Essays on demand-side management policies and measures: renewables accommodation, energy poverty and pricing strategies

Climate change is a phenomenon primarily caused by an increase in the percentage of carbon dioxide and other greenhouse gases in the atmosphere. A large proportion of these polluting emissions come from burning fossil fuels to generate electricity. Researchers and policymakers point to the generation of electricity from endogenous and green resources as the most promising solution to fight global climate change. While the deployment of renewable energy resources has been widely applied, their intermittent features largely mask their advantages over polluting fossil fuels. It is expected that the integration of intermittent renewable energy sources with low marginal costs would reduce electricity prices, also known as the merit-order effect. However, the opposite frequently occurs, i.e., electricity prices show a tendency to increase with the implementation of these energy sources. This could indicate that the deployment of renewable energy sources could deepen the problems related to energy poverty. This fact has been the motivation for the first essay of this thesis; the observation of the impact of renewable energy sources integration on the risk of poverty and social exclusion. A panel data of European countries was analyzed using Kao’s residual cointegration test with a Panel Autoregressive Distributed Lag approach. The main findings suggest that an increase in the capacity of intermittent renewable energy as a whole accentuates the risk of poverty and social exclusion for European households. In contrast, it is found that electricity generation from wind power and hydropower reduces households' risk of poverty and social exclusion. These divergent effects highlight the consequences of the intermittency phenomenon of renewable energy, more noticeable with wind power. The potential role of the demand-side in accommodating intermittent renewable energy sources in electricity systems is an area that needs further investigation. This thesis introduces an innovative line of study to provide enhanced empirical evidence about this topic. In the second essay, an empirical analysis of daily data was used to verify the interactions between electricity sources and the periods of differing consumption. The findings indicate that fluctuations in electricity demand are the main barrier to the integration of renewable energy sources. This outcome motivated the following two essays to go further and to break new ground by proposing demand classification methods by levels and time periods, obtained through the assessment of high-frequency historical data. The demand classification methods have provided new knowledge about the occurrence of electricity demand levels (namely, peak, valley, and intermediate), which is highly useful and valuable for designing new pricing strategies. These demand levels were studied in German and French electricity systems due to their high contribution of intermittent renewables and their largest rigid nuclear baseload sources, respectively. The most revealing finding in these two essays was the potential of a Timeof- Use tariff to provide the required demand-side flexibility to accurately accommodate renewables’ intermittence. In other words, involving consumers as an active player in the electricity market, leveraging renewables integration, can be achieved through a time-ofuse pricing strategy. It is crucial to understand whether the benefits promised by renewables effectively occur, specifically for households already suffering from energy poverty, or whether they will contribute to accentuating inequalities, increasing the number of households threatened by energy poverty. Once again, following the energy poverty reasoning, the sixth essay is dedicated to providing evidence on the impact of residential energy consumption forms on energy poverty. This essay assessed the energy poverty of European countries by degrees of urbanization, namely in cities, towns and suburbs, and rural areas. It emerges that energy transition to electricity should be carefully planned and stimulated in towns and suburbs, and rural areas so as not to threaten families with energy poverty. Conversely, in cities, households are prepared to totally satisfy their energy consumption through electricity. The last essay of this thesis assessed the impact of pricing strategies on households' energy cost burden. It is the first research that has extensively analyzed the social and economic impacts of electricity pricing strategies. In this sense, it was able to provide new knowledge and guidance on the design of energy policies, especially those focused on energy transition and on consumer empowerment. To sum up, this thesis proposes pricing strategies and demand-side management measures focused on increasing consumers' willingness to adjust their demand to the availability of renewable energy sources.As alterações climáticas têm sido causadas, principalmente, pelo aumento das emissões de dióxido de carbono e outros gases com efeito de estufa para a atmosfera. Uma parte substancial dessas emissões poluentes tem sido provocada pela combustão de combustíveis fósseis para gerar eletricidade. A geração de eletricidade a partir de recursos verdes e endógenos, tem sido apontada como a solução mais promissora para combater as alterações climáticas. Embora as fontes de energia renováveis tenham sido profusamente implementadas e utilizadas, os seus benefícios podem estar a ser restringidos pelas suas características, nomeadamente a sua intermitência. Espera-se que, a integração de fontes de energia renováveis intermitentes (eólica e solar fotovoltaica) com baixos custos