Sähkökaupan riskit ja riskienhallinta

Diplomityön tavoitteena on luoda kokonaisvaltainen kuva sähkökaupassa esiintyvistä riskeistä ja niiden analysointi- sekä hallintamenetelmistä. Toinen päätavoitteista on lisätä ymmärrystä markkinoiden erikoispiirteistä, kuten siirtokapasiteettirajoituksista, kysynnän hintajouston puutteesta ja markkinoiden keskittyneisyydestä, sekä arvioida niiden merkitystä sähkökaupan riskienhallinnan näkökulmasta. Markkinoiden erikoispiirteet ja sähkön tuotantoon ja kulutukseen vaikuttavat fundamentaaliset tekijät aiheuttavat suuria muutoksia pörssisähkön hintatasossa. Sähkön volatiliteetti yhdessä useiden muiden riskitekijöiden kanssa aiheuttaa sähkökaupantoimijoille todellisen tarpeen riskienhallinnalle. Sähkökauppa tarjoaa haasteellisen toimintaympäristön riskienhallinnan näkökulmasta. Sähkökaupassa esiintyvien riskien täydellinen hallitseminen on miltei mahdoton tehtävä, mutta sähkökaupan toimintaympäristön tunteminen ja järjestelmällisesti toteutettu riskienhallinta luovat hyvät edellytykset menestyksekkäälle toiminnalle sähkökaupassa. Diplomityössä käsitellään sähkökaupassa esiintyviä riskejä ja niidensyntyyn vaikuttavia tekijöitä. Näiden asioiden ymmärtäminen luo pohjan sähkökaupan onnistuneelle riskienhallinnalle. Työssä käydään myös läpi yleisimmät sähkökaupassa käytetyt riskianalyysin menetelmät. Diplomityössä esitellään sähköpörssin tarjoamat johdannaistuotteet ja havainnollistetaan niiden käyttöä osana sähkökaupan riskienhallintaa. Työn lopussa käsitellään profiiliriskin muodostumista jasen vaikutuksia sähkön hankintakustannuksiin.

Sähkösalkun tuotteistaminen ja salkunhallinnan menestyksen seuranta

Sähkömarkkinoiden vapautumisen ja pörssimuotoisen kaupankäynnin myötäyhä useampi toimija on siirtynyt perinteisistä kiinteähintaisista sopimuksista salkkumuotoiseen sähkönhankintaan. Aktiivisen salkunhallinnan myötä kanava markkinoille pysyy jatkuvasti avoimena ja ostopäätös voidaan jakaa pidemmälle ajanjaksolle, jolloin riippuvaisuus vain yhden hetken hintatasosta pienenee. Sähkön hankintahinnan suojaamiseen käytettävien finanssituotteiden määrä pörssissä ja OTC-markkinalla on kasvanut viime vuosina merkittävästi. Tämän seurauksena myös käytettävien instrumenttien valinta ja perustelu asiakkaalle vaatii entistä tarkempaa huomiota. Työssä käsiteltävän tuotteistuksen tavoitteena oli luoda salkunhallinnan perustapauksille yksinkertaiset rungot, joita voidaan täydentää erilaisillalisäominaisuuksilla. Tuotteistuksella pyritään myös selkeyttämään asiakkaalle muodostuvaa mielikuvaa tarjolla olevista vaihtoehdoista sekä edesauttamaan markkinointia. Diplomityön toisena tavoitteena oli kehittää salkunhallinnan menestyksen seurantaa varten mittarit, joiden avulla sekä asiakas että salkunhoitaja pystyvät seuraamaan salkunhallinnan onnistumista. Mittarit toteutettiin Excel-ympäristössä ja testattavat salkut koostuivat pääasiassa lopullisista tuotteistettaviksi valituista salkuista. Työn pohjalta on määrä toteuttaa olemassa olevan internet-pohjaisen salkunhallintapalvelun osaksi sovellus, joka mahdollistaa salkunhallinnan menestyksen jatkuvan seurannan.

