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.

Studies on some nonlinear optical phenomena-optical phase conjugation and continuous wave second harmonic generation

Nonlinear optics has emerged as a new area of physics , following the development of various types of lasers. A number of advancements , both theoretical and experimental . have been made in the past two decades . by scientists al1 over the world. However , onl y few scientists have attempted to study the experimental aspects of nonlinear optical phenomena i n I ndian laboratories. This thesis is the report of an attempt made in this direction. The thesis contains the details of the several investigations which the author has carried out in the past few years, on optical phase conjugation (OPC) and continuous wave CCVD second harmonic generation CSHG). OPC is a new branch of nonlinear optics, developed only in the past decade. The author has done a few experiments on low power OPC in dye molecules held in solid matrices, by making use of a degenerate four wave mixing CDFWND scheme. These samples have been characterised by studies on their absorption-spectra. fluorescence spectra. triplet lifetimes and saturation intensities. Phase conjugation efficiencies with r espect to the various parameters have been i nvesti gated . DFWM scheme was also employed i n achievi ng phase conjugation of a br oadband laser C Nd: G1ass 3 using a dye solution as the nonlinear medium.

Smart electricity networks based on large integration of renewable sources and distributed generation

Das Grünbuch 2006 der Europäischen Kommission "Eine Europäische Strategie für nachhaltige, wettbewerbsfähige und sichere Energie" unterstreicht, dass Europa in ein neues Energie-Zeitalter eingetreten ist. Die vorrangigen Ziele europäischer Energiepolitik müssen Nachhaltigkeit, Wettbewerbsfähigkeit und Versorgungssicherheit sein, wobei sie eine zusammenhängende und logische Menge von Taktiken und Maßnahmen benötigt, um diese Ziele zu erreichen. Die Strommärkte und Verbundnetze Europas bilden das Kernstück unseres Energiesystems und müssen sich weiterentwickeln, um den neuen Anforderungen zu entsprechen. Die europäischen Stromnetze haben die lebenswichtigen Verbindungen zwischen Stromproduzenten und Verbrauchern mit großem Erfolg seit vielen Jahrzehnten gesichert. Die grundlegende Struktur dieser Netze ist entwickelt worden, um die Bedürfnisse großer, überwiegend auf Kohle aufgebauten Herstellungstechnologien zu befriedigen, die sich entfernt von den Verbraucherzentren befinden. Die Energieprobleme, denen Europa jetzt gegenübersteht, ändern die Stromerzeugungslandschaft in zwei Gesichtspunkten: die Notwendigkeit für saubere Kraftwerkstechnologien verbunden mit erheblich verbesserten Wirkungsgraden auf der Verbraucherseite wird es Kunden ermöglichen, mit den Netzen viel interaktiver zu arbeiten; andererseits müssen die zukünftigen europaweiten Stromnetze allen Verbrauchern eine höchst zuverlässige, preiswerte Energiezufuhr bereitstellen, wobei sowohl die Nutzung von großen zentralisierten Kraftwerken als auch kleineren lokalen Energiequellen überall in Europa ausgeschöpft werden müssen. