Gas to Coal Competition in

  Gas to Coal Competition in  the U.S. Power Sector  Steven Macmillan, Alexander Antonyuk, Hannah Schwind  © OECD/IEA 2012   The views expressed ...
Author: Jonas Morgan
0 downloads 2 Views 2MB Size
 

Gas to Coal Competition in  the U.S. Power Sector 

Steven Macmillan, Alexander Antonyuk, Hannah Schwind 

© OECD/IEA 2012

 

The views expressed in this paper do not necessarily reflect the views or policy of the International Energy Agency (IEA) Secretariat or of its individual member countries. The paper does not constitute advice on any specific issue or situation. The IEA makes no representation or warranty, express or implied, in respect of the paper’s content (including its completeness or accuracy) and shall not be responsible for any use of, or reliance on, the paper. Comments are welcome, directed to [email protected].

© OECD/IEA, 2013 

INTERNATIONAL ENERGY AGENCY The International Energy Agency (IEA), an autonomous agency, was established in November 1974. Its primary mandate was – and is – two-fold: to promote energy security amongst its member countries through collective response to physical disruptions in oil supply, and provide authoritative research and analysis on ways to ensure reliable, affordable and clean energy for its 28 member countries and beyond. The IEA carries out a comprehensive programme of energy co-operation among its member countries, each of which is obliged to hold oil stocks equivalent to 90 days of its net imports. The Agency’s aims include the following objectives: n Secure member countries’ access to reliable and ample supplies of all forms of energy; in particular, through maintaining effective emergency response capabilities in case of oil supply disruptions. n Promote sustainable energy policies that spur economic growth and environmental protection in a global context – particularly in terms of reducing greenhouse-gas emissions that contribute to climate change. n Improve transparency of international markets through collection and analysis of energy data. n Support global collaboration on energy technology to secure future energy supplies and mitigate their environmental impact, including through improved energy efficiency and development and deployment of low-carbon technologies. n Find solutions to global energy challenges through engagement and dialogue with non-member countries, industry, international organisations and other stakeholders.

IEA member countries: Australia Austria Belgium Canada Czech Republic Denmark Finland France Germany Greece Hungary Ireland Italy Japan Korea (Republic of) Luxembourg Netherlands New Zealand Norway Poland Portugal Slovak Republic © OECD/IEA, 2013 Spain International Energy Agency Sweden 9 rue de la Fédération Switzerland 75739 Paris Cedex 15, France Turkey www.iea.org United Kingdom United States Please note that this publication

is subject to specific restrictions that limit its use and distribution. The terms and conditions are available online at http://www.iea.org/termsandconditionsuseandcopyright/

The European Commission also participates in the work of the IEA.

© OECD/IEA 2013 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

Table of Contents  Executive Summary ................................................................................................................... 3  Introduction .............................................................................................................................. 4  Background and Recent Trends ................................................................................................. 6  Page | 1  A look back at 1990‐2011: The US dash for gas and its limits ................................................... 6  The evolution of gas‐coal competition during the past two decades ............................... 6  Assessing current potential switchable gas capacity ......................................................... 8  Characterising the portfolio of switchable capacity .......................................................... 8  Factors affecting utilisation of switchable capacity .................................................................. 9  Fuel prices ........................................................................................................................ 10  Coal contracts .................................................................................................................. 11  Variability in plant level efficiency ................................................................................... 11  Technology factors ........................................................................................................... 13  Role of regulation and policy ........................................................................................... 14  Environmental regulation ................................................................................................ 19  Estimates of switching: observed and projected ...................................................................... 20  Observed switching ................................................................................................................. 20  Projected switching ................................................................................................................. 21  Conclusions on projection for switching by 2017 .................................................................... 23  Appendices ............................................................................................................................. 25  Appendix A ............................................................................................................................... 25  Appendix B ....................................................................................................................... 27  References .............................................................................................................................. 30  List of Figures   Figure 1 •    Evolution of the US wellhead gas price over 1980‐2012 ............................................... 6  Figure 2a •  Coal and gas power generation, 1990‐2011 ................................................................. 7  Figure 2b •  Coal and gas shares in power generation, 1990‐2011 .................................................. 8  Figure 3 •    Switching potential in 2011 ........................................................................................... 9  Figure 4 •    United States Henry Hub prices, 2009‐12 ................................................................... 10  Figure 5 •    Average length of US non‐lignite coal contracts for power generation, by state ....... 12  Figure 6 •    Range of thermal efficiency in US coal and CCGT plants, 2011 ................................... 12  Figure 7 •    Gas switch price based on coal price, for different gas efficiencies and fixed coal  efficiency ...................................................................................................................... 13  Figure 8 •   Deregulation in the US power sector and retail electricity prices, 2011 ..................... 15  Figure 9 •   Share of coal and gas generated from the regulated and unregulated sector, 2011 .. 16  Figure 10 • CCGT capacity, GW, 2011 ............................................................................................. 25  Figure 11 • Coal capacity, GW, 2011 ............................................................................................... 25  Figure 12 • Gas costs for power, December 2011 .......................................................................... 26  Figure 13 • Coal costs for power, December 2011 ......................................................................... 26  List of Tables   Table 1 • Individual Case Studies .................................................................................................... 27   

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

© OECD/IEA 2013 

Acknowledgements  The authors would like to acknowledge the members of the Gas, Coal and Power Division (GCP)  of the IEA, in particular Carlos Fernández Alvarez, László Varró and Anne‐Sophie Corbeau, who all  provided considerable guidance and feedback to support the completion of this paper.  Input was  Page | 2 also  provided  by  Warner  Ten  Kate  and  Johannes  Trüby,  both  secondees  to  the  IEA  during  the  course of 2012.   Steven Macmillan was a secondee to the International Energy Agency with the support of Origin  Energy (Australia). Hannah Schwind worked as an intern in GCP Division. Alexander Antonyuk left  the IEA in early 2013.  Thanks must also go to Associates of the IEA’s Coal Industry Advisory Board (CIAB), who provided  valuable  input.  The  Energy  Information  Administration  in  the  United  States  assisted  in  the  provision of data and clarification of data points.                  

 

© OECD/IEA 2013 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

Executive Summary  This  paper  analyses  the  impact  of  the  shale  gas  revolution  in  North  America  on  the  American  power sector and contributes to analysis of the economic implications of environmental policies.  Lower  variable  production  costs  triggered  by  the  US  shale  gas  revolution  have  enhanced  the  competitiveness  of  natural  gas‐fired  power  plants  during  2012,  especially  with  respect  to  coal.  Page | 3  However,  in  light  of  considerable  regional  diversity  across  the  US  power  sector,  low  fuel prices  are only one of many elements that determine the role of gas in the power system. This paper  provides  an  overview  of  factors  that  influence  this  switch  and  identifies  a  sample  of  US  states  that have a meaningful fuel‐switching potential in terms of unused combined‐cycle gas capacity.  From a sample of 18 states (accounting for around 75% of unused combined cycle gas output and  around 46.5% of net generation in the United States in 2011), estimates are given for switching  observed  from  late  2011,  and  a  projection  of  switching  to  occur  by  2017.  It  is  assumed  that  natural gas prices will increase to USD 4.7/million British thermal units (MBtu) by 2017. Similarly,  assumptions  are  made  about  other  factors,  such  as  the  retirement  of  coal‐fired  plants,  construction of new combined cycle plants and changes in US environmental regulation affecting  coal‐fired plants.  

