 것으로 나타났다. 집약도 효과가 약간 더 커졌기 때문에, 활동 구성 변화가 미치는 영향이 지배적이었는데 이는 이집트, 수단 및 DRC가 차지하는 점유율이 감소하고 케냐가 차지하는 점유율은 일정하게 유지되었기 때문이다. 또한 이집트의 점유율이 감소하면서 산출량 성장율이 감소한 것으로 나타났고, 그로 인해 생산량이 증가했는데도 전력은 덜 사용하게 되었다. 이 경제 부문에서, 집약도 변화는 1991~2010년 기간 동안 주택 부문의 전기 사용이 지배적이었던 국가를 찾아내는데 중요한 역할을 했다. 국가들은 시장에서 균형을 맞추어야 하며, 자체적인 지역 및 국가별 전력 계획을 잘 수립해야 한다. 이런 개념을 근거로 이 연구에서는 전력 사용의 가장 낮은 가능한 결정 변수를 토대로 해당 경제 부문이 필요한 전력량을 어떻게 계산하는지 살펴 보았다. 전력 소모량 변수 중 가장 낮은 가능한 카테고리부터 시작하여 경제 부문을 고려한 이 연구 결과를 사용하면 부조화를 최대한 줄일 수 있으며, 부조화로 인해 산업 부문의 전기 사용 권한 및 참여하는 국가의 전반적인 경제에 미치는 부정적인 파급 효과도 최대한 줄일 수 있다. 이 동아프리카의 여섯 국가에서는 전기 사용이 주로 경제적 부가 가치가 있는 연간 전기 사용의 긍정적인 변화로 인해 증가하였으며 본 연구에서는 각 국가에서 그런 변화를 일으킨 경제 부문 중에서 가장 전략적인 부문이 확인되었다. 이것은 해당 국가의 기획자, 의사결정자, 그리고 집행 기구들이 전략적 부문을 찾아내는데 도움이 되었다. 구조 효과와 집약도 효과는 해당 경제 부문에서 사용된 전력량 변화에 직접적으로 영향을 미친 변수들이었다. 그렇기 때문에, 이 여섯 국가에서 정책의 함축적인 영향을 설명할 때 이 요소들이 자주 사용되었다. 에티오피아의 경우, IDA의 연구 결과를 토대로, 다음과 같은 정책의 함축적 영향을 찾아내는 것이 가능했다. 상업 부문과 공공 서비스 부문은 변화에 영향을 미치는 면에서 두 가지 효과 모두에서 지배적이었고, 이것은 해당 경제 부문 또는 국가까지도 활동 구성 및 집약도 효과 면에서 지배적인 영향을 미친다면 막대한 역할을 하게 됨을 의미한다. 이 연구에서는, 상업 부문과 공공 서비스 부문을 전기 수요를 계획할 때 전략적으로 중요한 부문으로 간주할 수 있겠다.Table of Contents ABSTRACT III TABLE OF CONTENTS I LIST OF TABLES IV LIST OF FIGURES IX CHAPTER 1 INTRODUCTION 1 1.1 BACKGROUND 1 1.1 RESEARCH MOTIVATION 6 1.2 OBJECTIVE OF THE RESEARCH 15 1.3 DISSERTATION STRUCTURE 16 CHAPTER2 ELECTRICITY TRADE&POLICY OF SIX EAST 18 2.1 GENERAL INTRODUCTION ON WHY SIX COUNTRIES ONLY 18 2.2 PROFILE OF THE SIX AFRICAN COUNTRIES 19 SECTION 1.01 EAST AFRICAN ELECTRICITY TRADE 29 SECTION 1.02 ELECTRICITY POLICY OF THE SIX AFRICAN COUNTRIES 31 CHAPTER 3 LITERATURE REVIEW 36 3.1 ELECTRICITY MARKET INTEGRATION 36 a. Global market 36 b. African Market 41 3.2 DECOMPOSITION ANALYSIS 50 (a) a. Global level 50 (b) b. African Level 56 CHAPTER 4 DATA 60 4.1 DATA AT INTERNATIONAL AGENCY VERSUS COUNTRY LEVEL 60 4.2 DEMOCRATIC REPUBLIC OF CONGO 64 a. Electricity Statistics 64 4.3 EGYPT ARAB REPUBLIC 74 5 ETHIOPIA 84 6 KENYA 92 7 SUDAN 104 8 TANZANIA 112 5.1 DECOMPOSITION ANALYSIS 119 5.2 STRUCTURAL & INDEX DECOMPOSITION ANALYSES 121 5.3 MULTIPLICATIVE AND ADDITIVE FORM ANALYSES 129 5.4 TIME CONSIDERATION IN THE ANALYSIS 138 5.5 INDEX DECOMPOSITION MODEL 139 5.5.1. Index Decomposition Approach in Energy 140 5.5.2. Index Method 141 5.5.3. Verification test for candidate IDA Methods 156 5.5.4. Confirmed Model for Empirical Analysis 170 5.6. Index Decomposition Analysis of Aggregate Electricity Intensity by country 181 5.6.1. Congo Democratic Republic 183 5.6.2. Egypt Arab Republic 188 5.6.3. Ethiopia 192 5.6.4. Kenya 197 5.6.5. Sudan 202 5.6.6. Tanzania 207 5.6 INDEX DECOMPOSITION ANALYSIS OF ELECTRICITY INTENSITY BY ECONOMIC SECTOR 213 5.7.1. AGRICULTURE, FORESTRY, & OTHERS SECTOR 217 5.7.2. INDUSTRY SECTOR 229 5.7.3. COMMERCIAL & PUBLIC SERVICES SECTOR 234 5.7.4. RESIDENTIAL SECTOR 244 CHAPTER 6 SUMMARY OF RESULTS & POLICY IMPLICATION 250 6.1 SUMMARY OF RESULTS 250 Result of Decomposition Analysis by Country 251 Result of Decomposition Analysis by Sector 257 6.2 POLICY IMPLICATIONS 263 BIBLIOGRAPHY 268 APPENDIX 280 APPENDIX A-1 GROSS VALUE ADDED COUNTRY LEVEL AT FACTOR COST MILLION US$(CONSTANT 2005 US$) 280 6 APPENDIX A-2 ELECTRICITY CONSUMPTION IN GWH 280Docto