Sähkökaupan riskienhallinta

Tämän diplomityön tavoitteena on määrittää kuinka sähkökaupan riskienhallinta kehitetään ja toteutetaan käytännössä. Sähkömarkkinoiden viime vuosien muutosten takia energiayhtiöiden sähkökaupan riskienhallinnasta on tullut yhä tärkeämpi työkalu yritysten liiketoiminnan kannattavuuden kannalta. Tämän vuoksi tässä diplomityössä on tarkasteltu sähkökauppaan liittyviä riskejä. Liiketoiminnan kannattavuuteen vaikuttavista riskeistä merkittävämpänä voidaan pitää epävarmuutta sähkön hintatason vaihtelusta eli sähkön markkinahintariskiä. Ennen sähkömarkkinoiden muutosta sähköyhtiöt suojautuivat hintariskiltä pitkillä tukkusopimuksilla. Nykyiset lyhyet lähinnä sähkömarkkinoilla solmitut toimitussopimukset eivät omaa samaa riskeiltä suojautumisominaisuutta. Tämän vuoksi sähköyhtiöiden oikeanlaisesta riskipolitiikan ja -käsikirjan luomisesta on tullut avainosaamisalue yrityksen liiketoiminnassa. Riskienhallinnan tarkoituksena on riskien negatiivisen vaikutuksen vähentäminen ja sopeuttaminen yrityksen tuotto-odotuksiin ja riskiensietokykyyn. Nykyisessä markkinatilanteessa suojautuminen hintariskiltä on mahdollista toteuttaa joustavasti ja kohtuullisin kustannuksin sähköjohdannaisilla. Tämän diplomityön tarkastelu sähköjohdannaisten osalta rajoittuu kuinka riskien- ja sähkösalkunhallinta tulisi toteuttaa riskipolitiikan ja riskikäsikirjan määrittämällä tavalla. Sen sijaan sähköjohdannaisten strategisen hallinnan puoleen ei ole kiinnitetty suurta huomiota.

Vakioidut optiot sähkökaupassa

Pohjoismaiset sähkömarkkinat ovat muuttuneet viime vuosina huomattavasti. Sähkömarkkinalakiuudistuksessa poistettiin muodollisesti kilpailun esteet, mutta uusien toimintamuotojen omaksuminen on Suomessa vasta alussa. Sähkömarkkinaosapuolet altistuvat riskriskeille, joita toimialalla ei ole aikaisemmin esiintynyt. Suurimpana riskitekijänä voidaan pitää epävarmuutta tulevasta sähkön hintatasosta, joka voi vaikuttaa merkittävästi yrityksen liiketoiminnan tulokseen. Tässä diplomityössä tarkastellaan, miten hinnanvaihtelua vastaan pystytään suojautumaan sähköjohdannaisten avulla. Kaupankäynti johdannaissopimuksilla edellyttää markkinoiden aktiivista seuraamista ja organisoitua sähkökaupan riskienhallintaa. Riskienhallinnan tehtävänä ei ole riskien eliminoiminen, vaan niiden sopeuttaminen yrityksen tuotto-odotuksien ja riskiensietokyvyn mukaisiksi. Ennen sähkömarkkinoiden avautumista suojauduttiin sähkön hintariskeiltä pitkillä toimitussopimuksilla. Uudessa markkinatilanteessa suojaus voidaan toteuttaa joustavasti ja kohtuullisin kustannuksin käyttämällä johdannaissopimuksia, joilla voidaan poistaa tulevaisuuteen kohdistuvaa epävarmuutta sähkönhinnasta. Pohjoismaisessa sähköpörssissä, Nord Pool ASA:ssa, noteerattavat johdannaiset ovat vakioituja. Lokakuun lopussa 1999 kaupankäynnin kohteeksi otetaan termiinien lisäksi myös vakioidut sähköoptiot. Option ostajalle avautuu mahdollisuus hintasuojaukseen instrumenteilla, joita käyttäen suojaustaso voidaan määrittää etukäteen. Vakioitujen sähköoptioiden mukaan ottaminen sähköpörssin tuotevalikoimaan monipuolistaa huomattavasti ostajien ja myyjien suojautumismahdollisuuksia. Suojaustasoa on tarpeen vaatiessa mahdollista muuttaa vastamaan uutta markkinatilannetta. Työn loppuosassa on tutkittu mahdollisia kaupankäyntistrategioita ja hinnoittelumalleja sähköoptioille. Koska tutkimus on tehty ennen pörssissä tapahtuvan optiokaupan alkamista, useisiin tässä työssä avoimiksi jääneisiin kysymyksiin tullaan saaman vastauksia käytännön kokemuksista.