 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

© OECD/IEA 2013 

Introduction  The  United  States  is  by  far  the  largest  consumer  of  natural  gas  in  the  world  (690  billion  cubic  meters (bcm) in 2011, or 21% of the world’s gas consumption (IEA, 2012a)) as well as the second  largest coal user (697 million tonnes of coal equivalent [Mtce] or 13% of global coal consumption)  Page | 4 (IEA,  2012b),  albeit  standing  well  behind  China.  The  United  States  power  sector  could  be  considered  as  a  country  on  its  own:  its  gas  use,  almost  a  third  of  total  US  gas  consumption,  amounted to around 230 bcm in 2011, which is equivalent to the combined liquefied natural gas  (LNG) exports of the Middle East and Asia Oceania regions. The use of thermal coal by US power  generators  was  95%  of  US  coal  demand,  larger  than  the  global  seaborne  thermal  coal  trade.  Hence the US power sector forms a significant part of both the global gas and coal markets, and  any  change  affecting  it  in  a  positive  or  negative  way  can  have  profound  implications  for  the  world.  Such changes are already under way. The shale gas revolution that resulted in the dramatic and  unforeseen increase of US gas production by over 100 bcm over 2007‐11 resulted not only in a  quasi‐independence  of  the  United  States  from  LNG  imports  –  and  therefore  on  global  gas  markets – but also in a significant increase of gas use in the power sector. Over the past three  years,  as  US  natural  gas  prices  remained  low  (on  average  at  around  USD 4/MBtuover  2009‐11,  and below USD 3/MBtu for the first nine months of 2012), gas‐fired plants have been slowly but  surely eroding the position of coal‐fired plants as the first energy source for power generation. In  2007, net coal‐fired electricity generation was 2.25 times that of net gas‐fired generation; in 2011  the ratio dropped to only 1.70. The year 2012, with its remarkably low gas prices, continued to  close the bridge between the two fuels, resulting in a 1.16 ratio for the first seven months   This shift from coal to gas for power generation, together with increased LNG production in the  United  States  has  ramifications  for  energy  markets  worldwide.  On  global  gas  markets,  LNG  supplies once earmarked for the United States were available to be redirected to Japan after the  Fukushima  accident.  Additionally,  the  United  States  now  plans  to  become  an  LNG  exporter  by  2015,  deterring  investors  previously  targeting  the  North  American  market  for  LNG  exports.  Moreover, record low natural gas prices in the United States give a competitive edge to the US  industry – notably petrochemicals and fertilisers – while other regions, such as Japan and Korea,  face record  gas prices almost six times higher. On global coal markets, the lack of US  domestic  demand for coal in the power sector forced US thermal coal producers to look for other markets,  resulting in a marked increase in US coal exports, most of which found their way into Europe. As  a  result,  coal  is  winning  market  share  against  gas  in  the  European  power  sector,  where  gas  is  simply no longer competitive. The irony is that the  United States, which did not sign the Kyoto  protocol, sees greenhouse gas (GHG) emissions reduced through cheap gas, while Europe, which  was  the  first  to  put  in  place  an  Emission  Trading  Scheme,  may  actually  see  its  GHG  emissions  increase in the power sector through gas to coal switching.  These  changes,  as  significant  as  they  have  been  already,  raise  two  questions  that  this  report  investigates:    whether  the  penetration  of  natural  gas  in  the  US  power  sector  might  have  been  more  significant except for limitations on switching in particular US regions; and    whether this trend is likely to continue over coming years.   The  first  part  of  this  report  analyses  the  historical  developments  of  gas  and  coal  in  the  power  generation sector. In particular, it examines in depth the historic background to coal to gas fuel  switching in the United States, with a special focus on the range of factors that have influenced  or limited the rate of switching. These factors include relative fuel prices, the location of excess  gas‐fired capacity in comparison to existing coal‐fired plants, technological factors, the duration   

© OECD/IEA 2013 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

of coal contracts between producers and power generators, the role of regulation (including new  regulations covering emissions for coal‐fired plants) and transmission constraints in both power  and gas markets. This analysis shows that, despite a large over‐capacity of gas‐fired plants at the  country level, the limitations mentioned above currently restrict switching to a theoretical ceiling  of 613 terawatt hours (TWh) in a year (which is equivalent to 13% of total US power generation in  2011).  Page | 5  The  second  part  provides  an  estimate  of  switching  that  occurred  in  the  12  month  period  beginning  in  October  2011  (when  Henry  Hub  prices  fell  below  USD  4/MBtu  for  a  sustained  period),  and  a  projection  for  switching  to  occur  by  2017.  These  estimates  are  based  on  an  analysis of the situation in 18 American states that account for approximately 75% of the unused  combined‐cycle  gas  turbine  (CCGT)  capacity  in  the  United  States.1  The  conditions  for  switching  vary  between  states.  The  key  factors  examined  are  relative  fuel  prices,  the  length  of  coal  contracts, the existing unused CCGT potential, an estimate of coal plant retirements due to the  legislative  requirements  on  air  quality,  and  an  estimate  of  the  expansion  in  the  CCGT  fleet  occurring by 2017.   The meaning of the term “fuel switching” varies depending on the time horizon chosen.  In the  short  term,  where  no  changes  in  the  power  plant  fleet  are  possible,  fuel‐switching  designates  instantaneous  adjustments  of  the  merit‐order  as  a  response  to  temporary  changes  in  variable  production costs. For example, coal‐to‐gas fuel‐switching within the existing generation capacity  signifies that some gas‐fired power plants have cheaper variable production costs than coal, thus  triggering changes in the merit order. This “short‐run” switching can occur either within days or  over  periods  of  many  months,  and  is  of  interest  in  terms  of  the  resilience  of  the  electricity  systems, as well as for its impact on commodity markets. In the long run, the power plant fleet  itself can change due to additions of capacity, retirements, fuel conversions and retrofits. Those  factors then have long‐term effects on the power mix. Both “short‐run” and “long‐run” switching  are examined in this paper, the former over months (rather than days) and the latter by analysing  the impact of projected price changes, additions and retirements out to 2017. 

                                                                                  1

  The total is  comprised of  14 states,  in  addition  to  four states (California,  Maine,  Oregon  and  Washington) where  there  is  spare CCGT capacity but no coal output to switch. The 14 states are Alabama, Arkansas, Arizona, Florida, Georgia, Louisiana,  Michigan, New Jersey, Nevada, New York, Oklahoma, Pennsylvania, Texas and Virginia. 

 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

© OECD/IEA 2013 

Background and Recent Trends  A look back at 1990‐2011: The US dash for gas and its limits  Natural gas‐fired plants have provided around 60% of additional US power generation over the  past two decades (1990‐2011). While coal‐fired plants also met additional power demand in the  1990s,  their  contribution  to  incremental  US  power  output  remained  flat  over  most  of  the  last  decade and has been dropping significantly since 2009. The current situation as of late 2012 was  therefore  the  result  of  a  slow  evolution  which  took  place  over  20  years  and  resulted  in  a  significant overbuild of gas‐fired capacity. The geography of the US power, coal and gas sectors  means that only part of this surplus gas‐fired capacity can replace coal‐fired plants, even when  pricing signals would dictate switching. The following analyses in depth factors which need to be  taken into account while looking at future switching from coal to natural gas 

The evolution of gas‐coal competition during the past two decades  Liberalisation  of  the  US  power  sector  accelerated  in  the  1990s.  By  this  time,  the  United States  had  already  developed  a  well‐functioning  gas  market  and  Combined  Cycle  Gas  Turbine  (CCGT)  technology was technologically mature. It is also worth mentioning that in the 1970s and 1980s,  US energy policy restricted the use of gas in power generation due to limitations in the supply of  gas (IEA, 2012c). As gas was then considered a scarce resource, its share in the power generation  sector was kept artificially low during that time.   Figure 1 • Evolution of the US wellhead gas price over 1980‐2012  USD/mbtu 9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00

2011

2009

2007

2005

2003

2001

1999

1997

1995

1993

1991

1989

1987

1985

1983

0.00

1981

Page | 6

Source: EIA. 

During  the  1990s  and  into  the  2000s,  CCGT  was  considered  an  investment  of  choice  by  new  entrants  in  the  power  market.  A  true  boom  in  gas  capacity  construction  occurred  then,  with  184 GW  of  gas‐fired  plants  built  between  1990  and  2010.  Indeed,  a  record  of  36 GW  of  CCGTs  added  at  the  peak  of  the  boom  in  2002  (or  57 GW  if  one  includes  open‐cycle  gas‐fired  plants).  Some observers argue that too much capacity was built, which led to its underutilisation later in  the 2000s. Although low gas prices below USD 2/MBtu in the 1990s are often referred to as one   

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

© OECD/IEA 2013 

of the main reasons for the surge in gas generation investments, coal prices also dropped during  this period (from USD 33.93 per tonne in 1988 to USD 26.37 in 1999).2  As a consequence, there is  no direct correlation between low gas prices and high gas‐fired capacity additions.   Levelised  cost  studies  sometimes  show  coal  as  more  competitive  than  gas‐fired  plants  (Hogue,  2012).  However,  CCGT  plants  offer  many  advantages,  including  high  efficiency,  lower  CO2  emissions,  relatively  quick  and  cheap  construction,  modularity  and  less  local  resistance  to  the  Page | 7  siting of new plants than for coal and nuclear plants. Moreover, when the distinctive economic  and financial characteristics of CCGTs are taken into account, they reveal their critical advantages  for  new  entrants  in  liberalised  markets.  Indeed,  a  high  degree  of  correlation  between  gas  and  electricity  prices  makes  CCGTs  “self‐hedged”  (Roques,  2007).  Finally,  CCGT  investments  take  place with a lower capital expenditure than coal or nuclear plants (IEA, 2010).   Despite  the  significant  gas  price  fluctuations  and  the  dramatic  but  short‐lived  surge  in  gas  capacity  investments  that  have  occurred  over  the  past  20  years,  the  share  of  gas  in  thermal  generation  as  well  as  gas‐fired  generation  increased  in  a  very  gradual  and  steady  manner  over  the same period. Figures 2a and 2b illustrate this gradual progression of coal and gas output and  their  respective  shares  in  thermal  generation.  In  absolute  volumes,  gross  generation  from  gas‐ fired  plants  reached  about  1 046 TWh  in  2011,  which  is  three  times  higher  than  in  1990,  and  twice  more  than  in  the  late‐1990s,  illustrating  the  dash  for  gas  that  occurred  over  this  period.  Meanwhile, coal‐fired generation increased during the 1990s, then hovered at around the same  level of 2 000 TWh over the last decade until 2008. Since 2009, it has been globally declining to  reach 1 773 TWh in 2011. It appears that during most of these past 20 years, additional gas‐fired  generated electricity (+660 TWh) has actually partly filled the gap created by incremental power  demand (+1 100 TWh), rather than displacing coal.3 Real competition between coal‐ and gas‐fired  plants started in the past four years, prompted by low gas prices. This took place in a context of  stagnating  power  demand.  This  competition,  however,  did  not  occur  everywhere  in  the  United  States, but was mostly concentrated in the eastern part of the country.    Figure 2a • Coal and gas power generation, 1990‐2011  TWh 2500

2000

1500

1000

500

0 1981

1984

1987

1990

1993

1996 Coal

1999

2002

2005

2008

Gas

Source: EIA. 

