Fossil fuel dependence and interfuel substitution in the electricity sector of Western European countries between 1990-2011

A Work Project, presented as part of the requirements for the Award of a Masters Degree in Economics from the NOVA – School of Business and Economics

Energy efficiency in energy policy: Empirical evidence of direct rebound effect in Portuguese household's demand for electricity

This project the direct rebound effect for the electricity demand in Portugal. While we find evidence of such an effect, the estimations also reflect the institutional arrangement that has characterized the electricity market in the country. Also, issues related to energy efficiency promotion are addressed in general putting into context the case study developed.

Stochastic optimal bid to electricity markets with environmental risk constraints

There are many factors that influence the day-ahead market bidding strategies of a generation company (GenCo) in the current energy market framework. Environmental policy issues have become more and more important for fossil-fuelled power plants and they have to be considered in their management, giving rise to emission limitations. This work allows to investigate the influence of both the allowances and emission reduction plan, and the incorporation of the derivatives medium-term commitments in the optimal generation bidding strategy to the day-ahead electricity market. Two different technologies have been considered: the coal thermal units, high-emission technology, and the combined cycle gas turbine units, low-emission technology. The Iberian Electricity Market and the Spanish National Emissions and Allocation Plans are the framework to deal with the environmental issues in the day-ahead market bidding strategies. To address emission limitations, some of the standard risk management methodologies developed for financial markets, such as Value-at-Risk (VaR) and Conditional Value-at-Risk (CVaR), have been extended. This study offers to electricity generation utilities a mathematical model to determinate the individual optimal generation bid to the wholesale electricity market, for each one of their generation units that maximizes the long-run profits of the utility abiding by the Iberian Electricity Market rules, the environmental restrictions set by the EU Emission Trading Scheme, as well as the restrictions set by the Spanish National Emissions Reduction Plan. The economic implications for a GenCo of including the environmental restrictions of these National Plans are analyzed and the most remarkable results will be presented.

Are agent-based simulations robust? The wholesale electricity trading case

Agent-based computational economics is becoming widely used in practice. This paperexplores the consistency of some of its standard techniques. We focus in particular on prevailingwholesale electricity trading simulation methods. We include different supply and demandrepresentations and propose the Experience-Weighted Attractions method to include severalbehavioural algorithms. We compare the results across assumptions and to economic theorypredictions. The match is good under best-response and reinforcement learning but not underfictitious play. The simulations perform well under flat and upward-slopping supply bidding,and also for plausible demand elasticity assumptions. Learning is influenced by the number ofbids per plant and the initial conditions. The overall conclusion is that agent-based simulationassumptions are far from innocuous. We link their performance to underlying features, andidentify those that are better suited to model wholesale electricity markets.

The evolution ofRussian power industry from monopoly to market operation

ei

Scenarios for electricity power sector development in the North-West of Russia

Focus of this thesisis made on development of electricity sector of Russian North-West. The objective was to determine the most likely scenarios for development of the most critical (western) part of Interregional Power System of North-West, from where the most part of Russian electricity exports to the countries of European Union take place. For this purpose all the involved sides were analyzed: generation, transmission system and electricity consumption in different regions of Russian North-West. The analysis was performed through investigation of existing generation andtransmission capacities and plans for their development to be performed by the generation and transmission companies operating in the region. Principles of Russian electricity sector restructuring and electricity market design are also discussed as well as factors that may influence on future electricity price in the region.

Regulation of Electricity Transmission and Distribution in Russia

The regulation of electricity transmission and distribution business is an essential issue for any electricity market; it is widely introduced in developed electricity markets of Great Britain, Scandinavian countries and United States of America and other. Those markets which were liberalized recently also need well planned regulation model to be chosen and implemented. In open electricity markets the sectors of electricity distribution and transmission remain monopolies, so called "natural monopolies", as introducing the competition into these sectors in most cases appears to be inefficient. Thatis why regulation becomes very important as its main tasks are: to set reasonable tariffs for customers, to ensure non-discriminating process of electricity transmission and distribution, at the same time to provide distribution companies with incentives to operate efficiently and the owners of the companies with reasonable profits as well; the problem of power quality should be solved at the same time. It should be mentioned also, that there is no incentive scheme which will be suitable for any conditions, that is why it is essential to study differentregulation models in order to form the best one for concrete situation. The aim of this Master's Thesis is to give an overview over theregulation of electricity transmission and distribution in Russia. First, the general information about theory of regulation of natural monopolies will be described; the situation in Russian network business and the importance of regulation process for it will be discussed next. Then there is a detailed description ofexisting regulatory system and the process of tariff calculation with an example. And finally, in the work there is a brief analysis of problems of present scheme of regulation, an attempt to predict the following development of regulationin Russia and the perspectives and risks connected to regulation which could face the companies that try to enter Russian electricity market (such as FORTUM OY).

