Por que sua empresa precisa ser um comerciante de eletricidade

This article is the first in a series exploring changes to our electricity and broader energy systems—and the implications for energy consumers and governments—that will arise from the massive increase in Energia renovável variável necessário para alcançar ambições globais de descarbonização. Este artigo apresenta os problemas gerais que pretendemos explorar, enquanto os artigos futuros se concentrarão em aspectos específicos da transição.

para Alcance Net-Zero Emissões até 2050, precisaremos eletrificar cada vez mais nosso consumo de energia e implantar a geração de energia renovável em um ritmo excedendo muito hoje - e além do que os governos estão planejando atualmente. Mas o processo traz desafios significativos: a penetração profunda da energia renovável, especialmente solar e vento, afetará drasticamente a física subjacente de nossos sistemas de eletricidade, bem como a economia de nossos mercados de eletricidade. O fato é que os preços mais voláteis da eletricidade serão cada vez mais difundidos. Isso é mais do que resposta típica da demanda. O gerenciamento de ativos como comerciante de eletricidade, em vez de um consumidor de eletricidade, permitirá que essas empresas aproveitem a volatilidade dos preços que acompanha o aumento das penetrações de energia renovável variável, além de melhorar a resiliência a choques. As empresas que permanecem focadas inteiramente na utilização total precisarão pagar um prêmio para garantir contra a volatilidade-ou permanecer reféns. Habilite as mudanças necessárias no uso de energia industrial, tanto os governos quanto os mercados de eletricidade precisarão fazer mais para enfrentar os desafios que enfrentam.

We believe the effect that deep variable renewables penetration will have on energy-consuming industries and the ability of countries to attract them is not yet fully appreciated. The fact is that more volatile electricity prices will be ever more pervasive.

This transformation of our electricity systems and markets will offer a competitive edge for companies that can be more flexible in the way they consume electricity. This is more than typical demand response. Managing assets as an electricity trader rather than an electricity consumer will allow those companies to harness the price volatility that accompanies increasing penetrations of variable renewable energy, while also improving resilience to shocks. Companies that remain focused entirely on full utilization will need to pay a premium to insure against volatility—or remain hostage to it.

Along with the economic benefits, doing so also will allow them to increase the proportion of renewable electricity that they actually consume, compared with the renewable energy they procure (better matching their hour-by-hour consumption to when the sun shines and wind blows).

Governos e designers do mercado de eletricidade em países na linha de frente da transição energética já estão começando a girar para acomodar uma maior penetração de renováveis ​​em seus sistemas de eletricidade. Mas acreditamos que, para permitir as mudanças necessárias no uso de energia industrial, os governos e os mercados de eletricidade precisarão fazer mais para enfrentar os desafios que enfrentam. Antes de enfrentar esses desafios, no entanto, começamos com a escala de mudança em nossos sistemas.

This article examines how the technical and physical issues that come with large volumes of variable renewable energy in our electricity systems demand changes to how large electricity consumers operate. Before addressing these challenges, however, we start with the scale of change to our systems.

Penetração profunda de energia renovável variável é inevitável

Hoje, cerca de 40% das emissões globais vêm do uso de combustíveis fósseis para criar eletricidade e calor. Para atender às ambições da rede de zero em meados do século, a geração de fósseis terá que ceder-quase completamente-para a geração de energia renovável. De acordo com a Agência Internacional de Energia (IEA), a energia renovável precisará compensar próximo a 90% do mix de geração global até 2050, em comparação com cerca de 29% hoje, mesmo que a quantidade total de geração de eletricidade aumente mais de duas e duas vezes (Anexo 1).

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Para alcançar esse grau de penetração renovável, empresas e governos precisarão se mover rapidamente. Forte crescimento de renováveis ​​ Nesta década, com adições anuais de cerca de 630 gigawatts (GW) de fotovoltaicos solares (PV) e cerca de 390 GW de vento até 2030-quatro vezes os níveis recordes estabelecidos em 2020. A IEA também exige uma parada em que as decisões de investimento não se referem ou a geração de 36 anos de referência). Formulários: geração “despachável” (que pode ser ativada e desativada de acordo com a demanda) ou a geração “variável” (que depende de condições climáticas favoráveis). Eles operam de maneira semelhante aos geradores de energia convencionais, com água ou vapor sendo usado para acionar uma turbina para gerar eletricidade. Enquanto eles oferecem muitas das vantagens das plantas convencionais, a disponibilidade desses recursos renováveis ​​é restringida por condições geográficas e naturais.

