Top Banner
KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor Ekonomische Studiën
30

KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

Dec 14, 2015

Download

Documents

Bryana Hawthorn
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu

Prof. Stef Proost

Centrum voor Ekonomische Studiën

Page 2: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

The Royal Ampere Commission

What type of new power plants in the future? Coal, Gas, Nuclear, Renewable…

Take into account Environmental constraints Economic considerations

Page 3: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Literature

Ampere Group Report I Static Approach

Proost & Van Regemorter Dynamic or multi-period model Approach

Page 4: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Outline and assumptions

Two methods Static comparison Dynamic comparison with Markal

Common Assumptions Opportunity costs = market prices for fuel, equipment

and labour Gross wage is in long term good indication of productivity so

gross wage is opportunity cost This implies that “employment” is not an objective when we

choose power plants Fuel price scenarios External costs (health damage) per type of pollutant Production in Belgium

Page 5: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Methodology - Static Comparison - 1

Compare costs in BEF or EURO per kWhe Fuel cost (BEF/GJ) / plant efficiency (kWh/GJ) + Other variable costs

BEF/kWh + Fixed costs

Annuity or rental cost (BEF/kW) divided by expected max. operating hours per year

+ External costs BEF/kWh

Electricity production with Combined Heat and Power (CHP) Cost of electricity generated by CHP=Total cost CHP -

Avoided costs for heat production

Page 6: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Methodology - Static Comparison - 3

Assumptions Plants operate at maximal production per year Costs and benefits are discounted at 5% Estimated technical lifetime of different plants Technologies : efficiency, costs, emission factors

Long discussions among engineers, see Table I.2 for the outcome

Fuel prices (up to 2030) Oil and gas: steadily increasing prices Coal: stable prices

External costs Taken from Extern-E, see Table I.1

Page 7: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Methodology - Static Comparison - 4

1,18

0,04

1,24

0,04

1,31

0,33

1,37

0,92

1,38

0,67

1,41

0,74

1,67

0,03

1,67

0,75

1,76

0,62

1,81

0,04

2,35

0,04

2,62

0,04

2,87

0,36

3,14

0,12

3,15

0,64

3,38

1,41

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5A

P60

0 nu

clea

r (4

0 ye

ars)

PW

R n

ucle

ar (4

0 ye

ars)

STA

G p

ower

pla

ntP

ulve

rise

d C

oal (

SC

)

Pul

veri

sed

Coa

l (U

SC

,202

0)

Pul

veri

sed

Coa

l (A

SC

)

MH

TGR

nuc

lear

(30

year

s)

IGC

CW

aste

inci

nera

tors

Win

d tu

rbin

e on

shor

e, s

easi

de

Win

d tu

rbin

e of

fsho

re

Win

d tu

rbin

e on

shor

e, p

olde

rs

Woo

d ga

sific

atio

n - S

TAG

Win

d tu

rbin

e on

shor

e, in

land

gas

turb

ines

Ker

osen

e ga

stur

bine

s

Fuel, Non-fuel and External Costs (BEF per kWh - 2010)

Fuel and Non-fuel cost Fuel, Non-fuel and external cost

Page 8: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Static Comparison - Ranking

Nuclear If accepted and if international tendering for construction

STAG power plant But gas remains transitory fuel for base load

Wind turbine off shore Limited potential Decentralised power supply means extra costs

Pulverised Coal Cheap but dirty fuel

CHP production (table I.6,Fig I.2) Small potential Not really cheaper, despite computation method

Page 9: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Static Comparison - Caveats

Contribution to guaranteed power is not taken into account Production of CHP, wind and solar is not driven by demand

Real operating time during lifetime is not taken into account Determined by total demand and cost of alternatives

Demand reductions are not an option in this exercise Potential total capacity is very small for some

technologies Comparison only holds for locations with the lowest costs

Page 10: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Dynamic Comparison - 1

Basic idea Use Markal for the Belgian energy sector

Period 1990-2030 Compute optimal investment strategy for electricity and other

sectors Subject to two types of constraints

Allow nuclear plants or not Kyoto obligation for the Belgian energy sector as a whole