Sähkötaseyhtiön liiketoimintasuunnitelman laatiminen

Diplomityössä esitetään toimintamalleja avoimen sähköntoimituksen ja markkinasähkön (spot-sähkö) välitykselle. Työn alkuosassa selvitetään sähkömarkkinoiden kehitystä ja sähkön pörssikaupan rakennetta pohjoismaisella markkina-alueella sekä tarkastellaan tasehallintaan, taseselvitykseen ja tietojen raportointiin liittyviä periaatteita Suomessa, erityisesti tasevastaavan kannalta katsottuna. Työssä kuvataan tiivistetysti yhteisomisteisten voimalaitosten yhteisajojärjestelyä, sähköntuotannon ja -hankinnan optimointia sekä tasehallintaa. Työn lopussa luodaan katsaus muiden Pohjoismaiden sekä Saksan sähkömarkkinoiden toimintaperiaatteisiin, taseselvitykseen, tasehallintaan ja tietojen raportointiin. Katsauksessa pyritään luomaan kuva toimintaperiaatteista, joiden perusteella suomalainen yhtiö voisi tulevaisuudessa laajentaa toimintaansa ulkomaille joko pelkkänä palvelujen tarjoajana tai myös tasevastaavana markkinaosapuolena.

QoE-aware power management in vehicle-to-grid networks:a matching-theoretic approach

Frequency, time and places of charging and discharging have critical impact on the Quality of Experience (QoE) of using Electric Vehicles (EVs). EV charging and discharging scheduling schemes should consider both the QoE of using EV and the load capacity of the power grid. In this paper, we design a traveling plan-aware scheduling scheme for EV charging in driving pattern and a cooperative EV charging and discharging scheme in parking pattern to improve the QoE of using EV and enhance the reliability of the power grid. For traveling planaware scheduling, the assignment of EVs to Charging Stations (CSs) is modeled as a many-to-one matching game and the Stable Matching Algorithm (SMA) is proposed. For cooperative EV charging and discharging in parking pattern, the electricity exchange between charging EVs and discharging EVs in the same parking lot is formulated as a many-to-many matching model with ties, and we develop the Pareto Optimal Matching Algorithm (POMA). Simulation results indicates that the SMA can significantly improve the average system utility for EV charging in driving pattern, and the POMA can increase the amount of electricity offloaded from the grid which is helpful to enhance the reliability of the power grid.

Ontologies for the interoperability of multiagent electricity markets simulation platforms

Electricity markets worldwide are complex and dynamic environments with very particular characteristics. These are the result of electricity markets’ restructuring and evolution into regional and continental scales, along with the constant changes brought by the increasing necessity for an adequate integration of renewable energy sources. The rising complexity and unpredictability in electricity markets has increased the need for the intervenient entities in foreseeing market behaviour. Market players and regulators are very interested in predicting the market’s behaviour. Market players need to understand the market behaviour and operation in order to maximize their profits, while market regulators need to test new rules and detect market inefficiencies before they are implemented. The growth of usage of simulation tools was driven by the need for understanding those mechanisms and how the involved players' interactions affect the markets' outcomes. Multi-agent based software is particularly well fitted to analyse dynamic and adaptive systems with complex interactions among its constituents, such as electricity markets. Several modelling tools directed to the study of restructured wholesale electricity markets have emerged. Still, they have a common limitation: the lack of interoperability between the various systems to allow the exchange of information and knowledge, to test different market models and to allow market players from different systems to interact in common market environments. This dissertation proposes the development and implementation of ontologies for semantic interoperability between multi-agent simulation platforms in the scope of electricity markets. The added value provided to these platforms is given by enabling them sharing their knowledge and market models with other agent societies, which provides the means for an actual improvement in current electricity markets studies and development. The proposed ontologies are implemented in MASCEM (Multi-Agent Simulator of Competitive Electricity Markets) and tested through the interaction between MASCEM agents and agents from other multi-agent based simulators. The implementation of the proposed ontologies has also required a complete restructuring of MASCEM’s architecture and multi-agent model, which is also presented in this dissertation. The results achieved in the case studies allow identifying the advantages of the novel architecture of MASCEM, and most importantly, the added value of using the proposed ontologies. They facilitate the integration of independent multi-agent simulators, by providing a way for communications to be understood by heterogeneous agents from the various systems.

