market power in natural gas markets - ETH E

DISS. ETH NO. 22959
MARKET POWER IN NATURAL GAS MARKETS
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
TOBIAS BALTENSPERGER
MSc in Mechanical Engineering, ETH Zurich, Switzerland
born on 29.10.1987
citizen of Brütten ZH
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. John Lygeros (examiner)
Prof. Dr. Ruud Egging (co-examiner)
Prof. Dr. Rudolf Marcel Füchslin (co-examiner)
Dr. Pius Krütli (co-examiner)
2016
Summary
The gas markets of the European Union (EU) member states are rapidly developing towards
becoming a single European gas market. On one hand, the EU programmes for improving infrastructure and the legislative measures which are part of the third energy package are promoting
these changes; on the other hand, the development of the global gas markets largely favor the
EU’s aims of improving the consumers’ positions: major market trends, such as the ongoing shale
revolution in the USA, free up significant volumes of liquefied natural gas (LNG) for the EU markets, which increases the liquidity of the spot-markets and puts pressure on long-term contracts
to comply with these developments. Nevertheless, the European gas market is still considered an
oligopolistic market, since individual suppliers can exert significant market power.
A popular modeling approach for analyzing current and future market developments are spatial
partial equilibrium models with conjectural variations (CV). Thereby, each agent in each market is
assigned a behavioral parameter which determines its conjecture about the other agents’ behaviors.
An agent with behavioral parameter 0 believes that agents fully compensate changes in its own
output, which corresponds to price-taking behavior. An agent with 1 assumes that the outputs of
all rivals are fixed and thus it is able to manipulate prices by withholding some of its quantity, which
means it can exert market power; this corresponds to Cournot-behavior. The CV approach also
allows intermediate values (and also values larger than 1 under certain assumptions). However,
the behavioral parameter reflects a conjecture of the other agents’ behaviors, while in reality these
agents might behave completely differently. This is a theoretical inconsistency of the CV approach
and can lead to sub-optimal behavior of agents.
Despite this inconvenience, CV models are widely applied today. This is partly owed to the
fact that significant speed-ups in solving times were achieved due to the advances in computer
sciences in recent years. This changes the way a network of markets can be analyzed, since fewer
simplifications must be made in the name of computational tractability, and thus the accuracy of
the results is increased.
The contributions of this dissertation are based on a CV model, and deal with its mathematical
structure, the development of an efficient calibration procedure, and its application to the European
gas market in order to analyze future developments. The results are subdivided into three parts,
which have been submitted to peer-reviewed journals. Since the (co-)supervisors also participated
in the research and writing of the papers, I will refer to the corresponding authors with “we”.
The first publication assesses the fact that these models can produce multiple equilibria under
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the commonly used assumptions. To this end, a linear complementarity model is derived, and the
existence of a solution is proven. Furthermore, we find that the solution space is of polyhedral form
and propose a method of exploration, enabling the ambiguity introduced by the model formulation
to be assessed numerically for a specific instance of the model. We provide a numerical example
illustrating our theoretical findings, and showing that these ambiguities can be significant. In the
presented case, the largest obtained ambiguity in the sales of traders to certain markets was in
the magnitude of the consumption of a medium-size consumer.
However, since it might be preferable to obtain unique solutions, we further investigate the
reverse problem: can parameters leading to unique solutions be found, and if yes, do they still
have economic meaning? While we succeed for the sales of individual traders to consumers, the
most relevant of the non-unique variables, we cannot find reasonable economic arguments for
other non-unique variables.
In the second publication, we develop a calibration algorithm, which is able to take the information provided by supplier market shares into account, while at the same time maintaining the
behavioral parameters of the traders in the interval [0, 1]. Our algorithm comprises three steps.
First, we obtain the marginal costs per trader and market from an augmented version of the model.
Second, we find ranges of price elasticities and anchor prices which reproduce the reference situation for choices of the behavioral parameters in the interval [0, 1]. These ranges might not be
economically plausible; however, they indicate how the model parameters would need to be chosen
in order to achieve the desired outcome. Third, we choose economically plausible parameters as
close as possible to these ranges and compare the model outcome to reference values. If the
tolerances are not met, we alter the reference sales of the traders. Thereby, we evaluate which
reference shares conflict the most with economic plausibility and relax them accordingly.
For the example of the European gas market, the proposed algorithm terminates after 10 iterations, requiring less than one minute to solve on a personal computer. While there is certainly
room for improvements, particularly with respect to the update step, the algorithm in its current form is well suited for the calibration of CV models. Due to its few and mild underlying
assumptions, we believe that the algorithm can easily be expanded to similar settings beyond gas
markets.