                                                                                  2 3

 

 Bituminous coal, EIA data   Additional electricity from all renewable sources added 190 TWh and from nuclear power plants 210 TWh.  

2011

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

© OECD/IEA 2013 

Figure 2b • Coal and gas shares in power generation, 1990‐2011  70%

60%

Page | 8

50%

40%

30%

20%

10%

0% 1981

1984

1987

1990

1993

1996 Coal

1999

2002

2005

2008

2011

Gas

Source: EIA. 

Assessing current potential switchable gas capacity  As of 2011, capacity utilisation of CCGT plants in the United States at an aggregate national level  was  approximately  46.4%,  compared  with  62%  for  non‐lignite  coal.  There  is  considerable  variation  among  states,  however,  with  utilisation  rates  for  gas‐fired  plants  ranging  from  below  10% in Nebraska and Iowa to over 80% in Connecticut and Alaska.4   Given  the  large  raw  switching  potential  suggested  by  the  low  utilisation  of  US  gas‐fired  plants,  one could wonder why more switching has not already occurred. The following in‐depth look at  the US energy market elucidates which factors have hampered − and could continue to deter − a  more significant switch from coal to gas.  

Characterising the portfolio of switchable capacity   When  considering  the  scope  for  fuel  switching  in  electricity  generation,  only  a  sub‐set  of  coal‐  and gas‐fired plants is most likely to be substitutable, also taking into consideration the fuel type  and combustion method.  The United States had 415 GW of generating capacity from gas in 2011, compared with around  315 GW  of  coal‐fired  capacity.  Running  415  GW  of  capacity  at  100%  theoretically  equates  to  3 637 TWh of output, shown as a maximum output in Figure 3.    Of the 415 GW of gas capacity, as much as 198 GW are open‐cycle plants, which, due to their  lower efficiency, are not as competitive as CCGTs and are therefore unlikely to be substituted  for coal even at prices in the range of USD 2.50‐4/MBtu. Excluding open‐cycle plants results in  a reduction of 1 734 TWh in output.    In  practice,  85%  capacity  is  a  more  accurate  maximum  running  level,  since  plants  require  maintenance. This results in a reduction in potential output of 285 TWh.                                                                                    4

 The United States Energy Information Administration (EIA) is in the process of refining its measures of capacity utilisation,  with a view to reporting consistent monthly figures on capacity utilisation by fuel and state. 

 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

© OECD/IEA 2013 

 From  this,  it  is  then  necessary  to  subtract  existing  CCGT  output  of  833  TWh,  since  the  corresponding capacity was already in use and is therefore unavailable for further switching.    Lastly,  two  states  in  particular  represent  limited  switching  potential.  Arizona  has  relatively  more  expensive  gas,  longer  average  term  coal  contracts  and  less  efficient  CCGTs,  making  switching  less  economical  in  that  state.  Meanwhile,  California  stands  out  as  a  state  with  a  largely  underutilised  gas‐fired  capacity;  however,  there  is  no  coal  capacity  to  displace.  Page | 9  Subtracting California and Arizona nets a further 171 TWh from the remaining total (assuming  an 85% potential output).   This  leaves  therefore  a  maximum  switching  potential  of  613  TWh  (or  around  17%)  of  gas‐fired  generation to compete with coal as of 2011. This figure represents a ceiling of possible switching  rather than an actual switchable amount.  Additionally,  it  is  important  to  look  at  coal‐fired  capacity.  The  existing  315  GW  of  coal‐fired  capacity is fuelled by lignite, bituminous and sub‐bituminous coal. Out of 16 GW of lignite‐fired  capacity  in  the  United  States,  the  majority  is  concentrated  in  the  states  of  Texas  and  North  Dakota,  with  some  capacity  in  Louisiana,  Mississippi  and  Montana.  As  lignite  is  a  very  low‐cost  fuel  source,  it  is  generally  consumed  close  to  the  mine;  consequently,  it  is  unlikely  that  CCGT  capacity could compete with lignite, even at gas prices in the range of USD 2.50‐4/MBtu. In North  Dakota there is little CCGT to switch, whereas in Texas there is sufficient non‐lignite coal capacity  to switch that the state can be included in the 613 TWh.  Finally, growth in overall demand for electricity is falling in the United States, which may reduce  the scope for switching. In this context it is also worth noting the year 2012 was exceptional in  many respects: a mild winter, a hot summer, and frequent outages of nuclear power plants. The  demand of gas‐fired generation in 2012 was therefore driven, inter alia, by abnormal conditions.  Figure 3 • Switching potential in 2011  Twh

4000 3500 3000

1734.117647 2500 2000

3637

285.4323529

1500

833

1000

171

500

613.45 0 Total gas

Remove OCGT

15% limitation

CCGT output 2011 CA,AZ (at 85%) Potential extra gas

Source: EIA data (EIA‐860) and IEA calculations 

Factors affecting utilisation of switchable capacity  Many factors can further affect potential coal‐to‐gas switching and actually explain why switching  has not occurred in a more significant manner. These include:  

 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

© OECD/IEA 2013 

 the relative fuel prices at state level,    the variability in plant efficiency,    the length of contracts between coal producers and power producers,    technical factors, and  Page | 10

 other specificities of the US power market.   These factors are examined in detail in the following sections. They will provide the background  for the analysis of observed switching at state level in the year beginning October 2011, as well as  an estimate of switching occurring by 2017. 

Fuel prices  Fuel prices are the primary determinant of dispatch and switching activity between coal‐ and gas‐ fired  plants.  First,  gas  prices  at  the  main  US  hubs  have  fluctuated  considerably  since  January  2009, making it hard for power generators to predict how they would evolve. Figure 4 shows that  that gas prices remained consistently below USD 4/MBtu for more than three months since the  economic downturn in 2009 in the latter half of 2011.  While  looking  at  the  US  gas  market,  one  tends  to  consider  only  the  Henry  Hub  (HH)  price.  Actually,  there  are  many  different  regional  hub  prices,  the  HH  usually  acting  as  a  reference  for  international comparisons or long‐term forecasts. While regional gas prices would tend to follow  HH  price  movements,  there  is  also  great  variability  between  these  prices,  resulting  in  widely  different gas prices at the state level, and even among plants. The spread between the different  hub  prices  is  seasonal.  The  greatest  spread,  more  than  USD  1/MBtu,  occurs  in  winter  months,  with New England and New York experiencing significantly higher gas prices than the rest of the  country  due  to  lack  of  gas  storage  and  transportation  congestion.  Florida  also  has  more  expensive gas prices (see Figure 13 in Appendix A).   At  the  level  of  regional  prices  (and  based  on  available  data),  substitution  seems  most  likely  to  occur on the Eastern seaboard, where relative prices were most favourable.   Figure 4 • United States Henry Hub prices, 2009‐12  

                          Source: EIA. 

 

© OECD/IEA 2013 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

Coal contracts  The terms and conditions of coal contracts influence the choice of fuel for electricity generation  in the United States, as a larger proportion of coal than gas is bought on a contracted long‐term  basis. For example, 93%  of the coal  consumed for electricity generation in  the  United States in  2011  was  purchased  via  long‐term  contracts  of  more  than  one  year,  (rather  than  via  spot  Page | 11  purchases), against only 44% of gas (EIA, 2012).   While the exact conditions attached to these contracts are not made public, anecdotal evidence  suggests  that  many  have  firm  take‐or‐pay  clauses,  with  the  result  that  power  producers  have  frequently committed to consuming a given level of coal output for several years into the future.    Of  the  15  states  with  the  longest  average  remaining  contract  terms,  four  have  CCGT  capacity  above  5  GW:  Arizona,  Pennsylvania,  Mississippi  and  Oklahoma.  The  average  contract  terms  by  state are shown in Figure 5, with these four states highlighted.5  

Variability in plant level efficiency  The relative value of natural gas and coal to electric generators cannot be compared solely on a  thermal unit (Btu) basis, since the thermal conversion into electricity (kilowatt‐hours generated  per Btu) varies by facility. US non‐lignite coal plants range in age from one to 88 years, with an  average age of 38 years.6 Due to depreciation and changes in technology, the efficiency of these  plants varies considerably, with most falling in the range of 22 to 35%.7  Likewise, while the CCGT  fleet is much younger (with an average age of 12.5 years), there is still considerable variance in  efficiency,  with  the  bulk  of  the  fleet  falling  in  a  range  between  40%  and  50%,  since  the  first  generation  of  CCGT  plants  had  considerably  lower  efficiencies.8  Because  efficiency  of  any  one  given  plant  depends  on  a  combination  of  factors,  such  as  fuel  quality,  load  factor,  cooling  temperature,  etc.,  efficiencies  of  different  plants  are  difficult  to  be  reported  on  standard,  comparable bases.  There  is  no  single,  definitive  source  on  the  distribution  of  efficiencies  in  the  two  sets  of  generators, and available data can deliver differing results. A study completed by the California  Energy  Commission  in  August  2011  (Nyberg,  2011)  examined  the  growing  efficiency  of  CCGT  plants in California in the period 2000‐10. Analysing data of state regulatory agencies, the study  found  the  average  efficiency  of  new  CCGT  plants  in  California  to  be  around  48%  in  2010.  Aggregate  calculations  from  EIA  data  (EIA,  2012;  EIA,  2013)  support  this  finding;  however,  EIA  data  show  considerably  less  efficiency  for  CCGT  plants  in  Texas,  with  an  average  below  44%.   Texas  and  California  have  respectively  the  largest  and  third‐largest  CCGT  fleets  in  the  United  States. At a high level, the range of efficiencies can be estimated, based on a calculation of the  net output compared with thermal input. This calculation has been done at plant level in Figure  6, on a high heating value basis and using net generation. While Figure 6 represents a high level  estimate of the distribution of efficiencies of coal and gas‐fired plants, it is nonetheless broadly  indicative of the variation that exists. 