Generation and interconnection capacity expansion in cross-border electricity markets : the need for policy coordination

Electricity is a strategic service in modern societies. Thus, it is extremely important for governments to be able to guarantee an affordable and reliable supply, which depends to a great extent on an adequate expansion of the generation and transmission capacities. Cross- border integration of electricity markets creates new challenges for the regulators, since the evolution of the market is now influenced by the characteristics and policies of neighbouring countries. There is still no agreement on why and how regions should integrate their electricity markets. The aim of this thesis is to improve the understanding of integrated electricity markets and how their behaviour depends on the prevailing characteristics of the national markets and the policies implemented in each country. We developed a simulation model to analyse under what circumstances integration is desirable. This model is used to study three cases of interconnection between two countries. Several policies regarding interconnection expansion and operation, combined with different generation capacity adequacy mechanisms, are evaluated. The thesis is composed of three papers. The first paper presents a detailed description of the model and an analysis of the case of Colombia and Ecuador. It shows that market coupling can bring important benefits, but the relative size of the countries can lead to import dependency issues in the smaller country. The second paper compares the case of Colombia and Ecuador with the case of Great Britain and France. These countries are significantly different in terms of electricity sources, hydro- storage capacity, complementarity and demand growth. We show that complementarity is essential in order to obtain benefits from integration, while higher demand growth and hydro- storage capacity can lead to counterintuitive outcomes, thus complicating policy design. In the third paper, an extended version of the model presented in the first paper is used to analyse the case of Finland and its interconnection with Russia. Different trading arrangements are considered. We conclude that unless interconnection capacity is expanded, the current trading arrangement, where a single trader owns the transmission rights and limits the flow during peak hours, is beneficial for Finland. In case of interconnection expansion, market coupling would be preferable. We also show that the costs of maintaining a strategic reserve in Finland are justified in order to limit import dependency, while still reaping the benefits of interconnection. In general, we conclude that electricity market integration can bring benefits if the right policies are implemented. However, a large interconnection capacity is only desirable if the countries exhibit significant complementarity and trust each other. The outcomes of policies aimed at guaranteeing security of supply at a national level can be quite counterintuitive due to the interactions between neighbouring countries and their effects on interconnection and generation investments. Thus, it is important for regulators to understand these interactions and coordinate their decisions in order to take advantage of the interconnection without putting security of supply at risk. But it must be taken into account that even when integration brings benefits to the region, some market participants lose and might try to hinder the integration process. -- Dans les sociétés modernes, l'électricité est un service stratégique. Il est donc extrêmement important pour les gouvernements de pouvoir garantir la sécurité d'approvisionnement à des prix abordables. Ceci dépend en grande mesure d'une expansion adéquate des capacités de génération et de transmission. L'intégration des marchés électriques pose des nouveaux défis pour les régulateurs, puisque l'évolution du marché est maintenant influencée par les caractéristiques et les politiques des pays voisins. Il n'est pas encore claire pourquoi ni comment les marches électriques devraient s'intégrer. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension des marchés intégrés d'électricité et de leur comportement en fonction des caractéristiques et politiques de chaque pays. Un modèle de simulation est proposé pour étudier les conditions dans lesquelles l'intégration est désirable. Ce modèle est utilisé pour étudier trois cas d'interconnexion entre deux pays. Plusieurs politiques concernant l'expansion et l'opération de l'interconnexion, combinées avec différents mécanismes de rémunération de la capacité, sont évalués. Cette thèse est compose de trois articles. Le premier présente une description détaillée du modèle et une analyse du cas de la Colombie et de l'Equateur. Il montre que le couplage de marchés peut amener des bénéfices importants ; cependant, la différence de taille entre pays peut créer des soucis de dépendance aux importations pour le pays le plus petit. Le second papier compare le cas de la Colombie et l'Equateur avec le cas de la Grande Bretagne et de la France. Ces pays sont très différents en termes de ressources, taille des réservoirs d'accumulation pour l'hydro, complémentarité et croissance de la demande. Nos résultats montrent que la complémentarité joue un rôle essentiel dans l'obtention des bénéfices potentiels de l'intégration, alors qu'un taux élevé de croissance de la demande, ainsi qu'une grande capacité de stockage, mènent à des résultats contre-intuitifs, ce qui complique les décisions des régulateurs. Dans le troisième article, une extension du modèle présenté dans le premier article est utilisée pour analyser le cas de la Finlande et de la Russie. Différentes règles pour les échanges internationaux d'électricité sont considérées. Nos résultats indiquent qu'à un faible niveau d'interconnexion, la situation actuelle, où un marchand unique possède les droits de transmission et limite le flux pendant les heures de pointe, est bénéfique pour la Finlande. Cependant, en cas d'expansion de la capacité d'interconnexion, «market coupling» est préférable. préférable. Dans tous les cas, la Finlande a intérêt à garder une réserve stratégique, car même si cette politique entraine des coûts, elle lui permet de profiter des avantages de l'intégration tout en limitant ca dépendance envers les importations. En général, nous concluons que si les politiques adéquates sont implémentées, l'intégration des marchés électriques peut amener des bénéfices. Cependant, une grande capacité d'interconnexion n'est désirable que si les pays ont une complémentarité importante et il existe une confiance mutuelle. Les résultats des politiques qui cherchent à préserver la sécurité d'approvisionnement au niveau national peuvent être très contre-intuitifs, étant données les interactions entre les pays voisins et leurs effets sur les investissements en génération et en interconnexion. Il est donc très important pour les régulateurs de comprendre ces interactions et de coordonner décisions à fin de pouvoir profiter de l'interconnexion sans mettre en danger la sécurité d'approvisionnement. Mais il faut être conscients que même quand l'intégration amène de bénéfices pour la région, certains participants au marché sont perdants et pourraient essayer de bloquer le processus d'intégration.

