Abstract

Solar and wind power are expected to play a central role in future carbon-neutral electricity generation systems based on renewable sources. However, integrating intermittent and weather-dependent production into electricity markets that are designed for well-predictable variations in demand and supply is not straightforward. This dissertation addresses three specific economic problems regarding how current electricity generation systems can cost-efficiently absorb more solar and wind power.

In the first study, a residential solar panel and battery adoption model is estimated using data from Germany in 2000–2018. Drawing from adverse selection literature in contract theory, different subsidy policy combinations are examined to determine whether they would lead to any savings in governmental subsidy costs. The main finding is that combining a feed-in tariff with an investment subsidy for batteries is cost-efficient.

The second study addresses the co-existence of fluctuating renewable power and nuclear power plants, which are not particularly flexible in adjusting their output power. The study examines whether the nuclear power plants’ inflexibility hinders the large uptake of solar and wind power in Germany or whether the plants’ low marginal cost of generating electricity outweighs the costs stemming from their inflexibility. The findings indicate that the inflexibility is mainly reflected in increasing balancing costs, but the solar and wind power capacity can still grow notably in the country without significant increases in these costs.

The third study examines whether the recently introduced capacity market in Ireland provides an additional lever for the dominant firm in the electricity market to exercise market power. Using ex-ante simulations, the study shows that the largest firm, by taking advantage of its dominant position, can increase costs in the capacity market notably when compared to the least-cost solution. The main forms of abuse of market power would be capacity withholding to drive up the capacity payments and predatory pricing with the aim of forcing rivals to exit the market.

Tiivistelmä

Aurinko- ja tuulivoiman odotetaan olevan keskeisessä roolissa tulevaisuuden hiilineutraalissa uusiutuviin energialähteisiin perustuvassa sähköntuotannossa. Sääriippuvan tuotannon lisääminen sähkömarkkinoille, jotka on suunniteltu olosuhteisiin, joissa kysynnän ja tarjonnan vaihtelu on hyvin ennustettavaa, ei ole kuitenkaan ongelmatonta. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan kolmea taloustieteellistä ongelmaa, jotka liittyvät siihen, miten nykyiseen sähköntuotantojärjestelmään saataisiin kustannustehokkaasti lisää aurinko- ja tuulivoimaa.

Ensimmäisessä osatutkimuksessa estimoidaan kysyntämalli kotitalouksien aurinkopaneelijärjestelmille ja niihin liitetyille akuille käyttäen havaintoaineistoa Saksasta vuosilta 2000–2018. Soveltamalla sopimusteoriaan kuuluvaa kirjallisuutta haitallisesta valikoitumisesta tutkimuksessa tarkastellaan, voitaisiinko erilaisia tukipolitiikkamuotoja yhdistämällä säästää tuen kustannuksissa. Tutkimuksen päätulos on, että syöttötariffin yhdistäminen akkujen investointitukeen on erityisen kustannustehokasta.

Toisessa osatutkimuksessa tarkastellaan, miten sään mukaan vaihteleva sähköntuotanto sopii yhteen tuotantotehon säätökyvyltään suhteellisen joustamattomien ydinvoimaloiden kanssa. Osatutkimuksen pääkysymys on, vaikeuttaisiko ydinvoimaloiden joustamattomuus aurinko- ja tuulivoiman laajaa käyttöönottoa Saksassa, vai ylittäisivätkö ydinvoiman matalien rajatuotantokustannusten hyödyt sen joustamattomuudesta aiheutuvat haitat. Osoittautuu, että joustamattomuus ilmenee markkinoilla pääasiassa kohonneina säätökustannuksina, mutta aurinko- ja tuulivoimatuotanto voisi kasvaa Saksassa vielä huomattavasti, ennen kuin näistä kustannuksista tulisi merkittäviä.

Kolmannessa osatutkimuksessa tutkitaan, tarjoaako vastikään Irlannissa käyttöönotettu kapasiteettimarkkina sähkömarkkinoilla määräävässä asemassa olevalle yritykselle lisämahdollisuuden käyttää markkinavoimaa. Simulaatiot osoittavat, että markkinoiden suurin yritys voisi asemaansa hyväksikäyttäen nostaa kapasiteettimarkkinan kustannuksia merkittävästi. Keskeisimmät tavat väärinkäyttää määräävää markkina-asemaa olisivat kapasiteetin tarjoamatta jättäminen kapasiteettimaksujen nostamiseksi ja saalistushinnoittelu, jonka tarkoituksena on saada kilpailijoita poistumaan markkinoilta.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Teirilä, J. (2021). Does Combining Subsidy Policy Instruments Save Costs in Residential Solar Panel and Battery Adoption? Or Is Less More? Manuscript in preparation.

2. Teirilä, J. (2020). The value of the nuclear power plant fleet in the German power market under the expansion of fluctuating renewables. Energy Policy, 136, 111054. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2019.111054

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Teirilä, J., & Ritz, R. A. (2019). Strategic Behaviour in a Capacity Market? The New Irish Electricity Market Design. The Energy Journal, 40(01). https://doi.org/10.5547/01956574.40.si1.jtei