                                                                                  5

 In the case of Alabama, one coal contract recorded as expiring in 2099 skews the average by just over two years. The basis  for enforcing a contractual term extending in excess of 80 years is questionable, and so this contract has been omitted from  the data in Figure 5.  6  Age weighted for MW capacity, EIA data.  7  All efficiencies are on a gross calorific basis, based on net generation.  8  Age weighted for MW capacity, EIA data. 

 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

© OECD/IEA 2013 

Figure 5 • Average length of US non‐lignite coal contracts for power generation, by state  years 10 9

Page | 12 8 7 6 5 4 3 2

WY

AZ

MT

PA

NM

KS

OH

MS

WV

UT

OK

TX

CO

IN

MO

NJ

OR

IL

KY

NC

NV

FL

AR

AL

MN

IA

GA

SC

WI

MI

MD

VA

NE

ME

LA

TN

WA

SD

NY

HI

NH

DE

0

CA

1

  Note: Volume‐weighted average, based on remaining terms on coal contracts from deliveries in 2011.  Source: EIA (EIA‐923); IEA calculations. 

  Figure 6 • Range of thermal efficiency in US coal and CCGT plants, 2011  Capacity: MW 70000

60000

CCGT

COAL

50000

40000

30000

20000

10000

0 20

30

40 Efficiency: percent

 Source: EIA (EIA‐923); IEA calculations.   

 

50

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

© OECD/IEA 2013 

Some uncertainty regarding the absolute level of efficiency notwithstanding, it appears that CCGT  efficiencies  vary  significantly  in  the  US  power  sector.  As  a  purely  theoretical  but  indicative  exercise,  Figure  7  shows  the  “switching  gas  price”,  depending  on  the  price  of  coal  and  the  thermal efficiency of the CCGT plant. As can be seen from the graph, a change of efficiency from  52%  to  44%  can  require  a  gas  price  up  to  USD 0.60/MBtu  lower  (for  a  given  coal  price  of  USD 65/t).  Interestingly, the differential increases in absolute  terms as the  coal price increases,  Page | 13  which is explained by the fact that a switching price is proportionate to a gas plants’ efficiency,  and  thus  at  higher  coal  (and  electricity)  prices,  gains  (and  switching)  from  higher  efficiency  are  larger in absolute terms, while fixed in percentage terms.   Figure 7 • Gas switch price based on coal price, for different gas efficiencies and fixed coal efficiency  gas 44% eff

gas 48% eff

gas 52% eff

Gas price, USD/MBtu

5

4

3

2 50

55

60

65

70

75

80

Coal price, USD/t6000

Note: Coal thermal efficiency fixed at 39% , $/t6000 represents $ per tonne of coal with a 6000 kilocalorie /kilogramme of net calorific  value .   Source: IEA calculations. 

Technology factors  Limitations of coal and CCGT technologies are also likely to play a role in the choice between the  two fuels. The increasing peakiness of US power load in recent years places certain restrictions on  the  dispatch  between  coal‐  and  gas‐fired  plants.  Where  a  power  producer  might  otherwise  switch from coal to gas for baseload power and utilise coal to follow variable demand, technology  may limit this, for the following reasons:   Operating range and minimum output,   Start‐up rates, and    Ramp rates.   The geographical location of coal plants may also be a factor in some instances, as discussed later  under the section on transmission constraints. 

Operating range and minimum output  The  existing  coal  and  CCGT  fleets  have  different  optimal  capacity  factors  and  the  relationship  between  utilisation  and  efficiency  differs.  The  existing  US  coal  fleet  may  be  less  well‐suited  to   

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

© OECD/IEA 2013 

meeting  variable  demand  because  its  optimal  utilisation  falls  in  a  smaller  range.  The  level  of  optimal utilisation for a given plant depends on a range of factors, notably its age and its design.  New coal and CCGT plants have relatively similar ranges and can generally operate optimally at  between  70%  and  90%,  and  sub‐optimally  at  between  40%  to  70%,  with  moderate  losses  in  efficiency.  For  older  plants,  the  loss  of  efficiency  at  lower  levels  of  utilisation  will  tend  to  be  Page | 14 higher  (IEA, 2010; NERC,  2010; Platts, 2003). As coal plants are  on average 25 years older than  CCGT plants (IEA calculations based on EIA data [EIA‐860]), the efficiency losses associated with  sub‐optimal load factors are greater on average. 

Start‐up rates  The start‐up rates for coal‐fired boilers and the steam component of CCGT plants are in the range  8‐48 hours, whereas the gas turbine components of CCGT plants have start‐up rates below one  hour (AEMO, 2010). This allows CCGTs to respond to rapid changes in power demand, albeit at  the efficiency level of an open cycle plant in the early stages (efficiency decreases by around 10‐ 20%). 

Ramp rates  The ramp rates of US coal‐fired generators depend largely on their vintage. The range for plants  of the 1960 vintage (the average age for a US coal plant being 38 years (IEA calculations based on  EIA  data)  is  around  three  megawatts  per  minute  (MW/min)  for  a  500  MW  unit.  This  compares  with  average  CCGT  ramp  rates  of  around  15‐25  MW/min,  which  is  roughly  similar  to  the  ramp  rates for coal plants built since 2000. As is the case with operating range, above, while ramp rates  are  similar  for  coal  and  CCGT  plants  of  similar  vintage,  the  average  age  of  coal  plants  is  much  higher than that of CCGT plants, making coal plants more costly for meeting variable load.   For  these  reasons,  CCGT  plants  are  better  placed  to  respond  to  variable  demand,  making  coal  plants more expensive to run intermittently. This increases the likelihood that coal plants will be  run at higher capacity factors than CCGT, other factors being equal.   

Role of regulation and policy  Besides  the  considerations  regarding  switchable  gas‐fired  capacity  and  technical,  pricing  and  contractual  limitations  on  this,  there  are  some  specificities  of  the  US  power  sector  to  be  considered.   In  some  regulated  states  (in  the  Southeast),  due  to  already  relatively  lower  electricity  prices,  there  might  be  less  pressure  to  reduce  prices  further  by  switching  to  cheaper  fuels.  Although  there  might  be  some  discontent  about  higher  end‐user  prices  in  the  liberalised  northeastern  states,  economic  and  market  design  factors  play  a  key  role.  These  states  sometimes  also  have  higher fuel prices. 

Price regulation  Unlike  the  gas  sector,  liberalisation  of the  US  power  sector  reform  is  at  different  stages,  which  affects  directly  the  way  power  prices  are  formed.  Electricity  prices  are  a  key  factor  when  considering  electricity  market  reform.  Figure  8  highlights  the  extent  of  power  sector  reform  in  each state, alongside average electricity prices. Many states, notably in the centre and southeast  of the United States, have not deregulated power prices, while deregulation has been suspended  in  some  additional  states  in  the  Southwest.  States  with  active  deregulation  are  mostly  concentrated in the North east but also include Texas. However, conclusions cannot be extracted 

 

© OECD/IEA 2013 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

from the map, as differences in fuel prices between states often play a bigger role to determine  electricity prices than the matter of being regulated/deregulated.  In the  context of analysing fuel switching, the regulatory process in regulated states where the  price  is  lower  is  expected  to  put  less  pressure  on  power  producers  to  reduce  prices  further  by  minimising fuel costs. In the liberalised north eastern states, economic and market design factors  Page | 15  play a key role, despite some potential discontent about higher end‐user prices.   In  competitive  markets,  such  as  PJM,  market  design  and  structure  are  potentially  significant  factors  in  coal‐to‐gas  competition.  Capacity  payment  mechanisms  exist  in  most  liberalised  US  markets  and  they  constitute  a  significant  share  of  gas  plants’  revenues.  For  example,  in  2010,  CCGT  plants  in  the  PJM  market  received  around  30%  of  their  net  revenues  from  capacity  payments  (Potomac  Economics,  2011).  Based  purely  on  the  microeconomic  theory  of  profit  maximisation,  this  fixed  stream  of  revenue  should  not  affect  decisions  to  run  gas  installations.  However,  the  reduced  risk  of  making  a  loss  on  gas  installations  thanks  to  capacity  payments  might  affect  the  way  market  actors  make  decisions,  as  utility  functions  depend  on  attitudes  to  risk, especially when the same owner also has coal‐fired plants.  As shown in the second chapter of this paper, some 12 TWh of fuel switching was estimated to  have occurred in Florida (from a base of coal generation of 56.4 TWh)9  and Florida is a regulated  state, suggesting that public utility regulation does not necessarily dampen economic incentives.  In reality, the impact of regulation is likely to be ambiguous and specific to local conditions.  Figure 8 • Deregulation in the US power sector and retail electricity prices, 2011   