Kyoto Target for Belgium Reduce 2010 GHG emissions by 7,5% relative to 1990 level Our assumptions

Extra efforts are needed and imposed after 2010 -15% in 2030

No emission permits are bought abroad

Page 11: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Dynamic Comparison - 2

Advantages of this approach Issue is 2020 and later, not 2010 (see static approach) Analyse merits of plants over the whole lifetime Compare efforts in different sectors and in demand

reduction In the static comparison

One CO2 damage value was used in the assessment Demand reduction was missing as an option

Page 12: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

The MARKAL Model

Demand for energy services 40 types of energy services are identified

Heating of buildings, high temp heat for chemical industry…

Supply of energy services All energy saving and energy production technologies

in operation in Belgium

Major assumption Perfect foresight and no market barriers

Page 13: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

MARKAL Equations - 1

Example with one energy service (heating) X Produced by two technologies Z and Y

For every technology, we have Running costs c (fuel cost and other operation costs) Investment costs C (annuity formulation) Existing capacities Y°, Z° Emission rates

Simulate market equilibrium with perfect foresight and perfect emission taxes Equal to shadow value of the emission constraint

Page 14: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

MARKAL Graph

Energy service

Cost of energy service

Demand function energy services

c(y)

XmarketXopt

c(z)

Shadow value of emission constraint

Page 15: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Reference Scenario Assumptions

Increasing oil and gas prices Reduce growth of energy demand Investment in nuclear power stations is possible

Non-GHG external costs of power production are not taken into account

No Kyoto constraint Electricity generation potential in Belgium

Nuclear Maximum of 8000 MW on existing sites is possible

Wind energy 400 + 100 MW onshore and 1000 MW offshore

Page 16: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Reference+ Scenario - Results

Note: this scenario differs from the reference scenario only because of the internalisation of non-GHG costs in all sectors.

Page 17: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

No New Nuclear

Page 18: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

No New Nuclear with Kyoto Constraint

Page 19: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

With New Nuclear and Kyoto Constraint

Page 20: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Who Should Make the Efforts

Kyoto implies higher efforts for the energy sector and industry Energy sector: -26% Industry: -33% Residential & Service sector: -6% Transport: -3%

Explanation Existing taxes on fuel in residential and transport

sector Already Induce large energy efficiency efforts in these sectors

Page 21: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Effect of High Oil Prices

Decrease in energy demand helps to reduce CO2 emissions from oil and gas

Incentive to use coal power plants This increases CO2 emissions

On Balance no major effect on CO2 emissions

Page 22: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Caveats

No European trade in emission rights Trade in emissions rights would reduce the difference

between scenarios with and without Kyoto

IF European electricity market in the model Requires more transmission capacity Easy to export pollution problem abroad by producing

less But other countries will have to reduce emissions of CO2

further and Imported Electricity will become more expensive When prices are set at

Page 23: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Conclusions

Static comparison needs to be supplemented by a dynamic approach

A nuclear moratorium is very costly when there is also a CO2 emission constraint Not impossible but multiple policies are needed

Demand reduction by announcing higher electricity prices Use more renewables but using different government policies Replace coal by gas

Page 24: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

Stef Proost CES-KULeuvenKATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Methodology - Static Comparison - 2

Comparing capital cost and variable cost Capital cost

Investment costs

Variable cost Fuel cost, non-fuel cost (operation, maintenance…)

Two procedures Aggregation of all costs and benefits over the time

horizon (see dynamic analysis) On an annual basis (annuity = C)

AW C C

C

i i i iC

t nt

n

,..., , ,...n perioden 0

1

1 1

11

Page 25: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Fuel, Non-fuel and External Costs (BEF per kWh - 2010)1,

18

1,24

1,31

1,37

1,38

1,41 1,67

1,67

1,76

1,81 2,

35 2,62 2,87 3,14

3,15 3,38

1,48 2,

05 2,69

3,63

2,00 2,

76

1,68 2,

15 2,42 2,

82

3,77 4,00 4,

73

5,75

11,9

2

0,04

0,04 0,

33 0,92

0,67

0,74

0,03 0,

75

0,62

0,04

0,04 0,

04 0,36 0,12 0,

64

1,41

0,42

0,47

0,52

0,64

0,12

0,43

0,18 0,

06

2,92

0,49

0,45 0,

66

0,65

-0,3

1

-0,2

9

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

AP

600

nucl

ear

(40

year

s)