Short-term forecasting of power demand in the Nord Pool market

Sähkönkulutuksen lyhyen aikavälin ennustamista on tutkittu jo pitkään. Pohjoismaisien sähkömarkkinoiden vapautuminen on vaikuttanut sähkönkulutuksen ennustamiseen. Aluksi työssä perehdyttiin aiheeseen liittyvään kirjallisuuteen. Sähkönkulutuksen käyttäytymistä tutkittiin eri aikoina. Lämpötila tilastojen käyttökelpoisuutta arvioitiin sähkönkulutusennustetta ajatellen. Kulutus ennusteet tehtiin tunneittain ja ennustejaksona käytettiin yhtä viikkoa. Työssä tutkittiin sähkönkulutuksen- ja lämpötiladatan saatavuutta ja laatua Nord Poolin markkina-alueelta. Syötettävien tietojen ominaisuudet vaikuttavat tunnittaiseen sähkönkulutuksen ennustamiseen. Sähkönkulutuksen ennustamista varten mallinnettiin kaksi lähestymistapaa. Testattavina malleina käytettiin regressiomallia ja autoregressiivistä mallia (autoregressive model, ARX). Mallien parametrit estimoitiin pienimmän neliösumman menetelmällä. Tulokset osoittavat että kulutus- ja lämpötiladata on tarkastettava jälkikäteen koska reaaliaikaisen syötetietojen laatu on huonoa. Lämpötila vaikuttaa kulutukseen talvella, mutta se voidaan jättää huomiotta kesäkaudella. Regressiomalli on vakaampi kuin ARX malli. Regressiomallin virhetermi voidaan mallintaa aikasarjamallia hyväksikäyttäen.

Utilisation of Short Term Electricity Derivatives in Industrial Energy Management

