Preisbildung im Regelenergiemarkt

PreisbildungimRegelenergiemarkt
EinVergleichvonLinearen,Gemischt-Ganzzahligen
undSpieltheoretischen Ansätzen
DanielHUPPMANN,AndréORTNER,ChristophGRAF
14.SymposiumEnergieinnovation2016
TechnischeUniversitätGraz
DieBedeutungdesRegelenergiemarkts
FürdensicherenBetriebdesStromsystemsistdieVorhaltung
vonRegelenergiekapazität notwendig
DieBereitstellungvonRegelenergieverursachtfürKraftwerksbetreiber
OpportunitätskosteninzweiRichtungen(Just&Weber,2008;Ortner&Graf,2013)
•
•
EntgangeneProfite,wennGrenzkosten<Spotmarktpreis
RealeVerlusteaufgrunddermust-run-BedingungaufMindestlast,
wennGrenzkosten>Spotmarktpreis
Regelenergiepreise undSpotpreisebeeinflussensichwechselseitig!
Eslässtsichtheoretischzeigen,dassdahermidload-Kraftwerkeambesten
geeignetsind,Regelenergiebereitzustellen (Richter,2012)
WeitereSchwierigkeiten(indiesemVortragnichtberücksichtigt):
Stochastik(Regelenergiekontrakte längerfristigalsSpotmarkt)
UnterschiedlicheTypenvonRegelenergie(Primär,Sekundär,Minuten)
StrategischesVerhalten(Annahme:MarktteilnehmerbietenzuGrenzkosten)
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DastechnischeVersagendesRegelenergiemarktes
DersozialePlaner&derprofitorientierteKraftwerksbetreiber,
unddazwischenklaffteineLücke...
ZweiAnsätzezurBestimmungdesoptimalenKraftwerkseinsatzes:
DersozialePlaner(dieElektrotechnikerin)löstein
Kostenminimierungsproblem(unit-commitment problem)
DerMarkt(dieBetriebswirtin)lösteinGleichgewichtsproblemzwischen
nicht-kooperativenKraftwerksbetreibern
AufgrundderAnfahrkosten&nicht-konvexertechnischerRestriktionenführen
dieAnsätzenichtzumselbenErgebnis!
DieOpportunitätskostenwerdendurchdie„Marktpreise“nicht
notwendigerweiseabgedeckt(Anreizinkompatibilität)
DasMarktdesign(dieVolkswirtin)empfiehltAuktionen,aberdasbehandelt
nurdasSymptom,nichtdaszugrundeliegendeProblem!
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GleichgewichtinSpielenmitganzzahligenVariablen(I)
InSpielenmitganzzahligen Entscheidungen gibtes(i.A.)
keinemarkträumenden PreiseundkeinNash-Gleichgewicht
DasProblem:inganzzahligenOptimierungsproblemenexistieren
keineDualvariablen(akaSchattenpreise,Lagrange-Multiplikatoren)
DadurchlassensichkeinemarkträumendenPreisefinden
undesexistiert(invielenFällen)keinNash-Gleichgewicht
Standard-Solver(CPLEX,GUROBI,etc.)liefernOutput,deroft
fälschlicherweisealsSchattenpreiseinterpretiertwird(O‘Neilletal.,2005)
InzentralisiertenStrommärkten(z.B.USA:IndependentSystemOperators)
istdieseProblematikals„uplift problem“bekannt (Gribik,Hogan&Pope,2007)
InEuropaaufgrunddes„energy-only“Marktdesignsvongeringerer
Bedeutung,aberfürdenRegelenergiemarkt vongroßerRelevanz
WiradaptiereneinenAnsatzzurLösungeinesGleichgewichts
inbinärenStrategien(Huppmann&Siddiqui,2015)
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GleichgewichtinSpielenmitganzzahligenVariablen(II)
Wiradaptieren denAnsatzvonHuppmann&Siddiqui(2015)
zurexaktenmultikriteriellenLösungvonganzzahligen Spielen
AlternativeAnsätzezurLösungvonbinärenGleichgewichtsproblem:
allePermutationen(brute-force)oderLinearisierungdesLösungsraums...