Renewable energy comes in two forms: either “dispatchable” generation (which can be turned on and off according to demand) or “variable” generation (which depends on favorable weather conditions).

Dispatchable renewables mainly comprise generation from hydro, geothermal, and biofuel plants. They operate in a similar way to conventional power generators, with water or steam being used to drive a turbine to generate electricity. While they offer many of the advantages of conventional plants, the availability of these renewable resources is constrained by geographical and natural conditions.

Como resultado, a maioria das novas capacidade de geração renovável terá que vir de fontes variáveis: principalmente PV solar, vento onshore e vento offshore. Atualmente, essas fontes compõem apenas uma lasca de geração de eletricidade, representando cerca de 9% em 2020 (e apenas 2% em 2010). Mas, de acordo com a via líquida da IEA, eles representariam quase 70% do mix de geração global até 2050.

A energia renovável variável desafia os sistemas de eletricidade tradicionais

Variable renewable energy behaves differently to conventional Geração de energia . Por definição, a energia renovável variável depende do sol brilhante ou do vento soprando; É incerto (e apesar das ferramentas de previsão do tempo cada vez mais precisas, desafiadoras prever perfeitamente); É distribuído (os geradores são menores e menos centralizados); Possui custo marginal quase zero (os custos são quase totalmente fixos); e depende de inversores (dispositivos eletrônicos de energia que alteram a eletricidade de corrente direta de painéis solares ou turbinas eólicas para a corrente alternada das grades de energia). Essas características criam desafios para os operadores do sistema e participantes do mercado, incluindo empresas que dependem de uma fonte confiável de eletricidade, de duas maneiras:

• Problemas técnicos e físicos em torno da confiabilidade e estabilidade. As grades foram projetadas com geração convencional de energia baseada em combustível fóssil, em vez de fontes de energia renováveis ​​variáveis, em mente. Como resultado, os sistemas de eletricidade com um alto grau de geração renovável variável geralmente estão em maior risco de instabilidade sem ações de acompanhamento. Eles exigem investimentos em nova infraestrutura, a retenção de capacidade de geração despachável (convencional) suficiente e/ou maior flexibilidade no lado da demanda para funcionar de maneira confiável e segura. Quatro coisas são particularmente desafiadoras: adequação de recursos, adequação da rede, estabilidade de frequência e estabilidade de tensão. (Consulte “Energia renovável variável: quatro desafios físicos”.) Em locais com muita geração renovável variável - por exemplo, Austrália, Califórnia, Alemanha e Texas - já estamos vendo esses problemas, com consequências às vezes caras.
• Economic challenges around price volatility and the viability of conventional power plants.

Deep variable renewable energy can destabilize grids

Electricity grids were designed with conventional fossil fuel-reliant power generation, rather than variable renewable energy sources, in mind. As a result, electricity systems with a high degree of variable renewable generation are generally at greater risk of instability without follow-up actions. They require investment in new infrastructure, the retention of enough dispatchable (conventional) generating capacity, and/or increased flexibility on the demand side to function reliably and securely. Four things prove particularly challenging: resource adequacy, network adequacy, frequency stability, and voltage stability. (See “Variable Renewable Energy: Four Physical Challenges.”) In locations with a lot of variable renewable generation—for example, Australia, California, Germany, and Texas—we are already seeing such problems arise, with sometimes expensive consequences.

À medida que a participação da energia renovável variável no mix de geração aumenta, esses quatro desafios se tornarão cada vez mais urgentes para os operadores do sistema. Para superar esses problemas, os operadores precisarão considerar uma série de medidas para garantir que suas grades sejam confiáveis. Soluções de design técnico e de mercado estão disponíveis, embora, em geral, aumentem o custo do sistema geral de energia. Um comentário feito por aqueles que antecipam uma paisagem energética dominada por renováveis ​​é "

Increasing variable renewable energy means greater price volatility

In liberalized electricity systems where prices are set by the market, a high proportion of variable renewable generation can also lead to more volatile prices, particularly when they force the exit of base and mid-merit dispatchable generators. One comment made by those anticipating an energy landscape dominated by renewables is “ A eletricidade será gratuita". Eles precisam adicionar "Exceto quando você realmente precisar" - e então será caro em relação à média. Existem várias razões para isso. A proporção de demanda que precisa ser atendida pela geração despachável nesses momentos é baixa (ou zero), mantendo o custo da eletricidade - que é determinado pelo gerador marginal - na verificação. De acordo com a empresa de pesquisa Bloombergnef, por exemplo, o preço da eletricidade do meio -dia na Califórnia caiu de um prêmio de 25% acima dos preços diários da média para um desconto de cerca de 30% devido à explosão da energia solar no estado.

