The influence of transmission grid congestion on European Electricity Market Prices

Abstract

Die Liberalisierung des Elektrizitätsmarktes in Europa hat zu großen Umstrukturierungen des gesamten Elektrizitätssektors geführt. Das wichtigste Ziel der EU-Strompolitik ist es, durch einen wettbewerbsmäßig organisierten und integrierten europäischen Strommarkt niedrige Strompreise für die gesamte Wirtschaft zu schaffen.<br />Diese Überlegung basiert vor allem auf historisch aufgebauten Überkapazitäten sowohl im Bereich der Kraftwerke als auch der Netze. Da Wettbewerb nicht in allen Segmenten der Stromversorgungskette möglich ist, wurden durch Unbundling die Bereiche Erzeugung, Netz und Vertrieb voneinander getrennt. Dies führt in allen Segmenten der Stromversorgungskette zur Notwendigkeit, die Kosten zu senken. Daraus resultiert, dass die Investitionen in den liberalisierten Strommärkten auf ein Minimum reduziert, unwirtschaftliche Kraftwerke stillgelegt wurden und - da der Verbrauch allerdings kontinuierlich ansteigt - die Überkapazitäten sowohl bei den Kraftwerken als auch bei den Netzen sukzessive abnehmen. Dies treibt die Strompreise nach oben und führt dazu, daß die Auslandsabhängigkeit durch zunehmende Importe steigt.<br />Aufgrund des kontinuierlichen Anstiegs des Anteils der Stromlieferungen entstehen Engpässe im Netz die zu erhöhten Netzkosten für das Engpassmanagement führen. Dies treibt die Strompreise nach oben und führt weiters dazu, dass auch die Versorgungssicherheit kontinuierlich abnimmt. Ein weiterer Grund für das Ansteigen der Strompreise dürfte die erhöhte Marktkonzentration und das strategische Verhalten der großen europäischen Erzeuger sein. Die entstehenden Großanbieter könnten Erzeugungseinheiten strategisch einsetzen, um Engpässe im Netz zu verursachen und damit höhere Strompreise sowie höhere Profite zu erreichen. Die zentrale Fragestellung dieser Arbeit lautet: Welchen Einfluss haben Netzengpässe zwischen einzelnen Ländern und strategisches Verhalten auf die Entwicklung der Strompreise? Diese Fragestellung erhält allerdings erst durch die Verknüpfung mit weiteren Fragen energiepolitische Relevanz. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Simulationsmodell für Energiemärkte in der EU und Südosteuropa entwickelt, welches die Preis- und Erlösentwicklungen in Abhängigkeit von Übertragungsnetzkapazitäten analysiert. Verschiedenen Fallstudien werden analysiert, um die Zusammenhänge nicht nur qualitativ sondern auch quantitativ zu bestimmen. Der Simulationsmodel verwendet ein lastflussbasiertes Konzept zu Abbildung von Netzengpässen und einen agentenbasierten Ansatz. Die Teilnehmer am Markt werden über sogenanten Agenten abgebildet.<br />Strategische Aktionen dieser Agenten überliegen dabei einem Lernalgorithmus der weit akzeptierte psychologische Prinzipien abbildet.<br />Dadurch entwickeln die Marktteilnehmer mit der Zeit die beste Strategie um den Gewinn am Großhandelsmarkt zu maximieren. Die wichtigsten Erkenntnisse, die aus der Anwendung des Modells gezogen werden können, sind:<br />* Der Einfluss der Netzkapazitäten auf die Strompreise in Europa ist deswegen extrem hoch, weil die Konkurrenz zwischen den größten Spielern und nationalen "Champions" nur mit der maximalen Netzkapazität zwischen Ländern möglich ist. * Die jetzigen Methoden für die Kapazitätszuweisung und das Engpassmanagement erlauben es nicht Netzkapazitäten bestmöglich zu nutzen. Daher wird eine Verbesserung dieser Ansätzen vorgeschlagen. Auch Agenten ohne vollkommene Information und ohne perfekte Rationalität, können mehr von ihrer Marktmacht profitieren wenn die Netzkapazitäten auf eine zu konservative Weise (NTC) vereinbart werden.<br />* Eine effiziente lastflussbasierte Methode für das Engpassmanagement basierend auf Power Transfer Distribution Faktors (PTDFs), die realen physikalischen Transaktionen im Netz abbildet, unterstützt das Entstehen eines einheitlichen EU-Strommarktes. Durch eine lastflussbasierte koordinierte Auktion der Netzkapazitäten auf regionaler Ebene (z.B. SEE) lässt sich die Wohlfahrt und die Gesamteffizienz des EU Strommarkts erhöhen.<br />

The ongoing liberalization process of the European electricity sector is changing the look of it significantly. A major goal of the EU directive, which regulates the liberalization of the European electricity market, is to provide competition and low electricity prices for the whole economy. After the first years of deregulation in Europe, characterized by generation overcapacity and the decreasing of electricity prices, came concern for European citizens and industry because of upward price trends, rising demand and the growing need for investments in new capacity. In the old traditional market structure, the planning of the energy system was, to a very large extent, an integral part. Primarily, transmission systems were designed for the transporting of electricity from existing power plants to load centres; the objectives of which were the minimization of total costs.<br />Differences in generation mix and production costs for electricity leads to the regional differences in market prices. The price differences and possibility to trade with electricity in an open market caused considerable increase in electricity exchange between countries over cross-border transmission lines. The transmission grid was not projected for electricity trading in such an extent and cannot cope with the rising amount of power flows between countries. Due to continually increase of power imports in the total demand, the power grid is on the limit on some locations. On these locations comes frequently to congestion in transmission grid. These transmission constraints are resulting in market separation and higher wholesale prices. Limited transmission capacities linking regions with different marginal costs prevent the prices in the adjacent regions to converge and there is still big difference in the price level between various European geographic regions. Limited transmission capacities linking regions with different marginal costs prevent the convergence of prices in the adjacent regions, and there are still big differences in the price levels between various European geographic regions. The core objective of this thesis is to answer the question: What is the influence of transmission capacities in different market structures on the market outcome (i.e. price)? To answer this question, a theoretical framework and simulation tool was developed in order to investigate and to quantify these effects. The novel Agent-based approach is used as a mathematical model to analyse market participant's behaviour and a Flow-based method for Congestion Management is implemented. The market participants (production firms) are represented as an Agent. In order to represent the agents capability to learn from experience, a learning algorithm is introduced in this work based on the reinforcement principle that is widely accepted in the psychology literature. The agents are active and with the time, they learn to adapt rapidly their strategies to gain higher profits in the wholesale market. Very interesting observations and conclusions were found in case studies. The results obtained from the model shows three key issues for development of the future regional electricity markets in Europe and at Balkans: * The influence of congestions on the prices in European electricity markets is extremely high, hence is the competition between big players and the national "champions" possible only with the maximal (available) transmission capacity between countries.<br />* The weaker the design and the rules for the definition and allocation of transmission capacities is, the higher is the portion of transmission infrastructure that is not available to the market participants. Current conventional methods for capacity allocation and CM are resulting in lower capacity, and should be improved. Even agents without perfect rationality (using learning algorithm) can take more advantage of their market power when the capacity is allocated on too conservative way.<br />* An efficient Congestion Management (CM) method based on real representation of the transmission grid with sensitivity factors known as PTDFs is one of a key issues in creating one Internal Electricity Market. A coordinated auctioning of transmission capacity on the regional level ensures a bigger welfare and higher efficiency for the whole European Electricity market.