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Is the Weather Hustling Electricity Markets? Pierre Pinson Technical University of Denmark DTU Elektro - Centre for Electric Power and Energy mail: [email protected] - webpage: www.pierrepinson.com 24 May 2013 (with acknowledgements to all my collaborators and students) 1 / 37

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Is the Weather Hustling Electricity Markets?

Pierre Pinson

Technical University of DenmarkDTU Elektro - Centre for Electric Power and Energy

mail: [email protected] - webpage: www.pierrepinson.com

24 May 2013

(with acknowledgements to all my collaborators and students)

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to hustle:

1. [with object]push roughly

[with object and adverbial of direction]force (someone) to move hurriedly or unceremoniously

2. ... (informal)3. ... (slang)4. ... (extremely vulgar)

source: Oxford Dictionaries

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Outline

General introduction

Why the impact of wind power on electricity markets?

The situation in the Scandinavian Nord Pool

A few research challenges and additional thoughts

Final remarks

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1. General introduction

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Making electricity demand weather-sensitive?

A French example...

|▽

Since 1974: 63 GW of installednuclear capacity (58 reactors)

Electric heating: 36% of residentialelectricity consumption

2001-2011: electric heating formore than 60% of new residentialhousing

Temperature lowering by 1oC =Demand increasing by 2.3 GW!

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Always looking to beat the previous winter record

Cold wave over Europe in Feb. 2012: Temperature down to -17oC on 7 Feb. 2012

|▽

8 Feb. 2012: 100 500 MW (7pm)

9 Feb. 2012: 101 700 MW (7pm)

Electricity prices on the EuropeanPower Exchange (EPEX):

300 euros/MWh on the 6th andthe 7th,600 euros/MWh on the 10th

and...2000 euros/MWh on the 9th!

These price spikes did not occur forthe neighboring countries, e.g.,Germany

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So, it is that simple - is it?

(i.e., temperature drives demand, and then the price)

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Go’ morgen Danmark, og God Jul!

25 December 2012, between6:00 and 7:00 in themorning

The day-ahead electricityprice is negative, and at thelowest cap value

The system price is used forthe neighboring countries...

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Consumption pattern on 25 December 2012

Consumption seemsto be normal for thatperiod of the year

Then we should lookat the productionside

Could this resultfrom our ambitioustargets for windpower integration inDenmark?

time of day [hour]

cons

umpt

ion

[MW

h]

DK−WestDK−EastDK−all

0 3 6 9 12 15 18 21 24

010

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Wind power in Europe

Total: 109,581 MW (Dec. 2012, source: European Wind Energy Association)

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Wind power (and other renewables) in the future

Martin Lidegaard, about the 100%Renewable Energy Declaration:

“I think it’s doable, I think it’snecessary and it’s also good for the

economy.

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Predicted wind power generation: 25 December 2012

The wind powerforecasts wasvery high...

Actually, it waspredicted wewould have morewind powergeneration thanneeded...

time of day [hour]

Pre

dict

ed w

ind

ener

gy g

ener

atio

n [M

Wh]

DK−WestDK−EastDK−allload reference

0 3 6 9 12 15 18 21 24

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Actual wind power generation: 25 December 2012

This is not whatexactly happenedin practice

Balancingvolume: 18 684MWh(!)

This represents:

45% of thedaily predictedenergygeneration

(roughly) theyearlyelectricityconsumption of4000 Danishhouseholds) time of day [hour]

win

d en

ergy

gen

erat

ion

[MW

h]

forecastactualload reference

0 3 6 9 12 15 18 21 24

010

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2. Why does wind power impact electricity markets?

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Market organization

Elspot - Bids/offers proposed before noon for hourly delivery periods over the following day

Elbas - Trading takes place every day round the clock until one hour before delivery

Balancing - Settlement of deviations between bids/offers and actual production/consumption

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The merit-order effect (day-ahead)

On the day-ahead market, wind acts as a stochastic driver since having the lowest short-runmarginal cost, with quantities based on forecasts (13-37 hours ahead)

(courtesy of T. Jonsson)

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Variability of wind power generation

5 days randomly chosen over December 2011 - Danish wind power generation

In some places(Crete, Egypt,etc.), wind showsquite similarpatterns from oneday to the next...

