De energietransitie: hoe moeten we batterijen gebruiken?

Eind jaren ‘90 werden de energiemarkten wereldwijd geliberaliseerd. Sindsdien kunnen energiecontracten worden verhandeld op beurzen zoals contracten voor andere grondstoffen en aandelen: de markt bepaalt de energieprijs. Als we de dynamiek van de prijzen op de energiemarkt bestuderen, moeten we het belangrijkste verschil tussen elektriciteit en andere grondstoffen begrijpen: elektriciteit kan nog niet op grote schaal worden opgeslagen. We moeten stroom produceren wanneer het verbruikt wordt: aanbod is vraag. Bijgevolg leiden onverwachte fricties in vraag en aanbod onmiddellijk tot enorme prijsschommelingen. Het is niet ongewoon dat de stroomprijs even later van +€1.000 / MWh naar -€400 / MWh gaat. En naarmate het marktaandeel van hernieuwbare energiebronnen toeneemt, zullen deze fricties zich vaker voordoen.

Een hoge prijs wijst op een tekort; een lage prijs wijst op een overaanbod. De extreme fluctuatie van energieprijzen geeft aan dat energiemarkten opslag nodig hebben en dat het verbruik meer in overeenstemming moet zijn met het aanbod van duurzame energie. We moeten batterijen opladen/ontladen wanneer de prijzen hoog/laag zijn of minder/meer verbruiken. Elektriciteitsmarkten ‘schreeuwen’ om opslag en vraagrespons. Zolang er onvoldoende opslagcapaciteit is en de vraag naar elektriciteit prijsinelastisch blijft, zullen we te maken hebben met de onzekerheid van extreem prijsgedrag; een onzekerheid die risico’s met zich meebrengt voor energiebedrijven en investeerders in hernieuwbare energie.

Problemen met timing

Het is duidelijk dat energieopslag nodig is om de toevoer van hernieuwbare energiebronnen beter op te vangen. Dat roept echter een vraag op: hoe moet een batterij worden gebruikt? Het ligt voor de hand om een accu op te laden in geval van overaanbod, maar het is minder voor de hand om de accu te ontladen. Als alle batterijen op hetzelfde moment worden ontladen, ontstaat er op een ander moment een overaanbod. Accu’s (en vraagresponssystemen) moeten zo worden gebruikt dat ze de mismatch tussen het aanbod van hernieuwbare energiebronnen en de vraag naar stroom flexibel kunnen opvangen.

Prijsschommelingen

Dit motiveerde mij om de dynamiek van energieprijzen te bestuderen. Als we kunnen voorspellen wanneer de prijzen extreem hoog of laag zijn, en daarmee signalen over tekorten en overaanbod onthullen, kunnen we batterijen overeenkomstig gebruiken. Om dit te doen heb ik de extreme waarde theorie (EVT) toegepast om te begrijpen wat de oorzaak is van extreem hoge of lage prijzen. Stel dat je wilt weten hoe groot de kans is dat de energieprijs op een bepaald moment in de toekomst een zeer hoog (of laag) niveau overschrijdt. De normale verdelingsfunctie helpt niet bij het modelleren van deze onzekerheid: extreem hoge of lage prijzen komen minder vaak voor dan wat in werkelijkheid wordt waargenomen. EVT richt zich op de vorm van de staarten. Hiermee kan het gedrag van extreme prijzen worden bestudeerd.

In mijn onlangs gepubliceerde artikel “Fat Tails due to Variable Renewables and Insufficient Flexibility: Evidence from Germany” (samen met Evangelos Kyritsis en Cristian Stet), pas ik EVT toe om extreme stroomprijzen in Duitsland te bestuderen. We ontdekten dat tijdens perioden met een laag aanbod van hernieuwbare energiebronnen en een hoge vraag, extreem hoge prijzen vaker voorkomen dan extreem lage prijzen. Het tegenovergestelde geldt voor perioden met een hoog aanbod van hernieuwbare energiebronnen en een lage vraag: extreem lage prijzen komen vaker voor dan extreem hoge prijzen.

Voordelen van het gebruik van batterijen

De resultaten helpen te begrijpen hoe een accu en vraagresponssystemen moeten worden gebruikt. Een volledig opgeladen accu is gewenst vlak voor een periode met extreem hoge prijzen. Men wil dat een accu leeg is vóór een periode met (naar verwachting) veel aanbod uit duurzame energiebronnen en wanneer de vraag laag is. Op die manier zal het gebruik van batterijen en vraagresponssystemen energiesystemen helpen om beter in te spelen op het fluctuerende aanbod van hernieuwbare energiebronnen. Bovendien verbetert de focus op opladen en ontladen wanneer de prijzen laag en hoog zijn de winstgevendheid van energieopslagsystemen, wat de bereidheid van investeerders om te investeren in de energietransitie vergroot.