DerneueAnsatz:
WirleitendieBedingungen1.Ordnung(Karush-Kuhn-Tucker, KKT)für
beidemöglichenWertederbinärenEntscheidungab
(anstelleeinerLinearisierungderVariablen)
AnreizkompatibilitätwirdexplizitalsNebenbedingunghinzugefügt
EinemultikriterielleZielfunktiondientalsAuswahlmechanismus
DerMechanismusisteinmehrstufigesOptimierungsproblemund...
...ErlaubteineAbwägungzwischenMarkteffizienz(Wohlfahrt)undden
KompensationszahlungenfüreinstabilesGleichgewicht
...Kannalsgemischt-ganzzahligeslinearesProblemgelöstwerden
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RegelenergiealsmehrstufigesbinäresProblem
DieBereitstellungvonRegelenergie isteinOptimierungsproblem
mitbinärenEntscheidungen aufmehreren Ebenen
TeilnahmeamRegelenergiemarkt?
Nein
Ja
Kraftwerkübergesamten
ZeitrauminBetrieb
ErzeugungjeStundet
durchKKT-Bedingungen
(Mindestlastberücksichtigt)
ProfitimFallderBereitstellung
vonRegelenergie
KraftwerkinStundet inBetrieb?
Ja
Nein
ErzeugungundProfit
inStundet durch
KKT-Bedingungen
KeineErzeugung,
Abfahrkosten=Verlust
(wenninStundet–1 inBetrieb)
VergleichderProfitezurBestimmung
deroptimalenEntscheidunginStundet
SummeüberalleStundent
ergibtProfitimFallderNichtteilname
VergleichderProfitezurBestimmung
deroptimalenEntscheidung
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MehrstufigebinäreGleichgewichtsprobleme
DasSpielzwischenmehreren Erzeugern kannalsgemischtganzzahligeslinearesOptimierungsproblem gelöstwerden
DasGleichgewichtsmodellfürdenRegelenergiemarktbestehtaus...
...einerZielfunktion(Wohlfahrtsmaximierung):
einWalrasianischerAuktionatorsetztSpot- undRegelenergiepreis
...undNebenbedingungen:
jeMarktteilnehmereinGleichungssystem,dasdessenjeweilsoptimale
Entscheidungabbildet(gegebendenMarktpreisen)
Markträumungsbedingungen
DiesesProblemkannalsgemischt-ganzzahligeslinearesOptimierungsproblem
mitStandard-Methodengelöstwerden (Huppmann&Siddiqui2015)
DieZahlderbinärenVariablensteigtzwarnichtexponentiell,
abergroßeAnwendungensindnumerisch(noch)zuaufwendig
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DreiRegelenergie(markt)modelle imVergleich
Wirvergleichen dreiModellansätzefürdenRegelenergiemarkt:
linear,gemischt-ganzzahlig undbinäresGleichgewicht
•
DaslineareModell:
Wohlfahrtsoptimum=Marktgleichgewicht
abertechnischeRestriktionendurchLinearisierungvereinfacht
•
DasKraftwerkeinsatzmodell(unit-commitment model)
TechnischeRestriktionensindberücksichtigt
aberLösung(Wohlfahrtsoptimum)isti.A.keinMarktgleichgewicht
•
DasMarktgleichgewichtsmodellinbinärenStrategien
TechnischeRestriktionenundindividuelleAnreizeberücksichtigt
aberwegennumerischeKomplexität(vorläufig)nurstilisiertesBeispiel
WirvergleichendieModelleanhandeinesstilisiertenDatensatzes
mitneunErzeugern unddreiZeitperioden
DerKraftwerkseinsatz (unddieSystemkosten)überalleModellegleich!
