Electricity balancing markets in Europe : fundamental modeling approaches and case studies assuming perfect competition

Abstract

Im europäischen Kontext umfasst der Begriff Regelenergiemarkt in seiner allgemeinen Form alle Aktivitäten seitens der Übertragungsnetzbetreiber bezüglich ihrer Verpflichtung in ihren Netzen eine effiziente und sichere Ausregelung von Wirkleistungsungleichgewichten sicherzustellen. In vielen Ländern richtete sich die konkrete Implementierung dieser Aufgaben nach der Charakteristik der Systemungleichgewichte und dem Typ verfügbarer Erzeugungskapazitäten in deren Stromsystemen. Aus diesem Grund gibt es derzeit keine Standardmethoden zur quantitativen Analyse dieses speziellen Marktsegments. Auf der Basis von drei Fallstudien wird gezeigt wie Optimierungsmodelle erstellt, parametrisiert und ausgewertet werden können, um eine Fundamentalanalyse von unterschiedlichen Regelenergiemärkten vornehmen zu können. Jede dieser Fallstudien dient zur Beantwortung von spezifischen Fragestellungen, welche in ihrer Gesamtheit zu einem umfassenden Verständnis der fundamentalen Einflussfaktoren von Regelenergiemärkten führen. In diesem Sinne trägt diese Dissertation in mehrerlei Hinsicht zur aktuellen wissenschaftlichen Literatur bei. Erstens, ein neuer Modellansatz wird vorgestellt, welcher die simultane Bestimmung von kompetitiven Marktgleichgewichten in Spot- und Regelenergiemärkten ermöglicht. Die innovative Neuheit dieses Ansatzes ist, dass er eine Berücksichtigung von nicht-konvexen Charakteristika der Stromerzeugung, wie z.B. Minimallast, oder die Existenz von Startkosten berücksichtigt. Zweitens, es wurde erstmals eine Fundamentalanalyse für den österreichischen Regelenergiemarkt durchgeführt. Diese Analyse hatte beantwortete die Frage, inwiefern historische Marktergebnisse über fundamentale Einflussfaktoren erklärt werden können. Die beachtliche Lücke zwischen tatsächlichen und modellierten Preise unterstützt die Annahme, dass es in der Vergangenheit aus wettbewerblichen Sicht in diesem Marktsegment zu überhöhten Preisen gekommen ist. Drittens, wurden synthetische Prognosefehlerzeitreihen entwickelt und in ein europäisches Strommarktmodell eingepflegt. Dadurch ist es möglich sowohl die physische also auch monetäre Relevanz von Regelenergiemärkten in Europa im Kontext des Jahres 2030 abzuschätzen. Es stellt sich heraus, dass obwohl diese Märkte aller Wahrscheinlichkeit nach Nischenmärkte bleiben werden, dass für einzelne Technologien die Einkünfte aus der Teilnahme in diesen Märkte eine wesentlichen Rolle spielen könnten. Die vorgestellten Modellansätze in dieser Arbeit können zur Beantwortung einer Vielfalt von Fragestellungen im Zusammenhang mit der Funktionsweise von Kurzfriststrommärkten bei perfektem Wettbewerb herangezogen werden.

In the European context the term electricity balancing market refers in its general form to all activities of transmission system operators related to their obligation to ensure an efficient and reliable real-time settlement of active power imbalances in their networks. In many countries, the concrete implementation of these activities historically evolved around the specific characteristics of system imbalances and the type of available generation facilities in their national power systems. Therefore, a great variety in the design and organization of balancing mechanisms and markets across Europe exists today. For that reason, there are no standard methods available for the quantitative analysis of this particular market segment. On the basis of three case studies it is shown how suitable optimization models can be designed, parametrized and evaluated in order to enable the fundamental economic analysis of electricity balancing markets across Europe. Each of the case studies serves to answer a distinct set of specific research questions that together lead to an overall understanding of the fundamentals of these markets. In that way this thesis contributes to the existing literature in several ways. First, a novel modeling approach is presented that is able to determine competitive equilibrium prices and quantities for the simultaneous clearing of electricity spot markets and auctions for reserve capacity. The main innovation of this approach lies in the fact that it is able to incorporate non-convex features of electricity generation, e.g. minimum stable output or start-up costs. Second, based on the findings of the previous chapter, a large-scale optimization model is applied to the case of Austria with the objective to explore to which extent historical market prices in the Austrian balancing market can be explained by means of perfect competition. A considerable gap between modeled and actual prices supports the conclusion that among other factors collusive behavior of market participants might have played an important role. Third, synthetic high frequency forecast error time series are developed and fitted into a European electricity market model to assess how relevant electricity balancing markets might get in the 2030 time frame. It is argued that although these markets might remain niche markets, revenue streams from electricity balancing could gain importance for certain technologies. The presented modeling approaches in this thesis can be applied to wide range of questions related to the functioning of short-term electricity markets under the assumption of perfect competition.