In the final publication, we apply the developed CV model to the European gas market and
assess the development of consumption and prices, as well as consumer and producer surplus
up to 2022. A particular feature of the chosen setting is that the effects of every infrastructure
expansion planned for this period can be assessed separately. Thus, we are able to assess both
general trends, and country specific influences.
Our results indicate that wholesale prices generally decrease over the simulation horizon and
converge at Western European levels, while consumer surplus increases by 15.9 % on average
in the EU. The steep fall of prices, particularly in the Baltic countries and Finland, is a direct
consequence of the infrastructure expansions in this region, which give these countries access
iv
to Western European markets and therefore reduce their dependency on Russian gas and their
exposure to market power exertion.
We further find that particularly the Southern Corridor, which is planned to connect Azeri gas
fields to the EU markets via pipeline in 2019, benefits all EU countries, be it via an increase of
additional available gas volumes (e.g. Greece), or through substitution effects via price propagation
through the markets; for instance, Greece and Italy import less LNG, which leads to lower LNG
prices, from which Spain and other LNG importers benefit.
A rather surprising result is that numerous projects are planned which only have a marginal
effect on the market, assuming that it is fully functioning. A prominent example is the recently
announced “Turkish Stream”, which is planned to bring Russian gas via the Black Sea and Turkey
to the EU border. Due to the lack of sufficient infrastructure within the EU borders, and because
existing pipelines through the Ukraine are much more cost-efficient, our model predicts that
Turkish Stream will not benefit consumers in the EU. However, these infrastructure elements
have to be assessed for disturbed market situations, such as a shutdown of the Ukrainian network,
in order to better understand their potential benefits.
Finally, we conclude that the physical integration of the EU markets is largely completed by
2019 if all the planned infrastructures are realized, and thus, provided the necessary legislation is
in place, the potential of large producers to exert market power will significantly be diminished.
This dissertation demonstrates the capabilities of CV models in practice, and develops tools
that enable swift calibration. On one hand, future work should be dedicated to improving these
tools to make CV models even more convenient to apply to real data sets and use for case studies.
On the other hand, the CV approach itself is inconsistent, which naturally pushes researchers
to move beyond the world of single-level models to more complex (but economically consistent) multi-level approaches. Unfortunately, large difficulties arise: the simplest exponent, the
Stackelberg oligopoly, can only be represented by a Mathematical Program with Equilibrium Constraints (MPEC), which is non-convex and thus much harder to mathematically tackle. As we
do not expect immediate advancements in MPEC solving techniques, the parallel development of
these model types is inevitable.
v
Zusammenfassung
Die Gasmärkte der Europäischen Staaten entwickeln sich zunehmenden zu einem einheitlichen
Markt. Dies resultiert einerseits aus den EU Förderprogrammen zur Verbesserung der Gasinfrastruktur und den Beschlüssen zur weiteren Liberalisierung (Stichwort: drittes Energiepacket). Andererseits wird die Marktliberalisierung begünstigt durch die überlagerten globalen Markttrends,
wie beispielsweise dem Schiefergasboom in den USA, der eine Umverteilung von Flüssiggas in die
anderen Weltregionen zu Folge hat. Die Liquidität von Spotmärkten bleibt daher auf absehbare
Zeit hoch, und der Druck für Preissenkungen langfristiger Rahmenverträge wird grösser, was sich
wiederum positiv für die EU Konsumenten auswirkt. Nichts desto trotz entspricht der heutige
Zustand des europäischen Gasmarkts mehr einem Oligopol als einem perfekten Markt, da einzelne
Gasproduzenten eine grosse Marktmacht auf die Verbraucher ausüben können.
Zur Analyse und für Prognosezwecke werden oftmals partielle Gleichgewichtsmodelle zur Abbildung von Märkten herangezogen. Für Oligopole im Spezifischen existiert der “conjectural variations” (CV) Ansatz, bei dem jedem Agenten in jedem Markt ein “Verhaltensparameter” zugewiesen
wird. Dabei entspricht der Wert 0 dem Verhalten eines Preisnehmers (Bertrand-Verhalten). Ein
Händler mit Verhaltensparameter 1 hingegen nimmt an, dass die anderen Agenten nicht auf Änderungen im eigenen Verhalten reagieren (Cournot-Verhalten). Dies impliziert, dass diese Agenten
Einfluss auf den Preis haben und daher Marktmacht auf die Konsumenten ausüben können. Der
CV Ansatz lässt dabei auch Annahmen zwischen 0 und 1 (in gewissen Fällen auch grösser als
1) zu um reale Marktsituationen besser abbilden zu können. Der Verhaltensparameter reflektiert
jedoch nur die Vermutung des Agenten bzgl. des Verhaltens der anderen Agenten, nicht jedoch
das tatsächliche Verhalten. Dies stellt eine theoretische Inkonsistenz des Ansatzes dar und kann
zu kuriosen Ergebnissen führen.
