Investments in Low-Carbon Power Generation and Energy Storage under Uncertainty

Abstract

Denne masteroppgaven analyserer hvordan usikkerhet, ulike grader av risikoaversjon og ulike klimatiltak påvirker investeringene i, og dermed dekarboriseringen av kraftsystemet. Store investeringer innen fornybar kraftproduksjon er nødvendig for å nå de ambisiøse klimamålene mot 2050. Med dagens geopolitisk utfordrende situasjon, blant annet Russlands invasjon av Ukraina, er behovet for en hurtig omstilling større enn noen gang. Politikerne står dermed overfor en betydelig utfordring med å utforme en klimapolitikk som stimulerer til reduserte klimagassutslipp, og samtidig gi insentiver som legger til rette for vekst i fornybar kraftproduksjon.

Tre ulike optimeringsmodeller benyttes for planlegging av investeringer i økt effekt i et Nordeuropeisk kraftsystem bestående av flere prissoner; en deterministisk modell, en risikonøytral stokastisk modell og en risikoavers stokastisk modell. Ved å analysere og sammenligne disse tre modellene vises det komplekse samspillet mellom usikkerhet, risikoaversjon og klimapolitikk, og hvordan dette påvirker utviklingen av ny kraftproduksjon, klimagassutslipp, kraftpriser, inntekter og evnen til å imøtekomme kraftetterspørselen.

Funnene i denne masteroppgaven antyder at nivået av risikoaversjon har en betydelig påvirkning på kraftmiksen. Modellene viser en vesentlig økning i investeringer i fornybar kraftproduksjon med økende risikoaversjon når det blir innført avgift på CO2-utslipp. Til sammenligning er kraftmiksen stabil ved ulike grader av risikoaversjon når det settes et strengt tak for klimagassutslippene i kraftsystemet. På den andre siden, øker investeringene i fossil kraftproduksjon med økt risikoaversjon når systemet ikke er begrenset av klimapolitiske virkemidler. Masteroppgaven fremhever også betydningen av internasjonalt marked for kraftutveksling, for å best utnytte de volatile produksjonsmønstrene til ulik fornybar kraftproduksjon. Mer spesifikt, pekes det på hvordan havvind i Nordsjøen kan være avgjørende for å utnytte nettopp denne varierende kraftproduksjon i det Nordeuropeiske kraftsystemet. Dette vil føre til mindre avhengighet av fossil kraftproduksjon som kull og gass.

I tillegg påpekes viktigheten av at politikkutformingen hensyntar usikkerhet og risikoaversjon, og at dette bør inkluderes i langsiktige modeller for utviklingen av kraftsystemet. Dette vil bidra til at politikere kan ta mer velinformerte valg når klimapolitikk skal utformes. Det understrekes også at politikere ikke må undervurdere betydningen av nye skatter, slik som grunnrenteskatt på vindkraft. Denne oppgaven viser at slike skatter kan ha en betydelig dempende effekt på investeringsnivået innen fornybar kraftproduksjon. Viktigheten av å finne den riktige balansen mellom skatter og insentiver for videre investeringer påpekes. Alt dette er elementer som bidrar til å muliggjøre de betydelige utslippskuttene sektoren skal og må gjøre frem mot 2050 dersom de overordnede klimamålene skal nås.

The need for investment in new zero-emissions generation technologies is imminent, and after the Russian invasion of Ukraine, the transition is needed even faster than anticipated. Hence, policymakers are left with the challenging task of introducing the right climate policies, which strike a balance between reducing emissions and ensuring growth in electricity generation.

This Master's Thesis examines the impact of uncertainty and risk aversion on the decarbonization of the power system and investigates the effect of different policy options on investments in Renewable Energy Sources. A deterministic, risk-neutral stochastic, and risk-averse stochastic optimization models for Generation Expansion Planning are made to conduct analysis of a multi-zonal grid in Northern Europe. The analysis examines the complex interplay between uncertainty, risk aversion, and climate policies and how it affects capacity expansion, carbon emissions, power prices, revenues, and Non-Served Energy. Moreover, this thesis investigates the investment point for nuclear capacity in the context of a CO2 Tax policy, and it explores how new profit taxes might affect the investment in renewable energy.

The findings made in this thesis indicate that the level of risk aversion affects the capacity mix. Under a CO2 Tax policy, risk aversion results in greater investments in renewable energy. However, under a more stringent CO2 Cap policy, a consistent capacity mix is observed across all levels of risk aversion. In contrast, investments in fossil generation capacity increase with risk aversion in the absence of climate policies.

This thesis also emphasizes the importance of a functional international transmission system and the development of offshore wind capacity in the North Sea to optimize the flexibility of the different Variable Renewable Energy Sources and reduce reliance on fossil generation technologies. Furthermore, the importance of including uncertainty and risk aversion in long-term Generation Expansion Planning models is stressed to enable policymakers to facilitate informed decision-making. Additionally, policymakers are encouraged to carefully evaluate the effect of new taxes, such as the ground rent tax, which has shown a dampening effect of investments in wind capacity for the models used in this thesis. It is crucial to strike a balance between taxation and incentives for investments in Renewable Energy Sources to be able to achieve the ambitious climate goals for 2050.