Future-proof Design of Capacity Mechanisms during the Energy Transition : Reliability Metrics, Firm Supply Calculation, Cost Allocation and Demand Participation

Abstract

Los mecanismos de remuneración de capacidad (CRMs, por sus siglas en inglés) se han convertido en un instrumento regulatorio esencial en los sistemas eléctricos, por el cual reguladores intentan lograr un nivel de fiabilidad deseado. Sin embargo, el proceso de transición energética está transformando el problema de la fiabilidad y las soluciones para ponerle remedio. Esta tesis doctoral se centra en la revisión de varios elementos de diseño de los CRMs, más específicamente la elección de la métrica de fiabilidad, la metodología para el cálculo del suministro firme, y las diferentes alternativas para permitir la participación de los recursos de demanda. Las conclusiones de esta tesis doctoral para estos temas pueden resumirse en los puntos siguientes. • En este contexto de transición energética y creciente elasticidad de la demanda eléctrica, las métricas de fiabilidad más utilizadas, como la LOLE, se están volviendo obsoletas, ya que no pueden capturar la severidad de cada evento de pérdida de carga. Para poder capturar estas diferencias, las métricas de fiabilidad deberían incorporar la dimensión de precio. Adicionalmente, con el aumento de eventos climáticos extremos por el cambio climático, es recomendable que las métricas se centren en los escenarios extremos, usando el Valor en Riesgo Condicional. Sin embargo, los reguladores podrían percibir que una única métrica no puede capturar todas las posibles facetas de las situaciones de escasez. En este caso, podrían emplearse varias métricas simultáneamente, aunque esto complicaría el cálculo del suministro firme. Alternativamente, podría emplearse una métrica compuesta. El suministro firme representa el reconocimiento de como recursos contribuyen a solventar las situaciones de escasez. No obstante, las metodologías actuales para calcular el suministro firme son inadecuadas. Esta tesis doctoral presenta una serie de recomendaciones sobre cómo se debería calcular el suministro firme en los mecanismos de capacidad modernos, que se basan en el impacto marginal de los recursos, como parte de la futura operación del sistema, en la fiabilidad del sistema. Dada la visión prospectiva que debe seguirse a la hora de calcular el suministro firme, el efecto del CRM en sí mismo, debe ser considerado. El suministro firme de los diferentes recursos podría ser substancialmente diferente a lo esperado, y del suministro firme calculado exante, si el mix de recursos es significativamente diferente a lo estimado, debido precisamente al a esta estimación. • La creciente preocupación por la fiabilidad de los sistemas eléctricos, unido al aumento en la implementación de CRMs, ha llevado a una creciente necesidad de incluir los recursos de demanda de manera efectiva. Los costes de los CRMs deberían ser asignados de acuerdo con el impacto marginal de cada consumidor en la fiabilidad. Esta tesis propone que esto podría hacerse empleando cargos horarios que después pueden ser multiplicados por el consumo histórico de los consumidores. Sin embargo, integrar los recursos de demanda en los CRMs es un reto. Esta tesis detalla las diferentes alternativas para integrar los recursos de demanda, tanto mediante participación implícita y la participación explícita, y detalla algunos de los problemas que pueden surgir con estas alternativas.

Capacity Remuneration Mechanisms (CRMs) have become a key regulatory instrument in modern power systems, through which regulators aim to achieve a desired level of resource adequacy. However, the ongoing energy transition is reshaping the resource adequacy problem and the solutions to address it. This PhD dissertation focuses on revising several CRM design elements in this context, specifically resource adequacy metrics, the methodology for calculating firm supply, and the alternatives for enabling demand resource participation. The conclusions of this PhD thesis for each of these topics can be summarised as follows. • In the context of the energy transition and increasing demand elasticity, widespread metrics such as the Loss-of-Load Expectation are becoming obsolete as they cannot capture the severity of each event. In order to capture these differences, resource adequacy metrics must incorporate the price dimension. Additionally, in light of the increase in extreme weather conditions due to climate change, it would be advisable for resource adequacy metrics to focus on extreme scenarios using statistical measures such as the Conditional Value at Risk (CVaR) rather than treating all events equally. However, regulators may still perceive that a single metric cannot capture all facets of potential scarcity conditions. In this case, multiple resource adequacy metrics could be used simultaneously, although this would complicate the process of calculating firm supply. As an alternative, a composite resource adequacy metric could be used. • Firm supply recognises how different resources can contribute to overcoming scarcity conditions in a system. Current firm supply calculation methodologies are becoming inadequate and are being reformed in many power systems. This thesis presents several general recommendations on how firm supply should be calculated in modern CRMs, which are focused on the marginal impact of resources as part of the future operation of the system on its adequacy levels. Due to the forward-looking nature of the firm supply calculation process, the effect of the CRM itself on the resource mix must be considered. The firm supply of resources could differ significantly from expectations if the resource mix differs substantially from the initial estimate, caused precisely by the firm supply values estimated initially. • The rising concern for resource adequacy in power systems, coupled with the growing importance of CRMs in electricity market design, has made it increasingly necessary to incorporate demand resources more effectively. CRM costs should be assigned according to each consumer's marginal impact on the system's resource adequacy. This thesis proposes that this can be done by using hourly charges that can then be multiplied by consumers’ historical consumption. However, integrating demand resources into CRMs is challenging because they demand firm supply and offer it back to the system as demand response. This thesis details the various alternatives for integrating demand response for both implicit and explicit participation, and some of the issues that can arise with these alternatives.