Besagter Ansatz, trotz genannter Schwächen, wird heute von vielen Forschern zur Abbildung
realer komplexer Zusammenhänge verwendet. Weil sich die Rechenzeiten in den letzten Jahren
stark verkürzt haben, lassen sich vermehrt aufwändigere Berechnungen durchführen. Die Erforschung von komplexeren Marktzusammenhängen und –mechanismen ist gezielter und genauer
möglich, da in der Modellbildung weniger Vereinfachungen angenommen werden müssen.
Die Beiträge dieser Dissertation basieren auf einem CV Modell und umfassen eine Untersuchung der mathematischen Struktur, die Entwicklung einer Methode zur Kalibrierung sowie die
Analyse möglicher zukünftiger Entwicklungen des europäischen Gasmarkts. Die Ergebnisse dieser
Dissertation sind demzufolge in drei Teile unterteilt, welche sich zur Zeit im Peer-Reviewprozess
vii
wissenschaftlicher Journals befinden. Da sich die (Co-)Betreuer ebenfalls an der Forschung und
am Schreibprozess dieser Publikationen beteiligt haben, wird gegebenenfalls mit der Verwendung
von “wir” anstelle von “ich” auf ihre Beteiligung verweisen.
Die erste Studie setzt sich damit auseinander, dass bei einem Gleichgewichtsmodell unter den
üblichen Annahmen keine oder mehrere Gleichgewichtslösungen resultieren können. In einem ersten Schritt wird ein lineares Gleichgewichtsmodell hergeleitet und bewiesen, dass dieses mindestens
eine Lösung besitzt. Des Weiteren wird gezeigt, dass der Raum aller Lösungen ein Polyhedron ist,
und eine Methode vorgestellt, wie die Uneindeutigkeit des Lösungsraums numerisch erfasst werden kann. Anhand eines numerischen Beispiels werden die theoretischen Ergebnisse illustriert und
gezeigt, dass diese Uneindeutigkeit signifikant sein kann. In besagtem Beispiel war die Uneindeutigkeit bzgl. den Verkäufen von Händlern auf spezifischen Märkten in der Grössenordnung des
Jahreskonsums eines mittelgrossen Konsumenten.
Anschliessend wird die Fragestellungen beantwortet, ob und inwiefern die Modellparameter so
verändert werden können, dass die vom Gleichgewichtsmodell erzeugten Lösungen eindeutig sind.
Die Relevanz möglicher eindeutiger Lösungen werden danach in einem ökonomischen Zusammenhang gedeutet; Eine eindeutige Lösung kann für die bedeutendsten Parameter des Modells, die
Verkäufe von Händlern auf spezifischen Märkten, durch geeignete Parameterwahl erreicht werden.
Für die restlichen uneindeutigen Variablen ist dies jedoch nicht der Fall.
In der zweiten Studie wird ein Kalibrierungsalgorithmus entwickelt, welcher vorliegende reale Informationen über Marktanteile der Händler am europäischen Gasmarkt berücksichtigt, und
gleichzeitig die Verhaltensparameter der Händler auf das Intervall [0,1] begrenzt. Der Algorithmus ist in drei Schritte gegliedert. Erstens werden durch das Lösen eines erweiterten Modells die
Grenzkosten eines jeden Händlers in jedem Markt berechnet. Zweitens werden Intervalle für die
Preiselastizität und den Ankerpreis berechnet, für die das Modell die Referenzsituation erzeugen
kann, während gleichzeitig die Verhaltensparameter innerhalb des Intervalls [0,1] gewählt werden.
Aus ökonomischer Sicht mögen die dadurch identifizierten zulässige Bereich nicht zwingendermassen plausibel sein, jedoch weisen sie die Richtung in welche besagte Parameter verändert werden
müssten um die Referenzsituation zu erreichen. Drittens werden für die Preiselastizität und den
Ankerpreis ökonomisch plausible Werte, welche möglichst nah an den zuvor bestimmten Intervallen
liegen, identifiziert und die Modelllösung berechnet. Falls die damit berechnete Modellösung bestimmte Toleranzen überschreitet, werden diejenigen Referenz-Marktanteile, die ökonomisch nicht
plausibel erklärbar sind, manipuliert.
Für die Kalibrierung des Modells des Europäischen Gasmarkts benötigt der Algorithmus 10 Iterationen, was einer totalen Laufzeit von unter einer Minute auf einem Desktop Computer entspricht.