It does not seem tobe that true forDenmark

time of day [hour]

win

d en

ergy

gen

erat

ion

[MW

h]

0 3 6 9 12 15 18 21 24

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Predictability of wind power generation

Error criteria for 2011 - Danish wind power generation

MAE: MeanAbsolute Error

RMSE: Root MeanSquare Error

Lead times:between 12 and 36hours ahead

Over the year:1 336 179 MWh tobe balanced(roughly, the yearly

consumption of 300 000

Danish households)

time of day [hour]

erro

r cr

iteria

[% n

omin

al c

apac

ity]

DK WestDK EastDK allMAERMSE

0 3 6 9 12 15 18 21 24

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3. The situation in the Scandinavian Nord Pool

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Simulating the impact of wind power on the Nord Pool

Reference year: 2011 (26% penetration, i.e., share of wind power to meet demand)

Simple model using the system supplycurves for the Nord Pool

Implying no transmission constraints(irrealistic, but well...)

Supply curves are shifted around fordifferent ratios of increased wind powerpenetration: 1.2, 1.4, . . ., 4

Resulting prices are collected for the wholeyear

quantity [GWh]

pric

e [E

uros

/MW

h]

supplydemand

0 5 10 15 20 25 30 35

010

020

030

040

050

0

Volume = 20.54 GWh

Price = 37.01 Euros

pric

e [E

uros

/MW

h]

supplydemand

0 5 10 15 20 25 30 35

010

020

030

040

050

0

Volume = 20.81 GWh

Price = 33.5 Euros

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Series of prices

time of year [hours]

pric

e [e

uros

/MW

h]

1 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 8760

−10

1030

5070

9011

013

015

0

reference 2011increasing wind generation4 times more wind

Maybe not that visible because of the range... but, there are substantial changes from onecurve to the next!

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General statistics

Mean price:steadily decreases

Mostimportantly: minand max priceschangesignificantly

Potentialimpact oninvestment innew capacities

penetration ratio (future/2011)

day−

ahea

d pr

ice

[Eur

os]

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

−20

020

4060

8010

012

014

016

048.15 Euros

32.82 Euros

meanminmax

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From simulation to reality

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The observed mean impact on day-ahead prices

05

1015

20

00.2

0.40.6

20

30

40

50

60

HourForecasted WP penetration

Pric

e [E

UR

/MW

h]

20

25

30

35

40

45

50

55

60

The mean day-ahead price as a function of wind power penetration forecasts and hour ofthe day (Nord Pool, Western Denmark, 2007)

(courtesy of Jonsson et al.)

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Overall qualitative impact on day-ahead prices

With increasing (forecast) wind power penetration:

the average price decreasesdistributions concentrate on lower valuesextreme (high) prices disappear, but... zero prices appear!!

0 20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

10

Price [EUR]

Pro

port

ion

[%]

0−5%5−10%10−16%16−25%25−40%40−100%

(courtesy of T. Jonsson et al.)

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Impact of wind penetration on day-ahead prices prices

The impact of wind power penetration forecasts on day-ahead market prices forDenmark (Nord Pool DK-1) and Germany (EEX)

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predicted wind power penetration [p.u.]

pric

e [d

kk/M

Wh]

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

020

040

060

080

010

00

observationsleast−square regressionquantile regression (0.05 and 0.95)

oo

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020

4060

8010

012

014

0

observationsleast−square regressionquantile regression (0.05 and 0.95)

Similar analysis were performed to qualitatively and quantitavely assess the impacton regulation market prices, sign and volumes

26 / 37

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The impact of wind on EU cross-border power flows

Map of the nonlinear impact and sensitivity of EU power flows to predicted wind powerpenetration in Germany... here if within 10-15% of installed capacity

(courtesy of M. Zugno et al.)

