Sähkömarkkinavisio: Energy only -markkinamallin mukautuminen suureen määrään tuuli- ja aurinkovoimaa

Energiamarkkinoista on onnistuttu luomaan markkinaehtoinen järjestelmä, jolla saadaan olemassa olevat tuotantomuodot käytettyä tehokkaasti: joka tunti otetaan käyttöön halvimmalla tuotettua sähköä. Energiamarkkinoiden vaihtelevat hinnat ovat ainoa signaali tarvittavalle tuotantorakenteelle, ellei kapasiteetista makseta erikseen. Tuntihintojen pitäisi antaa signaali tarvitseeko rakentaa lisäkapasiteettia, ja millaista kapasiteettia kannattaa rakentaa. Lisäksi markkinoita voidaan kehittää järjestelmän säädön puolelle, jolloin sieltä saa lisätuottoa niille tuottajille ja kuluttajille, jotka reagoivat nopeasti. Miten energiamarkkinat kehittyvät, kun aurinko- ja tuulienergia tulee enenevässä määrin markkinoille?

Sähkön hinnat ovat alhaalla ylikapasiteetista johtuen

Tuuli- ja aurinkovoima tuovat markkinoille sähköä, jota on tarjolla joinakin hetkinä runsaasti ja toisina niukasti. Ylitarjonnan aikana sähkön hinnat alenevat. Olemme jo nähneet energiamarkkinoiden alhaiset hinnat. Markkinoiden hintojen alhainen taso antaa signaalin, että kapasiteettia on liikaa. Tuuli- ja aurinkovoima työntävät muita tuottajia ahtaammalle. Kun kulutus ei kasva sekä tuuli- ja aurinkovoimaa lisätään, jotakin tuotantoa pitää markkinoilta poistua.

Mutta tässä tulee ongelma – voidaanko kapasiteetista luopua, vaikka se ei olisi enää kannattavaa vähäisen tuotannon takia? Tuuli- ja aurinkovoimalla on heikompi mahdollisuus taata kapasiteetin riittävyys korkean sähkön kulutuksen aikoina, eivätkä hintasignaalit ota tätä huomioon. Jos ylikapasiteettitilanne jää päälle, sähköpörssin hinnat romahtavat. Mutta jos kapasiteettia poistuu liikaa, sähkönkulutusta ei kaikkina tunteina pystytä takaamaan.

Energiamarkkinoiden hintasignaalit tulevaisuudessa

Kun markkinahinnat alkavat välillä olla lähellä nollaa on tärkeää, että vastaavasti hintojen annetaan nousta korkealle silloin, kun sähkönkulutuksen tyydyttäminen tekee tiukkaa. Kun tuulinen ja aurinkoinen aika osuu pienen kulutuksen hetkeen, hinnat putoavat lähelle nollaa. Vastaavasti tyyni pimeä aika tuottaa korkeita sähkön hintoja. Siinä vaiheessa kun ylikapasiteettia poistuu markkinoilta, hintavaihtelut ovat suuria. Keskimäärin hinnat voivat pysyä järkevällä noin 40-50 €/MWh tasolla, ja korkeiden hintojen aikana tuottavat laitokset saavat investointinsa rahoitettua (kuva 1).

Markkinoita ollaan kehittämässä siten, että sähkölle – ja säätösähkölle – sallitaan korkeampia hintoja. Pohjoismaiden markkinoilla on nykyisin hintakatot, eli hintojen ei anneta nousta rajattomasti. Tällä halutaan suojella sähkön kuluttajaa. Esimerkiksi Teksasissa hinnat nousevat jopa noin 9 000 dollariin/MWh. Tämä myös vastaa suunnilleen sitä hintaa, mikä on arvioitu sähkölle jota ei onnistuta toimittamaan kuluttajalle, eli sähkön arvoa silloin kun sitä todella tarvitaan. Tämä on suuri hinta verrattuna Suomen hintoihin, esimerkiksi vuonna 2016 maksimihinta oli 212 euroa/MWh . Piikkihintoja ei tapahdu monena tuntina vuodessa: Suomessa hinta oli yli 100 euroa/MWh alle 40 tuntia. Toisaalta alle keskiarvohintaa on tarjolla huomattavasti useammin: Suomessa hinta oli alle 20 euroa/MWh yli 850 tuntia.