Renewable Energy Expansion and the Value of Balance Regulation Power

To achieve a stable and reliable electricity supply, efficient provision of reserve capacity or, more generally, ancillary services is crucial. Because of the expansion of wind power with random variation in supply, and expected environmental restrictions in hydropower operation causing reductions in regulated hydropower capacity, the balancing power and system reliability issues have become topical in Scandinavia. Moreover, there seems to be a wide-spread opinion that increase in wind-power generation will lead to increased demand for regulating power, much higher prices for reserves and a much higher value of regulated hydro power. Thus, this chapter deals with the value of balance regulation power, or electricity reserves, in the Nordic electricity market, and we will address the issue of the future value of electricity reserves, hydro capacity in particular, that could be used either for energy production or to balance power production, and more generally discuss the value of balancing power in the Nordic electricity system. In the first, theoretical, part of this study we will apply a simple dynamic electricity generation model, involving hydropower, thermal power and wind power to derive the value of the water in a dam of a hydropower plant. In the second, more empirically oriented, part we will address a number of issues related to balance regulation and the value of balancing power with focus on the Nordic electricity market and against the background of an expanding generation capacity of intermittent renewable electricity, especially wind power

Renewable Energy Expansion and the Value of Balance Regulation Power

To achieve a stable and reliable electricity supply, efficient provision of reserve capacity or, more generally, ancillary services is crucial. Because of the expansion of wind power with random variation in supply, and expected environmental restrictions in hydropower operation causing reductions in regulated hydropower capacity, the balancing power and system reliability issues have become topical in Scandinavia. Moreover, there seems to be a wide-spread opinion that increase in wind-power generation will lead to increased demand for regulating power, much higher prices for reserves and a much higher value of regulated hydro power. Thus, this chapter deals with the value of balance regulation power, or electricity reserves, in the Nordic electricity market, and we will address the issue of the future value of electricity reserves, hydro capacity in particular, that could be used either for energy production or to balance power production, and more generally discuss the value of balancing power in the Nordic electricity system. In the first, theoretical, part of this study we will apply a simple dynamic electricity generation model, involving hydropower, thermal power and wind power to derive the value of the water in a dam of a hydropower plant. In the second, more empirically oriented, part we will address a number of issues related to balance regulation and the value of balancing power with focus on the Nordic electricity market and against the background of an expanding generation capacity of intermittent renewable electricity, especially wind power.Electricity; ancillary services; reserve capacity; regulating power; wind power