27 / 37

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4. A few research challenges and additional thoughts

28 / 37

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Forecasting and decision-making for our playground: Western Denmark

Agg. zone Orig. zones % of capacity

1 1, 2, 3 312 5, 6, 7 183 4, 8, 9 174 10, 11, 14, 15 235 12, 13 10

The Western Denmark dataset: original locations for which measurements are available, 15control zones defined by Energinet, as well as the 5 aggregated zones, for a nominalcapacity of around 2.5 GW.

29 / 37

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Ex: Predictive densities

lead time [h]

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1 6 12 18 24 30 36 42

0.0

0.2

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zone 1

lead time [h]

pow

er [p

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1 6 12 18 24 30 36 42

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zone 2

lead time [h]

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1 6 12 18 24 30 36 42

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zone 3

lead time [h]

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er [p

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zone 4

lead time [h]

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er [p

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1 6 12 18 24 30 36 42

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zone 5

10−90% pred. intervalspoint forecastsobservations

Probabilistic forecasts for the 5 aggregated zones of Western Denmark - 16 March 2007 at06UTC.

30 / 37

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Ex: Space-time trajectories (/scenarios)

lead−time [h]

pow

er [p

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zone 1

lead−time [h]po

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1 6 12 18 24 30 36 42

0.0

0.2

0.4

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zone 2

lead−time [h]

pow

er [p

.u.]

1 6 12 18 24 30 36 42

0.0

0.2

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zone 3

lead−time [h]

pow

er [p

.u.]

1 6 12 18 24 30 36 42

0.0

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0.6

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zone 4

lead−time [h]

pow

er [p

.u.]

1 6 12 18 24 30 36 42

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

zone 5

o

scenariospoint forecastsobservations

Spatio-temporal scenarios of wind power generation for the 5 aggregated zones of WesternDenmark - 16 March 2007 at 06UTC.

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Page 32: Is the Weather Hustling Electricity Markets?pierrepinson.com/docs/pinson13_hustlemarket.pdfAlways looking to beat the previous winter record Cold wave over Europe in Feb. 2012: Temperature

Forecasting: the bigger picture

−10 0 10 20

3540

4550

55

longitude [degrees East]

latit

ude

[deg

rees

Nor

th]

0.17 < y < 0.860.86 < y < 1.021.02 < y < 1.21.2 < y < 1.561.56 < y < 2.59y > 2.59

CRPS [m/s] − 72−hour ahead (mean = 1.23)

Skill of probabilistic forecasts of wind speed (assessed with Continuous Rank ProbabilityScore - CRPS) from ECMWF for 700 locations over Europe.

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Redesigning the electricity market

Day-ahead market-clearing is there to ensure an optimal match of production anddemand, sufficiently in advance

With increased variability and uncertainty to be dealt with, the system should beplaced in a state permitting to optimally cope with whatever could realisticallyhappen

20 25 30 35 40 450

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Wind power penetration (%)

Expectedcost

($)

ConvD

StochD

ImpD

(courtesy of J.M. Morales et al.)

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The “Energy Weather Report” R©

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The “Energy Weather Report” R©

After a calm night, Saturday will bringyou plenty of wind energy, on the coastsin the morning, then in the North partof Jylland in the afternoon!

(courtesy of C. Waimann)

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Final Remarks - Outlook

Electricity in markets has some unique features:

owing to network and operational constraintsdue to the stochastic nature of some renewable energy sources... and soon because of proactive prosumers!

Research on electricity markets ought to focus on:

developing knowledge about the meteorological drivers, as well as their impact on consumption andpower generationmonitoring and modelling the effect of renewable on market dynamicsre-thinking the demand sidemarket design, also sending appropriate signals for investment

Clearly a multi-disciplinary problem - other groups at various DTU departments (andother Danish Universities) are ideal collaborators

Never forget that electricity markets only are a mean to optimally andeconomically operate power systems!

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Thanks for your attention!

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