Obwohl sicherlich Verbesserungen insbesondere bei der Manipulation der Referenz-Marktanteile
erreicht werden können, ist der Algorithmus in seiner heutigen Form sehr gut geeignet um CV
Modelle zu kalibrieren. Der Algorithmus beruht zudem nur auf wenigen, gängigen Annahmen,
weshalb er einfach auf CV Modelle in anderen Anwendungsbereichen übertragen werden kann.
viii
In der dritten Publikation werden anhand des entwickelten Modells die Konsum- und Preisentwicklungen, sowie die Konsumenten- und Produzentenrente des europäischen Gasmarktes bis zum
Jahr 2022 untersucht. Die vorliegende Simulation ist insofern einzigartig, als dass sie die Auswirkungen aller geplanten Infrastrukturausbauten individuell ausweist. Dies ermöglicht ausser der
Analyse der europäischen Gesamttrends eine detaillierte Analyse einzelner Länder und Regionen.
Die Resultate zeigen, dass die Preise EU-weit auf das Niveau Westeuropas sinken, und die Konsumentenrente im EU-Schnitt um 15.9 % zunimmt. Die massiven Preissenkungen des Gaspreises,
insbesondere in den Baltischen Staaten und Finnland, sind direkt auf die Infrastrukturerweiterungen in dieser Region zurückzuführen, da diese den Zugang dieser Staaten zu den westeuropäischen
Märkten ermöglichen. Die Abhängigkeit von russischem Gas der Baltischen Staaten und Finnland
wird dadurch reduziert, und diese Länder sind weniger der russischen Marktmacht ausgesetzt.
Des Weiteren wird festgestellt, dass alle EU Staaten vom “Southern Corridor” profitieren, welcher ab 2019 aserbaidschanisches Gas per Pipeline in die EU transportieren wird; entweder weil
dieses Gas direkt im Markt verfügbar ist, wie beispielsweise für Griechenland, oder aufgrund eines Substitutionseffekts; Griechenland und Italien müssen weniger Flüssiggas importieren, was zu
tieferen Flüssiggaspreisen führt. Als Konsequenz werden grössere Flüssiggasvolumen von anderen
Importeuren, wie z.B. Spanien, importiert.
Ein weiteres eher überraschendes Resultat ist, dass etliche geplante Projekte kaum Einfluss auf
den Markt in ungestörtem Zustand haben. Ein prominentes Beispiel ist die kürzlich vorgestellte
“Turkish Stream” Pipeline, welche russisches Gas via Schwarzes Meer und der Türkei in die EU
bringen soll. Da jedoch die Infrastruktur fehlt um die gelieferten Volumen an der EU Grenze aufzunehmen, und weil die existierenden Pipelines durch die Ukraine eine kostengünstigere Alternative
darstellen, werden die EU Konsumenten von dieser Investition nicht profitieren. Allerdings sollten
diese Infrastrukturprojekte in einer zukünftigen Studie einer gestörten Marktsituation, wie etwa einem Totalausfall des Ukrainischen Pipelinenetzwerkes, analysiert werden, um die Wirkung solcher
Projekte besser zu verstehen.
Zuletzt stellen wir fest, dass die Integration der EU Gasmärkte im Jahr 2019 abgeschlossen sein
wird, sofern alle geplanten Projekte bis dahin auch umgesetzt sind. Falls im gleichen Zeitraum die
entsprechenden Massnahmen auf regulatorischer Ebene vollzogen werden, kann die Marktmacht
der grossen Player signifikant reduziert werden.
Die vorliegende Dissertation zeigt anhand des Fallbeispiels “Europäischer Gasmarkt” die Möglichkeiten von CV Modellen auf, und entwickelt Werkzeuge für die Kalibrierung. Einerseits sollten
diese Werkzeuge in zukünftiger Forschung weiterentwickelt werden um die Anwendung von CV
weiter zu erleichtern.
Andererseits ist der gewählte CV Ansatz inkonsistent, was Forscher dazu zwingt alternative
Modelle mit mehrstufigen Entscheidungsprozessen zu entwickeln. Leider kann aber bereits das
einfachste mehrstufige Problem, das Stackelberg-Oligopol, nicht mehr als konvexes Problem, sondern nur in der Form eines Mathematischen Problems mit Gleichgewichtsbedingungen (MPEC)
ix
formuliert werden. Da dies die Skalierung mehrstufiger Modelle stark einschränkt, und zurzeit keine alternativen Lösungsansätze erkennbar sind, wird in naher Zukunft eine parallele Entwicklung
ein- und mehrstufiger Modelle unumgänglich sein.
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