marginais, reduza os preços da eletricidade, efeito também conhecido como merit-order effect. Contudo, o efeito contrário ocorre frequentemente, i.e., os preços de eletricidade mostraram uma tendência crescente com a implementação das fontes de energia renovável. Este efeito adversativo sugere que, a implementação das fontes de energia renováveis pode ainda agravar a vulnerabilidade das famílias, nomeadamente através dos problemas relacionados com a pobreza energética. Este raciocínio é, na verdade, a principal motivação para o primeiro ensaio desta tese que, pretende perceber qual o impacto da integração de fontes de energia renováveis no risco de pobreza e exclusão social das famílias europeias. Um painel de dados de países europeus foi analisado recorrendo a um teste de cointegração (Kao’s residual cointegration test) e a um estimador autorregressivo (Panel autoregressive Distributed Lag). Os resultados deste ensaio indicaram que, um aumento da capacidade instalada de fontes de energia renováveis intermitentes acentua o risco de pobreza e exclusão social das famílias europeias. No entanto, foi verificado que, a geração de eletricidade a partir de energia eólica e hidroelétrica reduz o risco de pobreza e exclusão social, diminuindo a desigualdade de rendimentos das famílias. Esta divergência entre o impacto da capacidade instalada e a sua geração efetiva realça as consequências da intermitência das fontes de energia renováveis que, são mais percetíveis na energia eólica. O potencial do lado da procura de eletricidade na acomodação de fontes de energia renováveis intermitentes nos sistemas electroprodutores é uma área que necessita de mais investigação. Esta tese apresenta uma linha de estudo inovadora para fornecer evidências empíricas sobre esse tópico. No segundo ensaio desta tese, foi conduzida uma análise empírica com dados diários para verificar as interações entre as fontes de energia elétrica e os períodos de consumo diferenciado (períodos de consumo em pico e fora de pico). A análise do segundo ensaio indicou que, as flutuações do consumo de eletricidade constituem a principal barreira à integração das fontes de energia renováveis. Este resultado motivou os dois ensaios seguintes, o terceiro e o quarto ensaio que, propõe métodos inovadores para classificar a procura de eletricidade por níveis de consumo e períodos de tempo, através de dados históricos de elevada frequência (dados de 15 em 15 minutos e de 30 em 30 minutos). Os métodos propostos para classificar a procura/consumo de eletricidade forneceram novos conhecimentos sobre a ocorrência dos diversos níveis de procura de eletricidade (nomeadamente, o nível de pico, de vale e intermédio), que se demonstraram úteis para formular novas estratégias de preço da eletricidade que permitam fomentar a acomodação das fontes de energia renováveis no sistema electroprodutor. Os níveis de procura de eletricidade do sistema elétrico alemão e francês foram estudados, devido à elevada contribuição de fontes de energia renováveis intermitentes e, à contribuição elevada e rígida da fonte nuclear, respetivamente. No caso alemão (terceiro ensaio) e no caso francês (quarto ensaio) o potencial das tarifas Timeof- Use (bi-horárias e tri-horárias) foi evidenciado, para fornecer a flexibilidade necessária do lado da procura, para acomodar produção de eletricidade intermitente provida pelas fontes de energia renováveis. Por outras palavras, ambos os ensaios comprovaram o potencial das tarifas Time-of-Use para envolver os consumidores como atores ativos no mercado de eletricidade, alavancando a integração das fontes de energia renováveis. É fundamental compreender se os potenciais benefícios das fontes de energia renováveis efetivamente ocorrem, especificamente para os agregados familiares em situação de pobreza energética. Ou se, pelo contrário, as fontes de energia renováveis irão contribuir para acentuar as desigualdades económicas e sociais existentes, aumentando o número de agregados familiares vulneráveis devido à pobreza energética. O quinto ensaio desta tese, seguindo o raciocínio da pobreza energética, dedicou-se a fornecer evidências empíricas sobre o impacto das formas de consumo de energia na pobreza energética. Este ensaio focou-se na avaliação da pobreza energética dos países europeus por grau de urbanização, nomeadamente nas cidades, vilas e subúrbios (áreas metropolitanas) e áreas rurais. Neste ensaio concluiu-se que, a transição de fontes de energia poluentes para eletricidade deve ser cuidadosamente planeada e estimulada nos diferentes graus de urbanização, de modo a não agravar a pobreza energética. No entanto, nas cidades, as famílias estão preparadas para satisfazer totalmente as suas necessidades de energia através do consumo de eletricidade, o que reduz a vulnerabilidade dessas famílias perante a eletrificação necessária para a transição energética. Por fim, o último ensaio desta tese, avaliou o impacto das estratégias de preços de eletricidade (tarifas de eletricidade) no aumento dos custos de energia para os agregados familiares. O sexto ensaio foi o primeiro estudo que analisou os impactos sociais e económicos das estratégias de preços de eletricidade. Neste sentido, o sexto ensaio foi relevante para fornecer novos conhecimentos e orientações para o planeamento de políticas de energia, especialmente, para o planeamento de políticas focadas na transição energética e no empoderamento dos consumidores. Em suma, os diversos ensaios que compõem esta tese fornecem evidências empíricas e, propõem estratégias de preços e medidas de gestão ativa da procura de eletricidade, com o objetivo de aumentar a predisposição dos consumidores a ajustar a sua procura/consumo de eletricidade à disponibilidade das fontes de energia renováveis