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Informationen, die in dieser Arbeit dargestellt werden, auf aktuellen Fragen mit großem Einfluss auf die gegenwärtigen technischen und wirtschaftspolitischen Diskussionen basieren. Der Autor hat während der letzten Jahre viele der hier vorgestellten Schlussfolgerungen und Empfehlungen mit Vertretern der Kraftwerksindustrie, Betreibern von Stromnetzen und Versorgungsbetrieben, Forschungsgremien und den Regulierungsstellen diskutiert. Die folgenden Absätze fassen die Hauptergebnisse zusammen: Diese Arbeit definiert das neue Konzept, das auf mehr verbraucherorientierten Netzen basiert, und untersucht die Notwendigkeiten sowie die Vorteile und die Hindernisse für den Übergang auf ein mögliches neues Modell für Europa: die intelligenten Stromnetze basierend auf starker Integration erneuerbarer Quellen und lokalen Kleinkraftwerken. Das neue Modell wird als eine grundlegende Änderung dargestellt, die sich deutlich auf Netzentwurf und -steuerung auswirken wird. Sie fordert ein europäisches Stromnetz mit den folgenden Merkmalen: – Flexibel: es erfüllt die Bedürfnisse der Kunden, indem es auf Änderungen und neue Forderungen eingehen kann – Zugänglich: es gestattet den Verbindungszugang aller Netzbenutzer besonders für erneuerbare Energiequellen und lokale Stromerzeugung mit hohem Wirkungsgrad sowie ohne oder mit niedrigen Kohlendioxidemissionen – Zuverlässig: es verbessert und garantiert die Sicherheit und Qualität der Versorgung mit den Forderungen des digitalen Zeitalters mit Reaktionsmöglichkeiten gegen Gefahren und Unsicherheiten – Wirtschaftlich: es garantiert höchste Wirtschaftlichkeit durch Innovation, effizientes Energiemanagement und liefert „gleiche Ausgangsbedingungen“ für Wettbewerb und Regulierung. Es beinhaltet die neuesten Technologien, um Erfolg zu gewährleisten, während es die Flexibilität behält, sich an weitere Entwicklungen anzupassen und fordert daher ein zuversichtliches Programm für Forschung, Entwicklung und Demonstration, das einen Kurs im Hinblick auf ein Stromversorgungsnetz entwirft, welches die Bedürfnisse der Zukunft Europas befriedigt: – Netztechnologien, die die Stromübertragung verbessern und Energieverluste verringern, werden die Effizienz der Versorgung erhöhen, während neue Leistungselektronik die Versorgungsqualität verbessern wird. Es wird ein Werkzeugkasten erprobter technischer Lösungen geschaffen werden, der schnell und wirtschaftlich eingesetzt werden kann, so dass bestehende Netze Stromeinleitungen von allen Energieressourcen aufnehmen können. – Fortschritte bei Simulationsprogrammen wird die Einführung innovativer Technologien in die praktische Anwendung zum Vorteil sowohl der Kunden als auch der Versorger stark unterstützen. Sie werden das erfolgreiche Anpassen neuer und alter Ausführungen der Netzkomponenten gewährleisten, um die Funktion von Automatisierungs- und Regelungsanordnungen zu garantieren. – Harmonisierung der ordnungspolitischen und kommerziellen Rahmen in Europa, um grenzüberschreitenden Handel von sowohl Energie als auch Netzdienstleistungen zu erleichtern; damit muss eine Vielzahl von Einsatzsituationen gewährleistet werden. Gemeinsame technische Normen und Protokolle müssen eingeführt werden, um offenen Zugang zu gewährleisten und den Einsatz der Ausrüstung eines jeden Herstellers zu ermöglichen. – Entwicklungen in Nachrichtentechnik, Mess- und Handelssystemen werden auf allen Ebenen neue Möglichkeiten eröffnen, auf Grund von Signalen des Marktes frühzeitig technische und kommerzielle Wirkungsgrade zu verbessern. Es wird Unternehmen ermöglichen, innovative Dienstvereinbarungen zu benutzen, um ihre Effizienz zu verbessern und ihre Angebote an Kunden zu vergrößern. Schließlich muss betont werden, dass für einen erfolgreichen Übergang zu einem zukünftigen nachhaltigen Energiesystem alle relevanten Beteiligten involviert werden müssen.