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Vergleichder„Preise“zwischendenModellen
EsgibtkeineklareTendenz, obPreiseinbestimmtenAnsätzen
höheroderniedrigersind
25
20
15
10
5
0
Stunde1
Stunde2
Stunde3
Spotpreis
LinearesModell
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positiv
negativ
Regelenergiekapazitätspreis
Kraftwerkseinsatzmodell
BinäresGleichgewicht
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KonsumentenausgabenundProfitederErzeuger
DieKonsumentenausgaben sinken(imuntersuchten Fall)
durchdieBerücksichtigung derspieltheoretischenAnreize
4000
3000
2000
1000
0
Konsumenten
Erzeuger
Profit
LinearesModell
Spot
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Konsumenten
Erzeuger
Profit
Kraftwerkseinsatzmodell
Regelenergiepositiv
Konsumenten
Erzeuger
Profit
BinäresGleichgewicht
Regelenergienegativ
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ZusammenfassungundAusblick
Wirpräsentieren einRegelenergiemarktmodell, dastechnische
RestriktionenundökonomischeAnreizeexplizitkombiniert
AktuelleModellefürdenRegelenergiemarkt vernachlässigenentweder
...dietechnischenAspekte(Anfahrkosten,Mindestlast)oder
...dasSpielzwischennicht-kooperativenMarktteilnehmern
(Wohlfahrtsmaximierung,dadurchkeineGarantiederAnreizkompatibilität)
AufgrundderNichtkonvexitätgibt es(u.U.)keinemarkträumendenPreise,
unddasistkeineFragedesMarktdesigns(Auktionen,etc.)!
WiradaptiereneinenAnsatzzurLösungvonNash-Gleichgewichten
innicht-kooperativenSpielenmitbinärenStrategien(Huppmann&Siddiqui,2015)
WirvergleichendiesesModellhinsichtlichder“Preise“mitdenStandardansätzen
OffeneFragenunddienächstenHerausforderungen:
NumerischeSkalierbarkeit,AnwendbarkeitaufrealeDaten,...
ÄnderungdesKraftwerkseinsatzes (undderKosten)durch„bessere“Preise?
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VielenDankfürIhreAufmerksamkeit!
DanielHUPPMANN,IIASAundJohnsHopkinsUniversity
André ORTNER,Energy EconomicsGroup,TUWien
ChristophGRAF,InstitutfürRegulierungsökonomie,WUWien
Dr.DanielHuppmann
ResearchScholar– EnergyProgram
InternationalInstituteforAppliedSystemsAnalysis(IIASA)
Schlossplatz1,A-2361Laxenburg,Austria
[email protected]
+43(0)2236807- 572
http://www.iiasa.ac.at
Bibliographie
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uplift:WorkingPaper,JohnF.KennedySchoolof Government,HarvardUniversity,2007.
http://www.hks.harvard.edu/fs/whogan/Gribik_Hogan_Pope_Price_Uplift_123107.pdf
DanielHuppmannandSaulehSiddiqui.Anexactsolutionmethodforbinaryequilibriumproblems
withcompensationandthepowermarketupliftproblem:DIWDiscussionPaper1475,2015.
http://diw.de/sixcms/detail.php?id=diw_01.c.502763.de
moreexamples&GAMScodesavailableathttp://danielhuppmann.github.io/binary_equilibrium/
SebastianJustandChristophWeber.Pricingofreserves:Valuingsystemreservecapacityagainst
spotpricesinelectricitymarkets.EnergyEconomics30(6):3198-3221,2008.
http://dx.doi.org/10.1016/j.eneco.2008.05.004
RichardP.O'Neill,PaulM.Sotkiewicz,BenjaminF.Hobbs,MichaelH.Rothkopf,and WilliamR.
StewartJr.Efficient market-clearingprices inmarkets with nonconvexities.EuropeanJournalof
OperationalResearch 164(1):269-285,2005.http://dx.doi.org/10.1016/j.ejor.2003.12.011
AndréOrtnerandChristophGraf.Multi-marketunit-commitmentandcapacityreservepricesin
systemswithalargeshareofhydropower:Acasestudy.
10th InternationalConferenceontheEuropeanEnergyMarket(EEM),2013.
http://dx.doi.org/10.1109/EEM.2013.6607336
JanRichter.Ontheinteractionbetweenproductmarketsandmarketsforproductioncapacity:The
caseoftheelectricityindustry:EWIWorkingPaper2011/09,2011.
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