Static dipole polarizability of alkali-metal clusters: Electronic exchange and correlation effects

Nonlocal approximations for the electronic exchange and correlation effects are used to compute, within density-functional theory, the polarizability and surface-plasma frequencies of small jelliumlike alkali-metal clusters. The results are compared with those obtained using the local-density approximation and with available experimental data, showing the relevance of these effects in obtaining an accurate description of the surface response of metallic clusters.

Privatisation and cross-border electricity trade: from internal market to European Supergrid?

he perspective European Supergrid would consist of an integrated power system network, where electricity demands from one country could be met by generation from another country. This paper makes use of a bi-linear fixed-effects model to analyse the determinants for trading electricity across borders among 34 countries connected by the European Supergrid. The key question that this paper aims to address is the extent to which the privatisation of European electricity markets has brought about higher cross-border trade of electricity. The analysis makes use of distance, price ratios, gate closure times, size of peaks and aggregate demand as standard determinants. Controlling for other standard determinants, it is concluded that privatisation in most cases led to higher power exchange and that the benefits are more significant where privatisation measures have been in place for a longer period.

Comparative analysis between a PEM fuel cell and an internal combustion engine driving an electricity generator: Technical, economical and ecological aspects

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Advanced Nanostructured Electro-Catalysts for Electricity Generation and Biorenewable Alcohol Conversion

In my Ph.D research, a wet chemistry-based organic solution phase reduction method was developed, and was successfully applied in the preparation of a series of advanced electro-catalysts, including 0-dimensional (0-D) Pt, Pd, Au, and Pd-Ni nanoparticles (NPs), 1-D Pt-Fe nanowires (NWs) and 2-D Pd-Fe nanoleaves (NLs), with controlled size, shape, and morphology. These nanostructured catalysts have demonstrated unique electro-catalytic functions towards electricity production and biorenewable alcohol conversion. The molecular oxygen reduction reaction (ORR) is a long-standing scientific issue for fuel cells due to its sluggish kinetics and the poor catalyst durability. The activity and durability of an electro-catalyst is strongly related with its composition and structure. Based on this point, Pt-Fe NWs with a diameter of 2 - 3 nm were accurately prepared. They have demonstrated a high durability in sulfuric acid due to its 1-D structure, as well as a high ORR activity attributed to its tuned electronic structure. By substituting Pt with Pd using a similar synthesis route, Pd-Fe NLs were prepared and demonstrated a higher ORR activity than Pt and Pd NPs catalysts in the alkaline electrolyte. Recently, biomass-derived alcohols have attracted enormous attention as promising fuels (to replace H2) for low-temperature fuel cells. From this point of view, Pd-Ni NPs were prepared and demonstrated a high electro-catalytic activity towards ethanol oxidation. Comparing to ethanol, the biodiesel waste glycerol is more promising due to its low price and high reactivity. Glycerol (and crude glycerol) was successfully applied as the fuel in an Au-anode anion-exchange membrane fuel cell (AEMFC). By replacing Au with a more active Pt catalyst, simultaneous generation of both high power-density electricity and value-added chemicals (glycerate, tartronate, and mesoxalate) from glycerol was achieved in an AEMFC. To investigate the production of valuable chemicals from glycerol electro-oxidation, two anion-exchange membrane electro-catalytic reactors were designed. The research shows that the electro-oxidation product distribution is strongly dependent on the anode applied potential. Reaction pathways for the electro-oxidation of glycerol on Au/C catalyst have been elucidated: continuous oxidation of OH groups (to produce tartronate and mesoxalate) is predominant at lower potentials, while C-C cleavage (to produce glycolate) is the dominant reaction path at higher potentials.

