Et deregulert elmarked med kapasitetsbegrensninger og store enheter

Et deregulert elmarked med kapasitetsbegrensninger og store enheter Kurt Jørnsten Institutt for foretaksøkonomi Norges Handelshøyskole RENERGI Fremtidens rene energisystem 1. november 2005

Disposisjon Liberalisering i Norge/Norden Beregning av systemprisen Eksempel med faste kostnader Hva er prisen i en marked med ikke konveksiteter? Optimal lastflyt i nett Når er en nett begrensning bindende? Konklusjoner

Liberalisering i Norge Oppnå kortsiktig og langsiktig effektivitet gjennom konkurranse på tilbuds- og etterspørselssiden handel på børs (NordPool) og gjennom bilaterale kontrakter (effektiv marked) effektiv prising av overføring Kort sikt Etterspørselsfunksjoner er gitt Optimal utnyttelse av produksjons- og nettkapasitet Lang sikt Insentiver for lokalisering av tilbud og etterspørsel Optimal utbygging av nettet

Beregning av systempris Enhet A: Kapasitet 45, Energi pris 10Euro/MWH, Kapasitetskostnad 0 Enhet B: Kapasitet 45, Energi pris 20Euro/MWH, Kapasitetskostnad 0 Enhet C: Kapasitet 10, Energipris 100Euro/MWH, Kapasitetskostnad 20 Enhet D: Kapasitet 100, Energipris 30Euro/MWH, Kapasitetskostnad 2000

Hva blir systemprisen? Kostnadsminimalproduksjon da etterspørselen er 100 Enhet A produserer 45 Enhet B produserer 45 Enhet C produserer 10 Total produksjonskostnad 2370

Sytempris=100 Euro/MWH Totalkostnad 10000 Euro Men enhet C er ikke fornøyd, taper 20 Euro C må byde 102 for å gå breakeven Totalpris 10200 Euro

Hockey Stick Bid in Balancing Market ERCOT

Hvilket bud skal enhet D gi? Beror på hvor mye D får produsere Hvis kun 10 MWH, budet må være 230Euro/MWH Hvis 100 MWH, nok med 50 Euro/MWH

Alternativ løsning La enhet D produsere 100 til et pris av 50 Euro/MWH. System prisen blir 50 Euro /MWH og totalkostnaden 5000 Euro Problemer: Enhetene A og B har lavere produksjonskostnader men får ikke produsere

I en marked med udelbarheter må prisingen modifiseres Uplift price og Unit price Second price auction I eksemplet La enhetene A, B og C produsere Enhetspris 20 Euro/MWH Uplift til Enhet C 820 Euro Totalkostnad 2820 Euro

Elektrisitetsmarkedet og ikkekonveksiteter Liberalisering av elektrisitetsmarkeder har medført økt interesse for avvik fra antakelsene bak frikonkurransemodellen Oppstart-kostnader, ramping Krever dette endring av markedsdesign? Eks. kapasitetsprising, ICAP Hvordan håndtere ikke-konveksiteter gjennom prising O Neill et al. Efficient Market-Clearing Prices in Markets with Nonconvexities (EJOR 2005) Hogan og Ring On Minimum-Uplift Pricing for Electricity Markets (discussion paper, HEPG)

Prising av udeleligheter Min subject to + C j j ( g j ) S j jz j j g j = g g j j 0 g j z j z z z j 0 j j = z * m d j M u j j j j j j j j Bjørndal og Jörnsten (2004) Bruker dualitetsteori fra heltallsprogrammering til å finne konsistente markedsklarerende priser Priser produktene Commodity price men også kapasitet Capacity price Uplift Benytter optimalløsningen for kompliserende variabler innsatt i min-problemet

Eksempel Enhet A: kapasitetspris 53, enhetspris 3, kapasitet 16 Enhet B: kapasitetspris 30, enhetspris 2, kapasitet 7 Enhet C: kapasitetspris 0, enhetspris 7, kapasitet minst 2 høyst 6

Markedet løser udeleligheter Modified IP Commodity Price Modified IP Uplift Price Commodity Price 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 14 27 40 53 66 79 92 105 118 131 144 157 Modified IP Uplift 500 400 300 Series1 200 100 0 1 14 27 40 53 66 79 92 105 118 131 144 157 Series1 Demand Demand Ved etterspørsel på 133 er den lineære prisen tilstrekkelig

Nordpools håndtering av udelbarheter Blokk bud (et blokkbud er et bud som kobler sammen flere tidsperioder) En måte å garantere at en enhet med høye oppstartskostnader gis mulighet å produsere effektivt

Systempris før og etter introduksjon av blokk bud Systemprisen i hver tidsperiode beregnes uten at blokkbuden er med. Hvis et blokk bud ( supply side ) har en lavere gjennomsnittspris enn gjennomsnittsprisen i de tidsperioder som blokkbudet omfatter blir det akseptert og prisene rekalkuleres

Eksempel med to tidsperioder Produsent IA: enhetspris 10/MWH kapasitet 60 MWH Produsent IB: enhetspris 95/MWH kapasitet 100 MWH Konsument I: enhetspris 90/MWH Etterspørsel opptil 100 MWH Produsent IIA: enhetspris 40/MWH kapasitet 60MWH Produsent IIB: enhetspris 95/MWH kapasitet 90MWH Konsument II: enhetspris 90/MWH Etterspørsel opp till 150MWH

Pris og markedsklarering Pris periode I 10-90/MWH Pris periode II 40-90 MWH Produksjon i periode I 60 MWH og i periode II 60 MWH Velg eksempelvis priset 10 i periode I og 40 i periode II

Blokk byder for periode I og II Gjennomsnittspris 30/MWH Produksjon hvis akseptert 100MWH i periode I og 100 MWH i periode II Skal blokkbudet aksepteres?