Vaihteleva hinta edistää joustavan tuotannon rakentamista ja kysyntäjoustoa

Hintojen suurempi vaihtelu antaa selkeän signaalin sille, millaista tuotantokapasiteettia tarvitaan. On tärkeää, että kapasiteetti voi välillä olla pois päältä (ylituotannon tunteina) ja välillä tuottaa. Hyvin korkeat hinnat vain joinakin tunteina tai päivinä vuodessa suosivat niin sanottua huippukapasiteettia, esimerkiksi kaasuturbiineja.

Vaihteleva hinta antaa signaalin myös sähkön kysynnän joustamiseen. Kysyntäjouston avulla tuotantokapasiteettia tarvitaan vähemmän. Kysyntäjoustot vähentävät hintavaihtelua: kun sähköä on ylimäärin tarjolla, kulutuksen lisääminen auttaa pitämään sähkön hinnan positiivisena, ja toisaalta kysynnän vähentäminen korkeilla hinnoilla auttaa pitämään hinnannousun maltillisempana. Toisaalta on suojattava kuluttajaa siltä, että sähköstä joutuu tietämättään maksamaan hyvin korkeaa hintaa, mutta tämä on tehtävissä esimerkiksi sähkönkulutusta automaattisesti rajoittamalla.

Tuuli- ja aurinkoenergian saama hinta markkinoilta on selvästi alle keskiarvon (kuva 2). Ennen kuin päästään tilanteeseen, jossa niiden tuotantokustannukset putoavat todella alas, niitä tulisi tukea tai rahoittaa muutoinkin kuin sähkömarkkinoiden kautta, jotta yhteiskunta voi vähentää päästöjä Pariisin ilmastosopimuksen mukaisesti.

Tuulivoimatuotannon arvoa markkinoilla auttaa laaja sähkömarkkina-alue – laajan alueen tuulivoimatuotanto on tasaisempaa eli ylituotantotilanteita tulee harvemmin. Lisäksi lisääntyvä lämpö- ja liikennesektorin sähköistyminen ja erityisesti joustavan sähkönkulutuksen lisääntyminen (esimerkiksi sähköautot) helpottaa ylituotannon hetkinä.

Laaja sähkömarkkina-alue tasoittaa hintojen vaihtelua

Energiamarkkinoita kehitetään kohti suurempia markkinoita. Euroopan unionin tavoitteena on yhteiseurooppalainen sähkömarkkina. Pohjoismaiden ja Keski-Euroopan kauppa on jo avautunut. Tämä auttaa hallitsemaan tuulivoiman vaihteluita, koska laajemman alueen tuulivoimatuotanto on huomattavasti tasaisempaa. Tuulivoimatuotanto yhdessä maassa vaihtelee eri päivinä ja voi suuren kulutuksen päivinä olla pientä. Pohjoismaiden alueella esimerkiksi tuulee huippukulutuksen tunteina aina kohtalaisesti.

Tuulivoimatuotannon arvo suurilla markkinoilla ei putoa yhtä paljon kuin pienessä järjestelmässä. Aurinkovoiman kohdalla alueen laajentaminen yhdestä maasta suuremmaksi auttaa aika vähän, koska päivänvalotunnit ovat suunnilleen samat.

Perusvoimaa mahtuu järjestelmään yhä vähemmän, kun tuuli- ja aurinkovoiman osuus kasvaa. Perusvoima joutuu jossain vaiheessa joustamaan eli vähentämään tuotantoaan. Tämä vaikeuttaa sen taloudellisuutta. Laajemmat markkinat auttavat tässäkin, eli jossakin päin Pohjois-Eurooppaa voi olla jonkin verran perusvoimaa vielä kun sähköstä 40 prosenttia tuotetaan tuuli- ja aurinkovoimalla.

Vesivoimavaltaisessa järjestelmässä, kuten Pohjoismaissa, tuuli- ja aurinkovoiman arvo markkinoilla pysyy myös korkeammalla tasolla. Vesivoima joustaa paljon, jolloin eri päivinä tuotanto voi olla hyvin erisuuruista. Näin tuulisina aurinkoisina tunteina ei tule yhtä helposti ylituotantoa ja vastaavasti tyyninä pimeinä aikoina riittää energiaa.

Myös päivän sisäinen kauppa sekä säätösähkön kauppa ovat siirtymässä kohti laajempia markkinoita – Pohjoismaat ovat tässä jo edelläkävijöitä.