Wind generation's contribution to supporting peak electricity demand: meteorological insights

Wind generation’s contribution to meeting extreme peaks in electricity demand is a key concern for the integration of wind power. In Great Britain (GB), robustly assessing this contribution directly from power system data (i.e. metered wind-supply and electricity demand) is difficult as extreme peaks occur infrequently (by definition) and measurement records are both short and inhomogeneous. Atmospheric circulation-typing combined with meteorological reanalysis data is proposed as a means to address some of these difficulties, motivated by a case study of the extreme peak demand events in January 2010. A preliminary investigation of the physical and statistical properties of these circulation types suggests that they can be used to identify the conditions that are most likely to be associated with extreme peak demand events. Three broad cases are highlighted as requiring further investigation. The high-over-Britain anticyclone is found to be generally associated with very low winds but relatively moderate temperatures (and therefore moderate peak demands, somewhat in contrast to the classic low-wind cold snap that is sometimes apparent in the literature). In contrast, both longitudinally extended blocking over Scotland/Scandinavia and latitudinally extended troughs over western Europe appear to be more closely linked to the very cold GB temperatures (usually associated with extreme peak demands). In both of these latter situations, wind resource averaged across GB appears to be more moderate.

Root growth models: towards a new generation of continuous approaches

Models of root system growth emerged in the early 1970s, and were based on mathematical representations of root length distribution in soil. The last decade has seen the development of more complex architectural models and the use of computer-intensive approaches to study developmental and environmental processes in greater detail. There is a pressing need for predictive technologies that can integrate root system knowledge, scaling from molecular to ensembles of plants. This paper makes the case for more widespread use of simpler models of root systems based on continuous descriptions of their structure. A new theoretical framework is presented that describes the dynamics of root density distributions as a function of individual root developmental parameters such as rates of lateral root initiation, elongation, mortality, and gravitropsm. The simulations resulting from such equations can be performed most efficiently in discretized domains that deform as a result of growth, and that can be used to model the growth of many interacting root systems. The modelling principles described help to bridge the gap between continuum and architectural approaches, and enhance our understanding of the spatial development of root systems. Our simulations suggest that root systems develop in travelling wave patterns of meristems, revealing order in otherwise spatially complex and heterogeneous systems. Such knowledge should assist physiologists and geneticists to appreciate how meristem dynamics contribute to the pattern of growth and functioning of root systems in the field.

Frequency tunable continuous THz wave generation in a periodically poled fiber

An all-fiber approach to terahertz generation using a periodically poled optical fiber is proposed and experimentally demonstrated. In the proposed approach, a continuous-wave THz wave is generated at a periodically poled fiber by beating two optical wavelengths from two laser sources with the wavelength spacing corresponding to the frequency of the THz wave. The key component in the system is the periodically poled fiber, which is made by a twin-hole fiber with the fiber core residing between two holes. The twin-hole fiber is then thermally poled at a temperature of similar to 260 degrees C with a voltage of 3.3 kV applied to the silver electrodes inside the two holes to introduce second-order nonlinearity. The quasi phase matching (QPM) condition is achieved by periodically erasing the thermal poling induced second-order nonlinearity with an ultraviolet laser, which enhances the energy conversion efficiency. The proposed approach is validated by an experiment. The emission of a THz wave centered at 3.8 THz with an output power of 0.5 mu W is observed. The frequency tunability between 2.2 and 3.8 THz is also experimentally demonstrated.

Proton magnetic resonance with parahydrogen induced polarization : Imaging strategies and continuous generation

A major challenge in imaging is the detection of small amounts of molecules of interest. In the case of magnetic resonance imaging (MRI) their signals are typically concealed by the large background signal of e.g. the tissue of the body. This problem can be tackled by hyperpolarization which increases the NMR signals up to several orders of magnitude. However, this strategy is limited for 1H, the most widely used nucleus in NMR andrnMRI, because the enormous number of protons in the body screen the small amount of hyperpolarized ones.Here, I describe a method giving rise to high 1H MRI contrast for hyperpolarized molecules against a large background signal. The contrast is based on the J-coupling induced rephasing of the NMR signal of molecules hyperpolarized via parahydrogen induce polarization (PHIP) and it can easily be implemented in common pulse sequences.rnrnHyperpolarization methods typically require expensive technical equipment (e.g. lasers or microwaves) and most techniques work only in batch mode, thus the limited lifetime of the hyperpolarization is limiting its applications. Therefore, the second part of my thesis deals with the simple and efficient generation of an hyperpolarization.These two achievements open up alternative opportunities to use the standard MRI nucleus 1H for e.g. metabolic imaging in the future.