Analysis of the Iberian electricity forward market hedging efficiency

An assessment of the hedging performance in the Iberian Forward Electricity Market is performed. Aggregated data from the Portuguese and Spanish clearing houses for energy derivatives are considered. The hedging performance is measured through the ratio of the final open interest of a month derivatives contract divided by its accumulated cleared volume. The base load futures in the Iberian energy derivatives exchange show the lowest ratios due to good liquidity. The peak futures show bigger ratios as their reduced liquidity is produced by auctions fixed by Portuguese regulation. The base load swaps settled in the clearing house located in Spain show initially large values due to low registered volumes, as this clearing house is mainly used for short maturity (daily and weekly swaps). This hedging ratio can be a powerful oversight tool for energy regulators when accessing to all the derivatives transactions as envisaged by European regulation.

Electricity without borders: a plan to make the internal market work. Bruegel Blueprint Series 20, 5 September 2013

The most straightforward European single energy market design would entail a European system operator regulated by a single European regulator. This would ensure the predictable development of rules for the entire EU, significantly reducing regulatory uncertainty for electricity sector investments. But such a first-best market design is unlikely to be politically realistic in the European context for three reasons. First, the necessary changes compared to the current situation are substantial and would produce significant redistributive effects. Second, a European solution would deprive member states of the ability to manage their energy systems nationally. And third, a single European solution might fall short of being well-tailored to consumers’ preferences, which differ substantially across the EU. To nevertheless reap significant benefits from an integrated European electricity market, we propose the following blueprint: First, we suggest adding a European system-management layer to complement national operation centres and help them to better exchange information about the status of the system, expected changes and planned modifications. The ultimate aim should be to transfer the day-to-day responsibility for the safe and economic operation of the system to the European control centre. To further increase efficiency, electricity prices should be allowed to differ between all network points between and within countries. This would enable throughput of electricity through national and international lines to be safely increased without any major investments in infrastructure. Second, to ensure the consistency of national network plans and to ensure that they contribute to providing the infrastructure for a functioning single market, the role of the European ten year network development plan (TYNDP) needs to be upgraded by obliging national regulators to only approve projects planned at European level unless they can prove that deviations are beneficial. This boosted role of the TYNDP would need to be underpinned by resolving the issues of conflicting interests and information asymmetry. Therefore, the network planning process should be opened to all affected stakeholders (generators, network owners and operators, consumers, residents and others) and enable the European Agency for the Cooperation of Energy Regulators (ACER) to act as a welfare-maximising referee. An ultimate political decision by the European Parliament on the entire plan will open a negotiation process around selecting alternatives and agreeing compensation. This ensures that all stakeholders have an interest in guaranteeing a certain degree of balance of interest in the earlier stages. In fact, transparent planning, early stakeholder involvement and democratic legitimisation are well suited for minimising as much as possible local opposition to new lines. Third, sharing the cost of network investments in Europe is a critical issue. One reason is that so far even the most sophisticated models have been unable to identify the individual long-term net benefit in an uncertain environment. A workable compromise to finance new network investments would consist of three components: (i) all easily attributable cost should be levied on the responsible party; (ii) all network users that sit at nodes that are expected to receive more imports through a line extension should be obliged to pay a share of the line extension cost through their network charges; (iii) the rest of the cost is socialised to all consumers. Such a cost-distribution scheme will involve some intra-European redistribution from the well-developed countries (infrastructure-wise) to those that are catching up. However, such a scheme would perform this redistribution in a much more efficient way than the Connecting Europe Facility’s ad-hoc disbursements to politically chosen projects, because it would provide the infrastructure that is really needed.