Source: IEA research 

 

Some  power  producers,  whose  revenues  are  regulated,  face  weaker  incentives  to  depart  from  existing practice in response to changes in relative gas and coal prices. In 2011, 75% of US coal‐ fired generation was in the regulated sector, against 36.5% of CCGT (Figure 9). In many cases, the  power‐producing  entity  has  the  flexibility  to  increase  charges  automatically  in  response  to  changes in fuel costs, but should not profit from the fuel component. A regulated entity, which  passes  through  the  cost  of  fuel  directly,  is  likely  to  have  more  discretion  about  the  timing  for                                                                                    9

 

 In the year beginning October 2011, compared with the prior 12 months, see the second chapter. 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

© OECD/IEA 2013 

switching  from  coal  to  gas  than  a  competitive  energy  producer,  since  it  cannot  theoretically  benefit from fuel cost changes nor does it face any negative exposure to these, as they are simply  passed  through  in  higher  charges.  Even  though  fuel  pass  through  clauses  should  theoretically  mean that the fuel choice is neutral in terms of profits, in practice, there are likely to be more or  less  significant  temporary  or  permanent  cash  flow  impacts,  depending  on  the  precise  pass‐ Page | 16 through arrangement in place.  A  number  of  studies  have  discussed  the  implications  of  fuel  pass  through  clauses  for  the  efficiency of regulated energy providers in the United States (Joskow, 1974; Brown et al., 1991;  Graves  et  al.,  2006).  Theoretically,  the  need  to  protect  a  firm  from  risks  associated  with  rapid  change in fuel costs could be considered to involve some efficiency losses in the use of fuel by  that  firm  (Graves  et  al.,  2006).10  Knittel  (2002)  examined  the  operation  of  firms  in  regulated  American  states  in  the  period  1981  to  1996,  focusing  on  a  handful  of  states  where  regulators  modified fuel clauses. Modified fuel clauses require the regulated firm to absorb a portion of the  risk  associated  with  positive  or  negative  changes  in  fuel  costs,  whereas  under  a  standard  fuel  pass  through  clause,  the  end  customer  bears  all  risk  associated  with  fuel  costs.  Knittel  found  evidence  that  providing  incentives  to  regulated  firms  to  keep  fuel  costs  low  had  increased  efficiency  in  the  use  of  fuel,  suggesting  that  standard  fuel  pass  through  clauses  do  introduce  a  level of inefficiency in the use of fuel among regulated firms.11   Figure 9 • Share of coal and gas generated from the regulated and unregulated sector, 2011 

Terawatt hours 2000 1500 1000 500 0 Coal

Gas Regulated

Unregulated

Unknown

Source: EIA (EIA‐923); IEA calculations  

While fuel pass‐through charges may delay a response to a change in relative fuel prices, most  regulated  utilities  will  eventually  be  required  to  prove  to  the  regulator  that  their  fuel  and  resource decisions have been prudent, as part of a rate case. Therefore, they will seek to move to  the  lower  cost  fuel  in  the  medium  term.  In  the  interim,  the  impact  of  regulation  is  ambiguous,  since  the  clauses  essentially  appear  to  provide  a  utility  with  extra  discretion,  either  to  defer  or  bring forward its decision to switch fuels, without having a negative impact on earnings. Such a  decision could then be influenced by additional factors, such as:   whether the entity has long‐term coal contracts;                                                                                    10

 Graves et al. (2006) note that there may also be inefficiency in a regulatory process that requires a rate case each time an  entity needs to adjust its fuel costs.  11   Knittel  examined  efficiency  in  the  use  of  a  given  fuel,  rather  than  the  choice  between  two  types  of  fuel;  however,  the  implications appear pertinent to a situation where a firm must choose between power generated from fuels of different costs. 

 

© OECD/IEA 2013 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

 whether the entity has sufficient coal‐ and gas‐fired capacity to switch from one to the other  or must contract for gas‐fired electricity. Some utilities may prefer generating from their own  power  assets  rather  than  purchasing  electricity  on  the  wholesale  market,  since  relying  on  internal  generation  may  be  seen  as  lower  risk.  Where  they  do  not  have  sufficient  gas‐fired  capacity, they may seek to put off fuel switching until they have their own gas‐fired plant;    whether the decision to move away from coal is supported in the relevant jurisdiction. Moving  Page | 17  to  gas  in  states  where  this  is  supported  by  policy  at  state  level  may  facilitate  regulatory  approvals of future investment; conversely, in states where the coal industry plays a central  role in economic activity, utilities may seek to delay fuel switching to support policy objectives  of state governments; and   some level of generalised inertia or path dependence that leads firms to defer change.  Consequently, the impact of fuel pass‐through clauses on switching from coal to gas is ambiguous  results, since these clauses may lead to faster or slower switching than would otherwise be the  case under purely competitive forces. A general conclusion is that the fuel decisions of regulated  utilities  will  be  less  closely  correlated  with  changes  in  relative  fuel  prices  than  in  states  where  competitive price pressures more strongly influence fuel choice, but that this could lead to faster  or  slower  switching  than  would  otherwise  be  the  case  in  a  state  where  the  power  sector  was  liberalised. 

Electricity transmission  The United States electricity system is very fragmented due to administrative, infrastructural and  natural  factors,  despite  regional  coverage  of  some  of  the  US  power  markets.  For  coal  and  gas  plants to compete, they not only need to be connected to the same electricity system, but also to  belong to the same administrative unit (market or regulated state). Maps of geographic location  of  coal  and  CCGT  capacity  show  that  capacity  is  very  unevenly  distributed.  See  Appendix  A,  Figures  11‐13.  California  stands  out  as  a  state  where  a  large  underutilised  gas  capacity  has  no  coal capacity to displace, and therefore we have subtracted it from the switchable potential, as  per above.  In  states  where  conditions  are  otherwise  favourable  to  fuel  switching,  the  electricity  grid  may  limit switching. Specifically, there is very little trade between the three main interconnections in  the  coterminous  American  states  (Western,  Eastern  and  ERCOT),  and  within  these  interconnections,  there  is  limited  long‐distance  transmission  capacity.  This  means  that  for  fuel  switching to occur, a CCGT plant needs to be not too distant from a load served by a coal‐fired  plant.  Additionally,  even  where  transmission  is  theoretically  available  to  transport  a  load,  congestion in the transmission system may limit the dispatch of generating units and therefore  the coal to gas switch. Finally, in states where coal‐fired generation serves primary as a base‐load  energy  source,  the  geographic  distribution  of  plants  is  relevant  to  the  task  of  maintaining  grid  stability. In those states, it may be difficult to switch to  base‐load power fueled by CCGT if the  geographic distribution of CCGT plants is not comparable.   The  US  Congress  Research  Service  (Kaplan,  2010)  conducted  a  high‐level  analysis  to  identify  all  major  coal  plants  with  one  or  more  existing  CCGT  plants  within  a  ten‐mile  radius,  on  the  assumption that these CCGT plants would be best placed to displace coal within the constraints  of the local transmission network. The hypothetical surplus generation for each CCGT within the  ten‐mile radius was calculated and assumed to displace generation from the coal plant. At a high  level (and examining only this variable), the analysis suggested that existing CCGTs near coal‐fired  plants  could  account  for  up  to  30%  of  the  displaceable  coal‐fired  generation.  Greater  displacement  of  coal  by  existing  CCGTs  would  depend  on  more  distant  CCGTs  that  might  face  network constraints. Kaplan (2010) concludes that this analysis “emphasises the importance that   

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

© OECD/IEA 2013 

the  configuration  and  capacity  of  the  transmission  system  will  likely  play  in  determining  the  actual  potential  for  displacing  coal  with  power  from  existing  CCGT  plants.”  However,  it  is  impossible  to  accurately  gauge  the  implications  of  the  layout  of  the  two  sets  of  plants  for  switching  without  a  fully  integrated  model  of  the  entire  fleet  that  can  estimate  the  impact  of  changes in the merit order.  Page | 18