Työn päätavoite on selvittää kuinka erityisesti sähkön markkinahinnan ennustamiseen ja johdannaismarkkinoiden tietämykseen perustuva lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntäminen tapahtuu teollisessa energianhallinnassa. Tätä aihetta lähestytään luomalla prosessi lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntämiselle. Prosessi esitellään ja selvitetään aina lähtökohdista todelliseen kaupankäyntiin asti erillisen esimerkkitehtaan avulla.Lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntäminen teollisessa energianhallinnassa perustuu pääosin tulevaisuuden odotuksiin sähkön markkinahinnan kehittymisestä sekä tehtaiden operatiiviseen tilanteeseen. Operatiiviseen tilanteeseen perustuva lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten kaupankäynti on pääasiassa pitkän tähtäimen suojausten sopeuttamista lyhyelle tähtäimelle sopivaksi.Hinnan ennustamisella on suuri rooli lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntämisprosessissa. Työssä esitelty hinnan ennustamismalli on sopiva päivä- ja viikkotason Nord Poolin Elspot -systeemihinnan ennustamiseen. Elspot -systeemihinnan ennustamismalli on suunniteltu käytännönläheiseksi ja sen perustana ovat todelliset fysikaaliset ja mitattavat suureet. Futuurimarkkinatietämys on tarpeen lyhyen tähtäimen johdannaisia käytettäessä. Työssä tutkitaan yleisiä markkinoiden odotuksia ja futuurimarkkinoiden tietoisuuden kehittymistä koskien tulevaa vallitsevaa tilannetta. Työssä luodaan myös työkalu, mikä auttaa kaupan laatijaa muodostamaan suuntaa-antavat todennäköisyydet eri hintanäkemyksille ja paikallistamaan mahdolliset markkinoiden epätodennäköiset hintaodotukset.Kokemukset Elspot -systeemihinnan ennustamismallin soveltamisesta ovat lupaavia. Lisäksi havainnot futuurimarkkinoiden käyttäytymisestä Nord Poolissa ja muodostettu työkalu suuntaa-antavien todennäköisyyksien selvittämiseksi auttavat kaupan laatijaa päätöksenteossa. Lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntäminen teollisessa energianhallinnassa on periaatteessa mahdollista esitellyn prosessin avulla, vaikka täydellinen käyttöönotto vaatisi vielä joitakin järjestelyjä. Keskittymällä tilanteisiin jotka työssä kuvatulla prosessilla ovat hoidettavissa, työssä määritellyllä menettelyllä on mahdollisuudet saavuttaa epäedullisen hintakehityksen riskin väheneminen ja parempi taloudellinen tulos teollisen energianhallinnan sähkökaupankäynnissä.

New Climate Change Related EC Directives and Their Interrelations to Green Electricity and Certificate Practices

Työn päätavoite on tutkia vihreän sähkön ja sertifikaattien kaupan ja EY:n uusien ilmastonmuutosta koskevien direktiivien ja direktiiviehdotusten välisiä yhteyksiä. Tutkimuksessa käsitellään direktiiviä sähköntuotannosta uusiutuvilla energialähteillä ja direktiiviehdotuksia Euroopan Unionin alueen päästökaupasta sekä yhdistetyn sähkön ja lämmön tuotannon lisäämisestä. Työ keskittyy erään suomalaisen metsäteollisuusyrityksen toimiin ilmastonmuutoksen hidastamiseksi. Tutkimus keskittyy pääosin EU:n suunnitelmaan aloittaa Unionin jäsenvaltioiden välinen päästökauppa, koska tämä järjestelmä tulee toteutuessaan olemaan teollisuuden kannalta merkittävä. Tilannetta on analysoitu neljän sellu- ja paperitehtaan hiilidioksidipäästölaskelmien avulla. Työssä kehitettyjä laskumalleja voidaan käyttää avuksi yhtiön muilla tehtailla. Tämän lisäksi työssä on luotu malli energiainvestointien arvioimiseksi tulevaisuudessa ottamalla päästöoikeuden hinnan vaikutus huomioon. Päästökaupan vaikutukset pohjoismaisilla vapautuneilla sähkömarkkinoilla on analysoity, koska teollinen sähkönhankinta on suuresti riippuvainen tästä markkinasta. Suomen metsäteollisuuden oma yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto erityisesti uusiutuvista energialähteistä tulee olemaan entistäkin tärkeämpää tiukentuvassa toimintaympäristössä. Tällä hetkellä on käynnissä kokeilu lisäarvon saamiseksi omalle sähköntuotannolle. Tällä haetaan kokemuksia ja valmiutta tulevaa päästökauppaa varten.