PW

R n

ucle

ar (4

0 ye

ars)

STA

G p

ower

pla

nt

Pul

veri

sed

Coa

l (S

C)

Pul

veri

sed

Coa

l (U

SC

,202

0)

Pul

veri

sed

Coa

l (A

SC

)

MH

TGR

nuc

lear

(30

year

s)

IGC

C

Was

te in

cine

rato

rs

Win

d tu

rbin

e on

shor

e, s

easi

de

Win

d tu

rbin

e of

fsho

re

Win

d tu

rbin

e on

shor

e, p

olde

rs

Woo

d ga

sific

atio

n - S

TAG

Win

d tu

rbin

e on

shor

e, in

land

gas

turb

ines

Ker

osen

e ga

stur

bine

s

STA

G H

TG

as tu

rbin

e H

T

Fuel

cel

ls (n

at g

as) H

T, 2

015

Fuel

cel

ls (h

ydro

gen)

HT,

201

5ga

s en

gine

LT

Bac

k pr

essu

re tu

rbin

e LT

STA

G (n

at. G

as) S

H

Gas

eng

ine

(650

MW

) SH

Die

sel e

ngin

e S

H

Fuel

cel

ls (n

at. g

as),

SH

, 201

5

Fuel

cel

ls (h

ydro

gen)

, SH

, 201

5

Fuel

cel

ls (n

at. g

as),

SH

Fuel

cel

ls (h

ydro

gen)

, SH

Woo

d ga

sific

atio

n

Hay

/Str

aw/M

isc.

Gas

ifica

tion

SH

Fuel and Non-fuel cost Fuel, Non-fuel and external cost

Methodology - Static Comparison - 5

Page 26: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

MARKAL Equations - 2

0

0

0

Max ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

. .

x

x

y z

P x dx c z c y C Z C Y

st x y z

e y e z E

y Y Y

z Z Z

- - - -

£ +

+ £

£ +

£ +

ò

%

The optimisation problem Maximise Consumer Surplus – Costs

Such that Emissions remain lower than what is allowed (Ẽ) Capacity limits are respected

Page 27: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Models Used in this Exercise

POLES A model for world energy demand and supply

GEM-E3 A general equilibrium model for 15 EU countries

Developed by European consortium

MARKAL A partial equilibrium model for the Belgian energy

system Developed for Belgium by CES - VITO

Page 28: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Scenario’s 2000 - 2030Energy PriceAssumptions

(POLES)

EU Macro-economicbackground (GEM-E3)

+ 1990-1997 GHGmeasures

Energy efficient choices by agents(MARKAL)

Reference scenario +No nuclear

Kyoto constraint

International energy prices

Overall world economic activity level

Reference case(nuclear No Kyoto)

Belgian economic activity level by sector

Demand for energy services

Reference scenario +Kyoto constraint

Reference scenario +No nuclear

Ranking of measures in function of cost-efficiency

Exogenous input on technological development and

costs of alternatives

Page 29: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Demand and Supply of Energy Services

Step 1: BStep 2: CStep 3: D

cost of GHGpolicy in 2010

cost in referencein 2010

cost in referencein 1990

Price or Cost of Energy Services

X0

B

D

C

Demand functionin A in 1990

Demand functionin A in 2010

Level ofEnergy ServicesX1X2

GEM-E3

Page 30: KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN Keuze van elektriciteitscentrales : economie versus milieu Prof. Stef Proost Centrum voor.

KATHOLIEKE

UNIVERSITEITLEUVEN

CENTRUM VOOR ECONOMISCHE STUDIEN

Cost of Abatement

Cost 1 The net cost for end users in the energy market

No other externalities in energy market No distortions on other markets No income distribution concerns

Cost 2 Cost 1 + secondary benefits on other energy

externalities SO2, NOx...