Gas transmission  In addition to the constraints of the electricity transmission network, the physical capacity of the  national  gas  transmission  network  also  affects  switching  potential.  While  the  regional  pipeline  system  is  designed  to  deliver  the  necessary  gas  to  individual  plants  to  allow  each  to  run  at  full  capacity, increasing the utilisation of the entire CCGT fleet to 85% implies a significant increase of  natural  gas  production  and  distribution  at  the  national  level  (Beach  et  al.,  2012).  Beach  et  al.  estimate that a 7% increase in pipeline capacity (around 4.6 tcf or 130 bcm) would be required  compared  to  2008  levels,  which  falls  well  within  the  22.6 tcf  aggregate  expansion  of  pipeline  system capacity targeted for completion by early 2012.  Even if additions to the gas network may seem to have been adequate to allow for a significant  expansion  in  gas‐fired  generation,  complications  arise  in  relation  to  markets  for  wholesale  gas  and gas haulage. The National Petroleum Council (2011) finds that most power generators – and  particularly  those  selling  into  unbundled  wholesale  electric  markets  –  choose  less  expensive,  interruptible  transportation  gas  pipeline  capacity  rather  than  firm  contractual  capacity.  During  peak  winter  demand  conditions,  pipeline  customers  with  firm  contractual  rights  use  their  full  contractual entitlements, meaning that pipelines frequently do not have additional capacity for  interruptible  transportation  customers.  The  NPC  cites  an  instance  in  January  2004  in  New  England where 6 GW of gas‐fired generation was unavailable to run at peak times because the  operators had chosen to rely on interruptible transportation, and the winter conditions resulted  in  all  parties  with  firm  commitments  using  these  to  deliver  natural  gas  to  residential  and  commercial customers. In a 2006 report on gas‐electricity interdependency, the North American  Energy  Standards  Board  (NAESB)  identified  six  areas  where  standardisation  and  harmonisation  would facilitate better integration of US gas and electricity markets. Given the lack of uniformity  in approaches in electricity markets, realising these initiatives is challenging. However, this may  become more pressing if is to account for a larger share of the US power generation mix.  The preference among gas‐fired generators for interruptible gas haulage contracts stems in part  from a mismatch between US electricity and power markets. Access to gas transmission networks  is harmonised across states, through standards developed by the NAESB which were designed to  improve transparency and efficient scheduling. These standardised approaches stand in contrast  to  the  practices  in  electricity  markets,  which  are  not  standardised  even  within  one  inter‐ connection. For instance, important differences between gas and power wholesale markets exist  in relation to the definition of day and intraday schedules. These differences are exacerbated by  the fact  that  the gas haulage market is  far less liquid, reacting more slowly to rapid changes in  energy  demand.  NPC  (2011)  notes  that  “as  a  consequence  of  these  inconsistent  timelines,  the  owner  of  a  gas‐fired  generator  must  either  buy  gas  without  knowing  if  its  power  will  be  scheduled, or submit a power bid before knowing if the gas can be purchased and scheduled. The  cost  of  covering  the  risk  created  by  the  inconsistency  in  timelines  must  be  reflected  in  generators’  power  offers”.12  This  has  an  impact  on  the  relative  competitiveness  of  gas‐fired  generation.                                                                                    12

 Fuel switching away from natural gas to diesel is a further option in these circumstances, but this has no impact on overall  substitution of natural gas for coal.  

 

© OECD/IEA 2013 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

Environmental regulation  The future retirement of coal‐fired plants as a result of more stringent environmental regulations  may  open  up  opportunities  for  fuel  switching  where  it  might  not  otherwise  be  economically  viable.  Permitting  and  licensing  of  new  coal‐fired  plants  has  become  more  challenging  in  the  United  States,  partly  as  a  result  of  local  opposition  to  the  construction  of  new  plants.  Page | 19  Consequently, as older, less viable coal plants are decommissioned, this may create opportunities  to switch to CCGTs or build fresh CCGT capacity.  Of  the  299  MW  of  non‐lignite  coal‐fired  capacity  as  of  2010,  around  110  GW  did  not  have  emission  control  equipment  (“scrubbers”)  or  firm  plans  to  install  this  equipment.13  Among  this  capacity,  in  the  55  GW  of  older  and  less  efficient  plants,  the  necessary  investments  to  meet  increasingly  rigorous  emissions  control  requirements  are  relatively  less  likely  to  justify.  Around  36 MW  of  this  capacity  is  concentrated  in  mid‐western    and  southern  states  Illinois,  Indiana,  Michigan, Wisconsin, Alabama, Mississippi, Tennessee and Kentucky.   An estimate of the impact of air quality regulations on coal retirements is provided in detail in the  next chapter.   

                                                                                  13

 

Based on an analysis prepared by ICF International for the Interstate Natural Gas Association of America 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

© OECD/IEA 2013 

Estimates of switching: observed and projected  As highlighted in the first part of this report, beyond the theoretical current potential of 613 TWh   of annual output that could have switched in 2012, there are many other factors to be taken into  account to analyse correctly how, where and whether coal‐to‐gas switching can occur. This part  Page | 20 provides  estimates  of  coal‐to‐gas  switching  that  occurred  in  the  year  beginning  October  2011,  and  further  switching  that  will  occur  out  to  2017.  The  analysis  focuses  on  the  situation  in  18  American states that account for approximately 75% of the unused CCGT potential in the United  States (selected on that basis).14 The 18 states accounted for 1 011 TWh of net generation output  in 2011 in the United States, or 46.5%.  The states account for 78% of the installed CCGT capacity  in the United States but only 36% of installed non‐lignite coal generating capacity.  The  estimates  of  switching  simplify  a  number  of  factors,  including  some  outlined  in  the  first  chapter  of  this  study,  focussing  primarily  on  elements  that  can  be  readily  measured.  A  further  simplification  is  that  the  analysis  examines  each  state  as  a  producer  and  consumer  but  not  an  importer  of  energy,  since  the  EIA  data  is  available  at  state  level  rather  than  at  the  level  of  interconnection. 

Observed switching  An  estimate  of  observed  switching  has  been  made  by  comparing  CCGT  and  coal  output  in  the  year  commencing  October  2011  with  output  in  the  preceding  12  months.  The  year  beginning  October 2011 is chosen because the last quarter of 2011 was the first time since the economic  downturn that gas prices for power producers at HH remained consistently below USD 4/MBtu  for a sustained period (longer than 3 months), USD 4/MBtu being a level below which switching  has previously been observed to occur.   The estimate of observed switching is considered in this manner:   Coal and CCGT‐fired output from October 2010 to September 2011 is compared with output  from October 2011 to September 2012, the first being a year of higher gas prices relative to  coal,  and  the  second  a  period  of  lower  gas  prices  relative  to  coal.  Where  both  CCGT  output  increased and coal output decreased year‐on‐year, the smaller of the two changes is assumed  to  represent  switching.  This  is  against  a  backdrop  of  low  or  no  growth  in  overall  electricity  demand.   A likely scope for switching is gauged, by considering:  

the  gas  price  at  which  capacity  will  switch,  in  the  absence  of  other  constraints  (in  the  manner presented in Figure 7), as well as actual gas prices in the period under analysis; 



the  primary  measurable  non‐price  constraints,  being  the  volume‐weighted  average  of  coal contract terms; the efficiency of CCGT and coal plant relative to national averages;  the potential for increasing CCGT output based on existing plants, and the potential for  coal retirements; in order to determine whether overall conditions will be favourable to  switching.  The  estimate  of  observed  switching  is  considered  in  light  of  whether  conditions  appear  favourable.  In  other  words,  in  a  state  where  the  gas  switching  price  was  met  for  an  extended  period during the 12 months from October 2011, with short coal contract terms and considerable  surplus  CCGT  potential,  significant  switching  should  already  have  been  evident  in  the  year                                                                                    14

  Fourteen  states  in  addition  to  four  states  where  there  is  spare  CCGT  capacity  but  no  coal  output  to  switch  (California,  Maine, Oregon and Washington).  

 

© OECD/IEA 2013 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

beginning  October  2011.  In  a  state  where  price  and  other  conditions  are  unfavourable,  limited  switching should have been evident. This comparison was consistent in all states examined, with  the exception of Louisiana and Michigan, where price and other measurable conditions analysed  were favourable to switching for much of the 12‐month period beginning October 2011, yet only  between 15‐20% of coal output switched to gas in those states in that year. In these instances, it  appears likely that other factors less amenable to measurement are at play, such as the role of  Page | 21  utility revenue regulation in Louisiana, for example.   The  estimate  of  observed  switching  across  the  18  states  between  the  higher  gas  price  period  (beginning  October  2010)  and  the  higher  gas  price  period  (beginning  October  2011)  was  122.5 TWh, or 19.92% of the coal output in the higher gas price period. The analysis at state level  across 14 states appears in the table in Appendix B. Eighteen states represent 75% of the surplus  CCGT potential output in the United States (four states not shown in the table have surplus CCGT  potential but no material coal output to switch: California, Maine, Oregon, and Washington). This  represents a reduction in carbon dioxide emissions of approximately 61.5 million tonnes.15 

Projected switching  The estimate of projected switching provided here builds on the estimate of observed switching,  but with an assumption that the gas price moves to USD 4.7/MBtu at HH by 2017, while the coal  price  remains  largely  stable  except  for  some  marginal  increase  in  the  eastern  states.  It  is  also  assumed that the gas price for power producers in each of the states remains at a premium or  discount to HH that is consistent with long‐term averages.   In  addition,  coal  plant  retirements  and  CCGT  expansions  are  considered  in  detail,  as  outlined  below.  