Sähkömarkkinat muuttuvat kohti reaaliaikaa

Toinen kehityssuunta markkinoilla on kohti nopeampaa ja joustavampaa toimintaa. Päivä etukäteen tehtyjä kauppoja voi täydentää intra-day markkinoilla vielä tuntia ennen varsinaista toimitusta (Pohjoismaissa käytössä Elbas-markkina). Lyhytaikaista säätöä voi tarjota myös alle tunnin päähän toimituksesta.

Lisäksi markkinoilla voivat toimia myös muut kuin isot tuottajat. Toimijat voivat olla pienempiä tuottajia ja myös kulutuksen säätö on mahdollista aggregoimalla pienempiä kuluttajia.

Tulevaisuuden energiamarkkina

Sähköjärjestelmässä ollaan tulevaisuudessa siirtymässä uusiutuvien energiamuotojen suuntaan: paljon tuuli- ja aurinkovoimaa, joiden tukena on vesi- ja bioenergiaa. Tyyninä ja pimeinä aikoina kulutushuippuja leikkautuu kysyntäjoustojen avulla ja kulutusta katetaan joustavalla voimantuotannolla, joka pystyy toimimaan vain osan vuotta markkinoilla.

Niin sanotun perusvoiman aika on ohi siinä vaiheessa, kun tuulella ja auringolla tuotetaan yli 20 prosenttia sähköstämme. Keskimäärin 20 % tuuli- ja aurinkovoimaa tarkoittaa sitä, että niillä tuotetaan välillä yli 100% yhden maan sähköstä, niin kuin näemme jo Tanskassa ja Portugalissa tapahtuvan. Voimalaitoskapasiteetti siirtyy perusvoimasta kohti huippuvoimaa. Mitä enemmän tuuli- ja aurinkovoimaa järjestelmässä on, sitä enemmän kannattaa rakentaa kaasuturbiineja.

Vaihtelevat sähkön hinnat ohjaavat kulutusta niihin hetkiin, jolloin tuuli- ja aurinkovoimaa on paljon saatavilla, ja luovat mahdollisuuksia myös varastojen kustannustehokkaalle operoinnille.

Tuuli- ja aurinkovoimatuotannon arvo markkinoilla putoaa, kun niitä lisätään paljon. Uusi joustava kulutus auttaa pitämään tuotannon arvon korkeampana, kun ylituotanto saadaan hyötykäyttöön. Myös erityisesti tuulivoiman piikkejä tasaava suurempi markkina sekä varastointi (tällä hetkellä vesivoima) auttavat tuuli- ja aurinkovoimavaltaista markkinaa.

Miten pitkälle näillä päästään?

Kriittisin kysymys on, riittääkö tuotantokapasiteetti tulevaisuudessa – onko sähkömarkkinahintojen vaihtelu riittävää, pysyykö sähkön pörssihinta tarpeeksi korkealla tasolla suuren osan vuotta? Markkinahinnat antavat signaaleja, mutta nämä ovat herkkiä sille että kapasiteetin tasapaino pysyy – ylikapasiteetti johtaa nopeasti mataliin hintoihin kaikille. Ellei energiamarkkinoiden hintaohjaus riitä, voidaan ottaa käyttöön kapasiteettimaksut. Kapasiteettimaksujen haasteena on, miten pitää tuotantokapasiteetti sopivalla tasolla niin, ettei synny ylikapasiteettia, eikä makseta liikaa ja vääränlaisesta kapasiteetista.

Kirjoittaja:

Hannele Holttinen
VTT
EL-TRAN -hanke

Päivitetty: 17.5.2017

Perustuu artikkeliin N. Helistö, J. Kiviluoma & H. Holttinen, “Sensitivity of electricity prices in energy-only markets with large amounts of zero marginal cost generation,” Accepted for publication in 14th International Conference on the European Energy Market, EEM 2017, Dresden, Germany, 6-9 June, 2017.

Kirjoitus on julkaistu osana Kohti sähkömarkkinamallia 2.0 -keskustelupaperi- ja blogisarjaa, jonka tavoitteena on luoda suuntaviivoja sähkömarkkinoiden kehitykselle ja herättää keskustelua keinoista, joilla nykyiset markkinamurroksen haasteet voitaisiin ratkaista. Kirjoitussarja on laadittu Strategisen tutkimuksen neuvoston rahoittamien Smart Energy Transition  ja EL-TRAN -hankkeiden sekä Tekesin rahoittaman Neo-Carbon -hankkeen tutkijoiden yhteistyönä.