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 iii 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. x
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