Coal plant retirements  The  Mercury  and  Air  Toxics  Standards  (MATS)  and  the  Cross‐State  Pollution  Rule  (CSAPR)  are  federal measures that aim at reducing polluting substances from power plants. Both rules were  widely expected to have the greatest impact on the electric sector between now and 2015 (DOE,  2011). However, in August 2012, the US Court of Appeals for the District of Columbia Circuit ruled  that the CSAPR rule was void.   With many operators having already announced their intentions to retire some of their coal‐fired  plants  prior  to  the  decision  on  the  CSAPR,  it  is  complicated  to  quantify  the  discrete  impact  of  MATS on coal capacity retirements. Generally speaking, however, it is reasonable to assume that  short‐term retirements will be a little lower than expected before the court’s decision.   This study analysed the impact of MATS and CSAPR on coal capacity prior to the court’s decision,  according to a method outlined below. The estimated impact of these two regulations was such  that in each state analysed, excess coal capacity remained ‐ to a degree that it was unlikely that  projected  retirements  would  trigger  changes  in  merit‐order  switching.  Hence,  with  only  MATS  coming  into  effect,  retirements  should  be  fewer  than  projected,  reducing  the  likelihood  of  a  resulting change in merit‐order.   In  light  of  the  above,  the  results  drawn  from  the  estimation  approach  developed  prior  to  the  court’s  decision  are  still  considered  valid  in  the  context  of  the  overall  findings,  even  though  retired capacity is likely to turn out somewhat lower than the numbers given here.                                                                                     15

 This calculation is based on national average emissions per unit of generation and includes carbon dioxide only, not other  pollutants. 

 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

© OECD/IEA 2013 

Approach to estimating coal retirements  Previous  studies  attempting  to  project  plant  closures  due  to  EPA  regulations  have  utilised  different  estimation  strategies.  This  study  combines  multiple  plant  criteria,  as  well  as  operator  announcements  and  EPA  predictions,  in  order  to  come  up  with  estimates  that  do  not  only  rely  solely  upon  theoretical  predictions  or  announced  retirements.  Reflecting  the  range  of  current  Page | 22 estimation strategies, the chosen methodology provides a realistic quantification of coal capacity  that will retire due to EPA regulations.     More precisely, retirements were estimated by identifying plants in the following categories:    The  EPA  has  published  the  results  from  its  integrated  planning  model  (IPM)  showing  a  projection of the impact at plant level of the MATS and CSAPR regulations. Plants projected to  be “withdrawn as uneconomic” are here projected to retire.    According  to  a  comprehensive  study  at  plant  level  conducted  by  PJM,  coal  units  older  than  40 years and below 400 MW were shown to have the lowest net energy revenues per MW of  capacity and to cost the most per MW to retrofit; they are consequently considered to be the  least  likely  to  warrant  retrofitting.  As  such,  all  plants  older  than  40  years  and  smaller  than  400 MW that do not have NOx or SOx controls are projected to be decommissioned. Data for  this category is provided through the EPA NEEDS file.    Many operators have already announced plant closures, either in response to EPA regulations  or citing economic conditions. Where there have been public announcements of retirements  in addition to the units listed under the first two bullet points, the plants are also assumed to  be closed. Data is drawn from EIA questionnaires.  Based on the above method, the projected retirements in the 14 states examined was 12.8 GW  out  of  118  gigawatts  of  coal  capacity  in  the  14  states.  In  all  14 states,  even  with  levels  of  retirements as projected by the above method, there is still sufficient excess coal capacity after  2015 to maintain current output from coal generators. As such, the retirements seem unlikely to  affect switching in those states. (EIA 2011 data projects planned retirements of 27.8 GW of coal  capacity  across  the  nation  as  a  whole  in  the  period  2012‐17,[EIA,  2011]  but  around  half  of  this  falls outside the states that are most relevant to switching.)   

Expansion in CCGT capacity  Overall demand for energy in the United States is projected to grow only 1.87% over the coming  five years (EIA, 2013). In particular, power demand is expected to grow from 3 729 billion TWh in  2012 to 3 798 billion TWh in 2017. Given the low utilisation rates of CCGT plants in many states,  there is only limited investment in CCGT expansion planned in the period, around 10 GW in the  period from 2013 onwards, an increase of around 4.6% on the existing fleet, concentrated in nine  states only (EIA, 2011).   Over  the  coming  years,  some  shale  plays  such  as  Marcellus  and  Eagle  Ford  are  expected  to  provide significant additional supply. Unlike Eagle Ford, which is located near other existing shale  gas  plays  in  Texas  which  have  so  far  provided  the  bulk  of  additional  new  shale  gas  supply,  Marcellus  is  located  in  the  Northeast  of  the  United  States.  A  specific  analysis  of  the  possible  effects  of  increased  shale  gas  availability  in  states  covering  the  Marcellus  play  has  been  conducted,  considering  that  such  a  significant  fresh  supply  could  change  the  economics  of  investment,  prompting  fresh  investment  in  CCGT  capacity  and  a  shift  in  the  merit  order.  However, in the three states likely to benefit foremost from the Marcellus expansion (New York,  Pennsylvania    and  Virginia),  there  is  already  significant  spare  gas  capacity,  such  that  significant  fresh investment in CCGT output as a result of increases in local supply of gas appears unlikely in   

© OECD/IEA 2013 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

the  medium  term.  While  the  proximity  of  new  CCGT  capacity  to  growing  gas  production  is  an  important  consideration,  the  United  States  has  in  recent  years  built  significant  intraregional  capacity, which has considerably reduced the spread between regional gas prices.  EIA  data  shows  that  the  plans  for  expansions  in  CCGT  capacity  from  2013  are  concentrated  in  Texas (2.6 GW), Florida (2.4 GW) and California (1.3 GW) (EIA, 2011). In the case of Florida, this  will  represent  an  almost  50%  increase  in  CCGT  potential  output,  from  42  TWh  to  61  TWh.  Page | 23  However, the impact of this will still depend on favourable gas prices relative to coal.  

Conclusions on projection for switching by 2017  Based on the above assumptions and consideration of the measurable non‐price constraints, it is  estimated  that  the  bulk  of  the  122.5  TWh  that  switched  in  the  14  states  in  the  twelve  months  beginning with October 2011 will switch back to coal as the HH price approaches USD 4.7/MBtu  in 2017, leaving shares of CCGT and coal output similar to those observed in early 2011. In this  context it is also worth noting that the year 2012 was exceptional in many respects, with a mild  winter, a hot summer, and frequent outages of nuclear power plants. The substantial increase of  gas‐fired generation in 2012 was therefore driven, among other things, by abnormal conditions.  Inputs to the analysis at state level are shown in Appendix B.              

 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

© OECD/IEA 2013 

Acronyms, abbreviations and units of measure  Acronyms and abbreviations    Page | 24 CSAPR  CCGT  EIA  EPA  ERCOT IPM  NPC MATS  NAESB  NEEDS  NOx  NPC   PJM  SOx   

Cross State Air Pollution Rule  combined cycle gas turbine  Energy Information Administration  Environmental Protection Agency  Electric Reliability Council of Texas Integrated Planning Model  National Petroleum Council Mercury and Air Toxics Standard  North American Energy Standards Board  National Electric Energy Data System  nitrogen oxides   National Petroleum Council  Pennsylvania‐New Jersey‐Maryland Interconnection  sulfur oxides   

Units of measure  GW  MBtu  MW     

 

Gigawatt  million British thermal units  Megawatt 

© OECD/IEA 2013 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

Appendices  Appendix A  Page | 25 

Figure 10 • CCGT capacity, GW, 2011     

Source: EIA (EIA‐860) 

 

Figure 11 • Coal capacity, GW, 2011       

Note: Source: EIA (EIA‐860) 

   

 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

© OECD/IEA 2013 

Figure 12 • Gas costs for power, December 2011     

Page | 26

Note: White filling means data unavailable. Gas prices are annual prices  reported by EIA.  Source: EIA     

 

Figure 13 • Coal costs for power, December 2011     

  Note: White filling means data unavailable. Coal prices are from November 2012, the most recent data available, on the basis that  coal prices have remained largely stable across the United States.   Source: EIA 

 

 

Florida

Arkansas

Arizona

Alabama

State

Page | 27  Georgia

Coal output 10/20109/2011 (TWh)

Fall in coal output, 10/20119/2012 compared with prior year (TWh)

11.7

Estimate of switching observed in year beginning 10/2011, based on fall in coal output/increased CCGT output (TWh)

13.3

11.8

0.4

2.08

14.2

23.0

11.8

0.4

2.8

59.3

43.5

29.3

56.4

65.9

Coal price to power producers ** (USD/MBtu)

Estimated gas price at which switching is predicted to occur (USD/MBtu)

Average premium/ discount of gas price to HH price (times) (price of gas to power producers)

5.45

Gas price projected to 2017, at HH USD 4.7/MBtu (USD/MTbu)

Prices favourable to switching for much of 2011/12, but switching likely to have been limited by longer coal contracts. Unfavourable prices are binding constraint in 2017.

Comments, other factors***

-14.2

Projected switching to 2017 (TWh) (relative to year beginning Oct 2011)

5.12

Prices unfavourable to switching in 2011/12 and projected to remain so to 2017.

-11.8

-0.4

-2.8

6.82

Prices favourable to switching briefly in 2011/12. Unfavourable prices are binding constraint in 2017.

-13.3

Prices unfavourable to switching in 2011/12 and projected to remain so to 2017.

5.41

4.70

1.16

1.15

1.45

1.09

1.00

3.75

4.15

4.45

3.08

2.67

2.95

2.05

2.42

3.47

3.25

Prices favourable to switching for all of 2011/12. Extent of switching may have been constrained by utility revenue regulation or other factors. Unfavourable prices are binding constraint in 2017.