During periods of high variable renewable generation—such as the middle of the day in the summer months in the case of regions with significant solar generation—electricity becomes very cheap (far cheaper than with conventional generation) and is sometimes even sold at negative prices, with generators paying consumers to take surplus generation. The proportion of demand that needs to be met by dispatchable generation at these times is low (or zero), keeping the cost of electricity—which is determined by the marginal generator—in check. According to research company BloombergNEF, for example, the midday electricity price in California has declined from a premium of 25% above average daily prices to a discount of around 30% due to the explosion in solar power in the state.

Por outro lado, a eletricidade se torna mais cara quando a geração renovável variável é baixa, como durante os períodos de demanda de pico da noite ou quando o sol e o vento não estão disponíveis para a geração de energia ou quando a oferta de geração despachável é fisicamente interrompida devido a um acidente técnico. Isso ocorre porque os geradores despacháveis ​​restantes-que suplementaram a saída renovável variável-consistem insensamente em tecnologias de pico de carga (como geradores a gás), com tecnologias básicas e de mérito médio com custos marginais mais baixos sendo impulsionados do mercado. O impacto geral dessas variações, combinado com níveis mais extremos e altos de preços, é um aumento na volatilidade dos preços da eletricidade.

Ao mesmo tempo, a disponibilidade de fontes de energia renováveis ​​variáveis ​​muda constantemente de uma hora para a seguinte. O impacto geral dessas variações, combinado com níveis mais extremos e altos de preços (como discutido acima), é um aumento na volatilidade dos preços da eletricidade. De fato, na Austrália do Sul, uma maior volatilidade causou o valor da arbitragem diária - o valor da capacidade de mudar a geração das horas mais baratas para as mais caras - triplicar na última década.

Esse fenômeno ainda não é universal. (Veja a Figura 2 para uma comparação internacional da volatilidade do preço da eletricidade dentro do dia.) A volatilidade dos preços é clara em mercados como o sul da Austrália, Texas e Califórnia. Em outros, pode ser superado por outros fatores que diminuem a volatilidade. Por exemplo, "seguro" por meio de mercados de capacidade que podem ajudar a manter as plantas convencionais (despacháveis) on -line; grande hidrostorsa de bombeamento e hidroreServOirs; Recursos de design de mercado, como rigorosas tampas de preços e pisos; e altos níveis de interconectividade com mercados com preços menos voláteis e recursos diversos. Mesmo que, em alguns mercados, esses fatores estejam presentes hoje, os grandes consumidores não podem se dar ao luxo de ignorar a volatilidade dos preços, pois esperamos que os desenvolvimentos do mercado na próxima década mudem o saldo. 

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Large Energy Users Can Benefit from More Flexible Operations

The largest electricity consumers are inevitably most exposed to the challenges of high renewables penetration in electricity systems. Esses consumidores compreendem principalmente empresas que usam os seguintes tipos de processos:

• Processos eletrolíticos, como fundição de alumínio, clor-alcali, dessalinização da água e eletrólise potencialmente de hidrogênio. Mineração.
• Electric arc furnaces used in steel and other metal manufacturing.
• Electronics, primarily data centers and cryptocurrency mining.
• Resfriamento, principalmente data centers e refrigeração alimentar. Para uma fundição de alumínio, entre 15% e 40% das receitas vão para pagar sua conta de eletricidade. O número é de até 50% para um data center. E no caso de uma planta de clor-alcalino, pode ser superior a 60%. (Consulte Anexo 3.) Nesses níveis, quando os preços da eletricidade variam rotineiramente a múltiplos do preço médio da eletricidade, o cálculo para como você consome eletricidade deve mudar. Combustão de combustíveis fósseis, eles também podem ser expostos aos efeitos da alta penetração de energia renovável variável. Por exemplo, empresas que realizam compressão a gás em tubulações ou que usam gás para aquecimento. De acordo com o Instituto Internacional de Alumínio, em 2019, cerca de 85% da fundição primária de alumínio em todo o mundo foi alimentada por geração a carvão ou hidrelétrica. Em muitos casos, os geradores ficaram presos - isto é, a fundição é o cliente majoritário e há poucas oportunidades para vender eletricidade a outros usuários. Como alternativa, os grandes clientes evitaram a volatilidade dos preços por meio de contratos de preço fixo de longo prazo-geralmente a preços baixos. Esses contratos sustentaram a demanda por geradores de carga básica.
• Mechanical processes including pumping (for example, natural gas compression and water distribution), grinding (for example, mining processes), and pulping processes (for example, paper).