Utvidet eksempel med blokk bud Optimal løsning Blokk byderen produserer 100 MWH i hver tidsperiode Produsent IIA produserer 50 MWH i periode II. Hva er prisene? Periode I prisen må ikke være høyere enn 10/MWH i periode I Prisen i periode II må ikke være høyere enn 40/MWH Men hvorfor skal då Blokk byderen produsere i periode I??? Lineære priser eksisterer ikke!!!

Yterligere en konsument Konsument blokkbud Gjennomsnittspris 35/MWH Etterspør 50mwh I periode I og II Gjennomsnittsprisen høyere for blokk budet skal i følge Nordpools regler aksepteres men dette er ikke optimalt

Priser i eksemplet med blokkbud Optimal produksjon Blokk produsenten 100 MWH i begge periodene Produsent IIB 50 MWH i periode II Pris i periode I = 10/MWH Pris i periode II = 40/MWH Pris for produksjon/ konsum i begge periodene 20/MWH

Optimal lastflyt Maks velferd konsumenters betalingsvilje produksjonskostnader Gitt lastflytbetingelser termiske kapasitetsbegrensninger restriksjoner knyttet til pålitelighet og sikkerhet (f.eks N-1) Skyggeprisene på lastflytbetingelsene angir verdien av kraft i hvert punkt Geografiske priser

Flow pattern in radial grid Example UK B NL DK Trade=Flo w D F CH A E I

Flow pattern in meshed grid Example NL DK UK B 34 % 34 % D F 35 % 18 % 20 % 8 % CH 11 % A 13 % 10 % 3 % I E Physical complexity independent of allocation method!

Ulike metoder Koordinering ved hjelp av priser Nodepriser / Sonepriser Koordinering gjennom bibetingelser Coordinated Multilateral Trade Model Motkjøp Metodene kan være konsistente med optimal lastflyt og optimale nodepriser Alle har sine styrker og svakheter Metodene er forskjellige når det gjelder fordeling av samfunnsøkonomisk overskudd

Flaskehalshåndtering i Norden Nord Pool området består av 5 kontrollområder med hver sin systemoperatør Norge, Sverige, Finland, Danmark-øst og Danmarkvest Sonepriser Planlagt lastflyt For store og langvarige begrensninger internt i Norge, samt på grensene mellom kontroll-områdene Motkjøp For begrensninger internt i prisområdene For å sikre momentan balanse Regulerkraftmarkedet

Eksempel Enhet A: kapasitetspris 53, enhetspris 3, kapasitet 16 Enhet B: kapasitetspris 30, enhetspris 2, kapasitet 7 Enhet C: kapasitetspris 0, enhetspris 7, kapasitet minst 2 høyst 6

Kapasitetsprising og nettprising Type Lok. (FK,MK,Kap.) A Node1 (53, 3, 16) B Node1 (30, 2, 7) C Node2 (0, 7, (2-6)) 3 1 K 2 D=56, K=15: 1 A, 5 B og 1 C Produksjon: 15,5; 35; 5,5 Lastflyt over 1-2: 15 Bindende kapasitetsbegrensning Commodity-priser: 3, 7, 5 Uplift: 53z 1 + 23z 2 6q 12 78

Kapasitetsprising og nettprising Type Lok. (FK,MK,Kap.) A Node1 (53, 3, 16) B Node1 (30, 2, 7) C Node2 (0, 7, (2-6)) 3 1 K 2 D=56, K=14: 3 A, 0 B og 2 C Produksjon: 48; 0; 8 Lastflyt over 1-2: 13 1/3 Ikke bindende kap.begr. Commodity-priser: 3, 3, 3 Uplift: 53z 1 + 23z 2 + 4q 3 191

Kapasitetsprising og nettprising Kapasitetsutvikling og etterspørsel, K=15 D=56, q12=15 D=57, q12=15 D=58, q12=14 2/3 D=59, q12=14 1/3 D=60, q12=14 D=61, q12=15 Kapasiteten på 1-2 kan tilsynelatende være ikke-bindende, men likevel påvirke løsningen Hvordan håndtere dette? Ingen nettinntekt når prisene er lik i nodene

Eksempel Enhet A: kapasitetspris 53, enhetspris 3, kapasitet 16 Enhet B: kapasitetspris 30, enhetspris 2, kapasitet 7 Enhet C: kapasitetspris 0, enhetspris 7, kapasitet minst 2 høyst 6

Eksempel med kapasitetsbegrensninger 2 Produsent A og B 10 1 3 Etterspørsel D Produsent C

Når er begrensningen bindende? 32 34 36 38 15 10 5 32 34 36 38 0 1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81

Oppsummering Fører Nordpools market design til en effektiv nordisk elmarked? Er det nok med kun energipris i en marked med udelbarheter (blokk bud)??? Hva er alternativene? Hvilket prissystem trengs for å stimulere investeringer i nett og i produksjon? Nett ( Congestion Management ) Regulering Alternative infrastrukturer