Continuous-variable Einstein-Podolsky-Rosen paradox with traveling-wave second-harmonic generation

The Einstein-Podolsky-Rosen paradox and quantum entanglement are at the heart of quantum mechanics. Here we show that single-pass traveling-wave second-harmonic generation can be used to demonstrate both entanglement and the paradox with continuous variables that are analogous to the position and momentum of the original proposal.

A new methodology for generation investment in the national electricity market of Australia

Market administrators hold the vital role of maintaining sufficient generation capacity in their respective electricity market. However without the jurisdiction to dictate the generator types, locations and timing of new generation, the reliability of the system may be compromised by delayed entry of new generation. This paper illustrates a new generation investment methodology that can effectively present expected returns from the pool market; while concurrently searching for the type and placement of a new generator to fulfil system reliability requirements.

Probabilistic cost benefit analysis of generation investment in a deregulated electricity market

A new methodology is proposed for the analysis of generation capacity investment in a deregulated market environment. This methodology proposes to make the investment appraisal using a probabilistic framework. The probabilistic production simulation (PPC) algorithm is used to compute the expected energy generated, taking into account system load variations and plant forced outage rates, while the Monte Carlo approach has been applied to model the electricity price variability seen in a realistic network. The model is able to capture the price and hence the profitability uncertainties for generator companies. Seasonal variation in the electricity prices and the system demand are independently modeled. The method is validated on IEEE RTS system, augmented with realistic market and plant data, by using it to compare the financial viability of several generator investments applying either conventional or directly connected generator (powerformer) technologies. The significance of the results is assessed using several financial risk measures.

Drága-e a megújuló? – A hazai megújuló villamosenergia-termelés hatása a villamos energia árára (Is the renewable energy expensive? – Impact of the Hungarian renewable based power generation on electricity price)

A tanulmány arra keresi a választ, hogy a megújuló alapú áramtermelők támogatása csökkentőleg hathat- e a villamos energia nagykereskedelmi és kiskereskedelmi árára. Ez utóbbi tartalmazza a megújulók támogatásának összegét is. Számos elméleti cikk rámutatott arra, hogy nemcsak a nagykereskedelmi árak, hanem a kiskereskedelmi villamosenergia-árak is csökkenhetnek a drágább, megújuló alapú áramtermelők támogatása révén. A tanulmány során egy villamosenergia-piacokat szimuláló modell segítségével modellezi a szerző, hogy a különböző mennyiségű szélerőművi és fotovoltaikus kapacitás támogatása hogyan hat a magyarországi nagykereskedelmi és kiskereskedelmi árakra. _____ Impact of the Hungarian renewable based power generation on electricity price The aim of this paper is to answer the question whether the support of renewable power generation could decrease the wholesale and retail electricity prices. The latter one includes the support of renewables. Several studies point out that not only the wholesale, but the retail electricity prices could decrease when supporting the more expensive, renewable power generation. A model, which simulates the electricity markets, is used in order to analyse the impact of different level of wind and photo voltaic power generator support fee on Hungarian wholesale and retail electricity prices.

Application of Volterra Equations to Solve Unit Commitment Problem of Optimised Energy Storage and Generation

Development of reliable methods for optimised energy storage and generation is one of the most imminent challenges in modern power systems. In this paper an adaptive approach to load leveling problem using novel dynamic models based on the Volterra integral equations of the first kind with piecewise continuous kernels. These integral equations efficiently solve such inverse problem taking into account both the time dependent efficiencies and the availability of generation/storage of each energy storage technology. In this analysis a direct numerical method is employed to find the least-cost dispatch of available storages. The proposed collocation type numerical method has second order accuracy and enjoys self-regularization properties, which is associated with confidence levels of system demand. This adaptive approach is suitable for energy storage optimisation in real time. The efficiency of the proposed methodology is demonstrated on the Single Electricity Market of Republic of Ireland and Northern Ireland.