Players in all these industries use very large amounts of electricity. For an aluminum smelter, between 15% and 40% of revenues goes toward paying its electricity bill. The figure is up to 50% for a data center. And in the case of a chlor-alkali plant, it can be more than 60%. (See Exhibit 3.) At these levels, when electricity prices routinely vary to multiples of the average electricity price, the calculus for how you consume electricity must change.

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As other industries electrify to avoid greenhouse gas emissions from the direct combustion of fossil fuels, they too could be exposed to the effects of high penetration of variable renewable energy. For example, companies that carry out gas-fueled compression in pipelines or that use gas for heating.

Large energy customers have been sheltered from volatility—until now

Up to now, large energy customers have historically located their facilities next to a source of reliable, competitively priced electricity, such as a coal mine and power station or a hydroelectric dam. According to the International Aluminium Institute, in 2019 around 85% of primary aluminum smelting worldwide was powered by either coal-fired generation or hydropower. In many cases, generators have been stranded—that is to say, the smelter is the majority customer and there are few opportunities for selling electricity to other users. Alternatively, large customers have avoided price volatility through long-term fixed price contracts—often at low prices. These contracts have underpinned demand for base-load generators.

Nesse ambiente, os usuários de energia conseguiram concentrar decisões na manutenção do alto uso de seus ativos - mantendo efetivamente suas plantas funcionando o tempo todo - e maximizando a saída. Mas, na próxima paisagem energética dominada por renováveis ​​e, onde a disponibilidade de geração despachável convencional é muito menor, a demanda de carga básica que essas grandes empresas industriais fornecem valores a serem um ativo ao sistema de eletricidade e, em vez disso, se torna um passivo. O perigo de se concentrar apenas na alta utilização é que os usuários começarão a pagar preços fixos mais altos (no caso de contratos de longo prazo) ou que os custos aumentarão rapidamente durante períodos de preços altamente flutuantes da eletricidade (se optarem por ser expostos a preços no atacado baseados no tempo). Esses jogadores precisarão adotar flexibilizar seu uso de energia.

Vemos duas razões claras e estratégicas pelas quais os grandes usuários de eletricidade devem melhorar a flexibilidade de suas operações e perfil de consumo de eletricidade para que possam responder ao aumento de renováveis ​​variáveis. Isso reflete os desafios físicos e econômicos apresentados pela alta penetração de energia renovável variável. flutuações no custo da eletricidade. 

• From a sustainability perspective, they can increase the level of renewable energy that they actually consume compared with the renewable energy they procure (overcoming obstacles posed by the variable nature of solar and wind).
• From an economic perspective, they can improve their ability to navigate volatile prices and benefit from fluctuations in the cost of electricity. 

Os motores precoces estão demonstrando caminhos futuros

Alguns consumidores de eletricidade nos setores mais afetados estão começando a avançar para tornar seu perfil de consumo de eletricidade mais flexível. consome (versus o que é compra agregado). Para ajudar a atingir sua meta, a empresa pode alterar a fonte de eletricidade (por exemplo, para geração despachável sem carbono, como a geotérmica). Mas o Google anunciou que também pretende ajustar o tempo e os locais em que processam alguns dados, particularmente dados que não são críticos no tempo.

On the physical side, Google has announced that it will target “24/7” carbon-free energy (at all times of the day and in all locations) by 2030 to increase the amount of renewable energy that it truly consumes (versus what it on aggregate procures). To help achieve its target, the company might change the source of electricity (for example, to carbon-free dispatchable generation such as geothermal). But Google has announced that it also intends to adjust the time and locations in which they process some data, particularly data that is non-time critical.

Na Alemanha, o Aluminum Group TriMet se concentrou nas vantagens econômicas de flexibilizar operações, usando -o para compensar os preços do aumento da eletricidade no atacado. O TriMet tem testado novas tecnologias de troca de calor e compensação magnética, juntamente com o controle de processo aprimorado em sua fundição em Essen. Essa combinação de tecnologias permite que o TriMet varie o consumo de eletricidade e a produção de alumínio da fundição em ambas as direções em até 25% (enquanto normalmente isso é inferior a 5%). O trimet refere-se a isso como uma "bateria virtual" e, dada a maior duração (direcionada para manter essa variabilidade por até 48 horas) em relação às baterias de íons de lítio, o torna muito valioso no contexto de um mercado de eletricidade volátil. As operações não são novas. Normalmente, eles são chamados de gerenciamento do lado da demanda ou resposta à demanda (DR). Historicamente, eles geralmente se limitam a recusar o consumo de energia em períodos de alta demanda ou pequenos ajustes nos cronogramas de produção para tornar o consumo mais flexível. Nos mercados de eletricidade por atacado, terceiros conhecidos como "agregadores" atuam como intermediários e ajudam os usuários de energia a aproveitar essa flexibilidade. (Consulte “Resposta da demanda: um breve histórico.”)