Comparison of electricity generation costs

The economical competitiveness of various power plant alternatives is compared. The comparison comprises merely electricity producing power plants. Combined heat and power (CHP) producing power will cover part of the future power deficit in Finland, but also condensing power plants for base load production will be needed. The following types of power plants are studied: nuclear power plant, combined cycle gas turbine plant, coal-fired condensing power plant, peat-fired condensing power plant, wood-fired condensing power plant and wind power plant. The calculations are carried out by using the annuity method with a real interest rate of 5 % per annum and with a fixed price level as of January 2008. With the annual peak load utilization time of 8000 hours (corresponding to a load factor of 91,3 %) the production costs would be for nuclear electricity 35,0 €/MWh, for gas based electricity 59,2 €/MWh and for coal based electricity 64,4 €/MWh, when using a price of 23 €/tonCO2 for the carbon dioxide emission trading. Without emission trading the production cost of gas electricity is 51,2 €/MWh and that of coal electricity 45,7 €/MWh and nuclear remains the same (35,0 €/MWh) In order to study the impact of changes in the input data, a sensitivity analysis has been carried out. It reveals that the advantage of the nuclear power is quite clear. E.g. the nuclear electricity is rather insensitive to the changes of nuclear fuel price, whereas for natural gas alternative the rising trend of gas price causes the greatest risk. Furthermore, increase of emission trading price improves the competitiveness of the nuclear alternative. The competitiveness and payback of the nuclear power investment is studied also as such by using various electricity market prices for determining the revenues generated by the investment. The profitability of the investment is excellent, if the market price of electricity is 50 €/MWh or more.

Markkinamekanismit sähkön tukkumarkkinoilla

Diplomityön tavoitteena on tehdä katsaus sähkömarkkinoiden integroitumiseen Euroopassa. Lisäksi keskeinen tavoite on löytää integraatiokehitystä ohjaavia tekijöitä, ja vertailla eri alueiden yhdistymiskehitystä. Markkinaintegraation taustalla on Euroopan Unionin tavoitteet luoda yhtenäiset sähkön sisämarkkinat. Aluksi kuitenkin luodaan alueelliset sähkömarkkinat, jotka yhdistetään yhteen myöhemmin. Työssä tarkastellaan Pohjoismaiden sähkömarkkinoita ja pörssitoimintaa. Tämän lisäksi paneudutaan Saksan, Ranskan, Hollannin ja Belgian sähkömarkkinoihin, sähköpörsseihin ja markkinaintegraatioprosesseihin. Näillä alueilla yhdistymisprosessit ovat edenneet kaikkein pisimmälle, joten ne ovat mielenkiintoisia tarkastelukohteita. Kutakin aluetta käsitellään sen omista lähtökohdista käsin ja lisäksi tehdään vertailu eri markkina-alueiden kehityksestä. Toinen näkökulma on tarkastella EU:n muiden alueiden (Iso-Britannia, Iberia, Italia ja Kreikka) sähkömarkkinoita ja integraatioprosesseja. Osassa näitä alueita on ollut ongelmia markkinoiden avaamisessa ja yhdistymiskehityksessä, joten näistä saadaan hyviä vertailukohtia. Merkittävä osa työtä on myös perehtyä erilaisiin hinnoittelumekanismeihin pörsseissä, ja siirtoverkon ruuhkaisuuden käsittelyyn liittyviin malleihin. Tässä yhteydessä esitellään myös yhdysvaltalaisia sähkömarkkinoita, ja siirtoverkon kapasiteetinjakomenetelmiä Euroopassa.

Modelling of North-West Russian market behavior considering technical restrictions of transmission grid

Nowadays the Finnish-Russian electric energy interaction is carried out through the back-to-back DC Vyborg substation and several power plants working synchronously with Finnish power system. Constant amount of energy flows in one direction — from Russia to Finland. But the process of electricity market development in Russian energy system makes the new possibilities of electrical cooperation available. The goal of master's thesis is to analyze the current state and possible evolution trends of North-West Russian system in relation with future possible change in power flow between Russia and Finland. The research is done by modelling the market of North-West Russia and examination of technical grid restrictions. The operational market models of North-West region of Russia for the years 2008 and 2015 were created during the research process. The description of prepared market models together with modelling results and their analysis are shown in the work. The description of power flow study process and results are also presented.

Ancillary services market and potential profit for generators in Russia

Reformation of electricity markets has initiated creation of ancillary services markets all over the world. The Russian electricity market reform is in transition period, that is why the problem of ancillary services market has just arisen. Since the model of market rules was created, ancillary services market became a topical question for generating companies. This master’s thesis is focused on the describing the possible ancillary services around the world and in Russia specifically. Moreover, the physical interpretation of ancillary services is defined. In addition, possibility of generation company to participate in the ancillary services market was considered. Calculations were made for primary frequency regulation service, where necessary level of price bids and payback period were evaluated.