 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector  © OECD/IEA 2013 

 Appendix B 

Table 1 • Individual Case Studies* 

State

Coal output Oct 2010Sept 2011 (TWh)

Fall in coal output, Oct 2011Sept 2012 compared with prior year (TWh)

Estimate of switching observed in year beginning Oct 2011, based on fall in coal output/ increased CCGT output (TWh)

3.11

Coal price to power producers ** (USD/MBtu)

3.90

Estimated gas price at which switching is predicted to occur (USD/MBtu)

1.13

Average premium/discount of gas price to HH price (times) (price of gas to power producers)

5.31

Gas price projected to 2017, at HH USD 4.7/MBtu (USD/MTbu)

Comments, other factors***

-3.7

Projected switching to 2017 (TWh) (relative to year beginning Oct 2011)

-8.1

3.5

Prices favourable for most of 2011/12, but other factors appear to have limited switching. Unfavourable prices are binding constraint in 2017.

-1.2

3.7

4.47

Prices favourable to switching in 2011/12. Unfavourable prices are binding constraint in 2017.

-2.9

20.3

5.12

Prices favourable to switching for part of 2011/12.

-6.6

Louisiana

1.17

6.01

Unfavourable prices are binding constraint in 2017.

Prices favourable to switching for all of 2011/12. Extent of switching may have been constrained by utility revenue regulation or other factors. Unfavourable prices are binding constraint in 2017.

3.08

1.28

5.73

0.95

2.45

5.00

`1.22

4.75

3.75

1.2

4.08

3.69

1.01

2.92

1.2

2.9

3.15

2.52

8.1

5.4

3.1

6.6

1.99

8.1

Nevada

4.9

6.9

3.8

60.8

New Jersey

11.8

3.8

Michigan

New York

33.9

-3.8

Oklahoma

 

Prices favourable to switching only briefly in 2011/12. Long coal contracts also likely to have limited switching. Unfavourable prices are binding constraint in 2017.

Page | 28

© OECD/IEA 2013 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

State

94.7

Coal output Oct 2010Sept 2011 (TWh)

106.8

21.8

Fall in coal output, Oct 2011Sept 2012 compared with prior year (TWh)

9.3

Estimate of switching observed in year beginning Oct 2011, based on fall in coal output/ increased CCGT output (TWh)

7.3

20.4

15.5

20.4

7.6

Coal price to power producers ** (USD/MBtu)

2.51

1.85

3.62

Estimated gas price at which switching is predicted to occur (USD/MBtu)

Average premium/ discount of gas price to HH price (times) (price of gas to power producers)

5.41

Gas price projected to 2017, at HH USD 4.7/MBtu (USD/MTbu)

5.66

4.70

1.15

1.20

1.00

3.23

2.35

4.62

Observed switching in year beginning October 2011 (TWh) Projected switching to 2017 compared with year beginning October 2011 (TWh)

Virginia

Texas

Pennsylvania

Page | 29  Notes: *To be read in conjunction with explanation in the second chapter. **Coal data drawn from months when data is available, however prices have remained stable over the period analysed ***Where other factors refer to 2011/12 this is the year beginning October 2011, as per analysis outlined in the second chapter. Source: EIA, IEA calculations and projections, as per assumptions outlined in Part II

Comments, other factors***

Price favourable to switching for around half of 2011/12. Long coal contracts likely to have limit3ed switching. Unfavourable prices are binding constraint in 2017.

Price favourable to switching for less than half 2011/12. Long coal contracts also likely to have limited observed switching. Unfavourable prices are binding constraint in 2017.

Prices fourable to switching for most of 2011/12. Unfavourable prices are binding constraint in 2017.

Projected switching to 2017 (TWh) (relative to year beginning Oct 2011)

-9.3

-20.4

-7.6

122 -122

 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector  © OECD/IEA 2013 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

© OECD/IEA 2013 

References  Australian Energy Market Operator, (2010), “Introduction to Australia’s Energy Market”,  accessible at: www.aemo.com.au/.../0000‐0262.pdf.   Page | 30

Beach, F.C., M. Shivers Gonzalez, J. C. Butler, M. E. Webber (2012), “An Analysis of the Potential  for Expanded Use of Natural Gas in Electrical Power Generation, Transportation, and Direct  Use: Texas as a Case Study”, University of Austin Texas, web paper accessible at:  www.webberenergygroup.com/natgas.   Brown, L, M. Einhorn, and I.Vogelsang (1991), “Toward Improved and Practical Incentive  Regulation”, Journal of Regulatory Economics, vol.3, December, pp. 323–338.  Comnes, G.A., S. Stoft, N. Greene and L. J. Hill (1995), “Performance‐Based Ratemaking for,  Electric Utilities, Review of Plans and Analysis of Economic and Resource‐Planning Issues,  Volume I, Lawrence Berkeley National Laboratory, University of California, Berkeley,  California.  Department of Energy, U.S. (DOE) (2011) Resource Adequacy Report (2011), accessible at:  http://energy.gov/sites/prod/files/2011%20Air%20Quality%20Regulations%20Report_120111 .pdf.  Energy Information Administration, United States (EIA) (2011), Annual Electric Generator Report  Form EIA 860 Data, accessible at: www.eia.gov/electricity/data/eia860/index.html.  EIA (2012), Annual Electric Generator Report Form EIA 923 Data, accessible at:  www.eia.gov/electricity/data/eia923/.  EIA (2013), U.S. EIA Annual Energy Outlook (2013), accessible at:  www.eia.gov/forecasts/aeo/er/index.cfm.  Graves, F., P. Hanser and G. Basheda. (2006), Electric Utility Automatic Adjustment Clauses:  Benefits and Design Considerations, prepared for the Edison Electric Institute by the Brattle  Group, Washington D,C.   Hogue, M. (2012) “A Review of the Costs of Nuclear Power Generation”, Bureau of Economic and  Business Research (BEBR), David Eccles School of Business, University of Utah, accessible at:  www.bebr.utah.edu/Documents/studies/Nuclear_Report_Final_Web_7Mar2012.pdf.  IEA (2010) Energy Technology Systems Analysis Programme, Gas‐Fired Power, IEA ETSAP  Technology Brief EO2, April, accessible at: www.iea‐etsap.org.  IEA (2012a), Medium‐Term Gas Market Report, June, IEA/OECD, Paris, available at www.iea.org.  IEA (2012b), Medium‐Term Coal Market Report, December, IEA/OECD, Paris, available at  www.iea.org.  IEA (2012c), Pricing and Regulation, China’s Challenges and IEA Experience, September,  IEA/OECD, Paris.  Joskow, P. (1974) “Inflation and Environmental Concern: Structural Change in the Process of  Public Utility Price Regulation”, Journal of Law and Economics, 17, October, pp.291‐327.  Kaplan, S.M. (2010) “Displacing Coal with Generation from Existing Natural Gas‐Fired Power  Plants”, United States Congress Research Service.  Knittel, C. (2002) “Alternative Regulatory Methods and Firm Efficiency: Stochastic Frontier  Evidence from the U.S. Electricity Industry”, The Review of Economics and Statistics,  Massachusetts Institute of Technology, Massachusetts, August, 84(3): 530–540.   

© OECD/IEA 2013 

Coal to Gas Competition in the U.S. Power Sector 

Massachusetts Institute of Technology (2011) “The Future of Natural Gas”, an MIT  Interdisciplinary  Study, chapter 4.  National Petroleum Council (NPC) (2011) “Power Generation Natural Gas Demand”, Working  paper #3‐1, September.  North American Energy Standards Board (NAESB) (2006) “Gas and Electric Interdependency Final  Report to the Federal Energy Regulatory Commission”, prepared by ICF Resources, LLC.  North American Electric Reliability Programme (NERC) (2010) “Flexibility Requirements and  Metrics for Variable Generation”, Princeton, August.  Nyberg, M. (2011) “Thermal Efficiency of Gas‐Fired Generation in California”, Staff Paper,  California Energy Commission, California.   Platt, K. (2009) “The Implications of Lower Natural Gas Prices for the Electric Generation Mix in  the Southeast”, Energy Information Administration Short‐Term Energy Outlook Supplement,  May.  Platts Research, (2003) “Coal‐Wind Integration Strange Bedfellows May Provide a New Supply  Option”, December.  Potomac Economics (2011) “2010 State of the Market Report for the ERCOT Wholesale Electricity  Markets”, Austin, Texas.  Roques, F. (2007) “Technology Choices for New Entrants in Liberalised Markets: The Value of  Operating Flexibility and Contractual Arrangements”, Utilities Policy, vol. 16, Issue 4,  December 2008, pp. 245‐53.       

 

Page | 31 

Online bookshop I e la n t er ed n a 9 ru tiona l Energy Agency •

Buy IEA publications online:

www.iea.org/books PDF versions available at 20% discount

r dé Fé

A number of books printed before January 2012 are now available free of charge in pdf format on our website

at io n•

75 73 9 Pa ris Ce dex 15, France

Tel: +33 (0)1 40 57 66 90 E-mail:

[email protected]

 

                                                          This document and any map included herein are without prejudice to the status of or sovereignty  over any territory, to the delimitation of international frontiers and boundaries and to the name  of any territory, city or area.    IEA Publications  9, rue de la Fédération, 75739 Paris cedex 15  Printed in France by IEA, April 2013   

Suggest Documents