Energy users should act like “green”-electricity traders in a world dominated by variable renewable energy

Some aspects of crafting more flexible operations are not new. These are typically referred to as demand-side management or demand response (DR). Historically, they have often been limited to turning down energy consumption in high demand periods or small adjustments in production schedules to make consumption more flexible. In wholesale electricity markets, third parties known as “aggregators” act as intermediaries and help energy users take advantage of this flexibility. (See “Demand Response: A Brief History.”)

What we envisage is more holistic: first, we foresee users reconfiguring their assets and production processes to make their consumption of electricity more flexible; and, second, they will need to treat their assets like real options—much as an asset-backed commodity trader would. The idea: to maximize the profit of facilities by flexing production plans to take into account fluctuating input costs and output prices, rather than to maximize production. That means electricity ceases to be a procured input, but something that can be traded and retraded as prices shift (though to be clear, we are not proposing speculative trading). As this type of flexibility affects core production processes, consumers themselves will need to take on a bigger role in optimizing their interaction with electricity markets: one cannot fully give away the production keys to a third party.

We see two different pathways for consumers to become the kinds of “asset-backed green-electricity traders” that we’ve just described. (See Exhibit 4.) The first pathway focuses initially on maximizing the true amount of carbon-free energy consumed—like Google’s 24/7 carbon-free energy program. The second pathway focuses on harnessing flexibility to optimize the tradeoff between electricity input costs and revenues—as TRIMET does. As our electricity systems become fully carbon-free, these two pathways will converge: maximizing the volume of renewables truly consumed will align with optimizing electricity consumption from an economic perspective, and vice versa.

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Electricity Markets Will Need to Be Reconfigured

Nos mercados na borda principal dos órgãos de transição, política e design de energia já estão procurando maneiras de reconfigurar os mercados de eletricidade. Por exemplo, o Conselho de Segurança Energética da Austrália iniciou uma revisão pós-2025 para redesenhar o mercado para acomodar níveis mais altos de geração renovável, de maneira confiável e acessível. eficaz. Os designers de mercado, portanto, precisarão tomar as seguintes etapas:

The challenge is to ensure that changes are not too narrowly focused and go beyond today’s supply-side issues, such as the economic pressures on conventional generators.

We believe that redesigns must take a holistic approach to be effective. Market designers, therefore, will need to take the following steps:

• Recompense todos os serviços necessários para fornecer uma grade fisicamente estável (em termos de geração e capacidade de eletricidade, controle de frequência, congestionamento, inércia e força do sistema). Recursos
• Accommodate a range of different means to provide these services:
  - Conventional and renewable generating resources
  - Sistemas de armazenamento de energia, como hidro-bombeado e baterias
  - Flexibilidade do consumo industrial (incluindo novas fontes de demanda de eletricidade frequentemente chamadas de Power-to-X)
  - Building and household consumption flexibility
  - Grid capacity

Finally, policymakers need to treat the electricity market as part of a broader industrial ecosystem. They need to plan across industry and energy supply to make sure that the composition of their electricity systems, the features of their energy markets, and the resulting price levels and volatility provide the necessary support for the industries they want to encourage.

The high levels of variable renewable energy needed to achieve net-zero emissions by midcentury will transform existing electricity systems built around centralized, fossil-fuel-based power generation. All players will need to adapt to the evolving landscape to achieve their goals. Energy-intensive users will have to act like electricity traders by making their operations more flexible and managing their production and electricity costs together. Policymakers and market designers will have to holistically reconfigure electricity markets to address technical and physical challenges, accommodate new sources of supply and demand, and attract or retain key industries. We will explore these topics in greater detail in subsequent articles in this series.

Os autores agradecem a Thomas Baker da BCG, Antti Belt, Eric Boudier, Christophe Brognaux, François Candelon e Lars Holm, além de Robert Hutchinson, com quem trocaram idéias durante a preparação desta publicação. Essas discussões ricas e envolventes permitiram aos autores pressionar ainda mais seu pensamento. Eles também são gratos a Matthew Fletcher pelo suporte a escrever. BHI JAPAN