Simulation der langfristigen Entwicklung des europäischen Elektrizitätsmarktes

Paulun, Tobias; Feess, Eberhard

doi:29434

Simulation der langfristigen Entwicklung des europäischen Elektrizitätsmarktes = Simulation of the long-term development of the European electricity market / von Tobias Paulun

Paulun, Tobias (Author)

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tobias Paulun

ImpressumAachen : Klinkenberg 2009

UmfangXVII, 272 S. : graph. Darst., Kt.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak08

Hauptberichter/Gutachter
Feess, Eberhard (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-05-29

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-28189
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51463/files/Paulun_Tobias.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft (614110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektrizitätsmarkt (Genormte SW) ; Spieltheorie (Genormte SW) ; Marktmodell (Genormte SW) ; Simulation (Genormte SW) ; Mehragentensystem (Genormte SW) ; Wirtschaft (frei) ; electricity market (frei) ; game theory (frei) ; market model (frei) ; simulation (frei) ; multi-agent system (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 330

Kurzfassung
Mit der Liberalisierung des europäischen Marktes für elektrische Energie haben sich die Randbedingungen für alle in diesem Markt tätigen Unternehmen grundlegend verändert. Um das langfristige Ziel eines europäischen Binnenmarktes zu erreichen, sind erhebliche Eingriffe in die unter unterschiedlichen Randbedingungen gewachsenen Elektrizitätsmärkte der europäischen Mitgliedsstaaten notwendig. Da sowohl die kostengünstige als auch die sichere Versorgung mit elektrischer Energie für nahezu alle Wirtschaftszweige von zentraler Bedeutung ist, muss sichergestellt sein, dass die Versorgungssicherheit und die Qualität der Stromversorgung durch die Gestaltung des Binnenmarktes nicht unzulässig beeinflusst werden. Investitionsentscheidungen sind in der Elektrizitätswirtschaft häufig für mehrere Jahrzehnte kostenwirksam und können nur über lange Zeiträume korrigiert werden. Politische Rahmenbedingungen müssen daher ausreichende Planungssicherheit für alle im Markt tätigen Unternehmen schaffen und gleichzeitig die zukünftigen Anforderungen an den Elektrizitätsmarkt berücksichtigen. Existierende Forschungsarbeiten zu dieser Fragestellung betrachten hingegen entweder statische Modelle, mit denen dynamische Wechselwirkungen zwischen Systemkomponenten wie Erzeugung und Netz nicht erfasst werden können, oder fokussieren auf Teilsystemen wie einzelnen Ländern oder Märkten. In dieser Forschungsarbeit wird zunächst ein spieltheoretisches Modell entwickelt, mit dem die Auswirkungen fundamentaler Eigenschaften von Elektrizitätsmärkten auf das Marktergebnis - beispielsweise die Angebotspreise von Stromerzeugern - untersucht werden können. Anschließend wird diskutiert, welche Modellerweiterungen für realitätsnahe Analysen erforderlich sind. Es wird gezeigt, dass ein derart umfassendes, spieltheoretisches Modell aufgrund seiner Komplexität nicht zur Analyse der langfristigen Entwicklung des europäischen Elektrizitätsmarktes mit dem in dieser Arbeit gewählten Betrachtungsbereich und Detailgrad geeignet ist. In dieser Arbeit wird daher zusätzlich ein ökonomisch-technisches Modell des europäischen Elektrizitätsmarktes entwickelt, mit dem die dynamische Entwicklung des Marktes in Abhängigkeit vom Verhalten politischer Akteure sowie exogenen Randbedingungen berechnet und analysiert werden kann. Das Modell basiert auf einer Beschreibung des europäischen Verbundnetzes sowie einer detaillierten Nachbildung aller am Markt tätigen Erzeugungsunternehmen mit ihren jeweils verfügbaren Kraftwerkskapazitäten. Für eine realistische Bewertung von Investitionsentscheidungen der Stromerzeuger werden alle Unsicherheiten der für die Entscheidung relevanten Randbedingungen durch Szenarienbäume erfasst. Die Auswirkungen politischer Entscheidungen und exogener Randbedingungen auf die Entwicklung des Marktes werden dadurch in Variantenrechnungen transparent. Das Verhalten der Stromerzeuger und potenzieller Investoren ist wiederum Eingangsdatum für Investitionsentscheidungen der Netzbetreiber, die - ausreichende Verzinsung des eingesetzten Kapitals im regulierten Markt vorausgesetzt - ihr Netz entsprechend prognostizierten, zukünftig erwarteten Belastungssituationen ausbauen. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Elektrizitätsmarktmodell und dem auf diesem Modell aufbauenden Simulationsverfahren können dynamische Kopplungen zwischen Systemkomponenten identifiziert und die Wirksamkeit politischer Vorgaben an die Entwicklung des Marktes bewertet werden. Weiterhin ist es möglich, die kurz- und langfristigen Auswirkungen wirtschaftspolitischer Maßnahmen zu quantifizieren und zu vergleichen. Die Anwendungsmöglichkeiten und die Leistungsfähigkeit der entwickelten Modelle und Verfahren werden in der vorliegenden Arbeit durch exemplarische Simulationsrechnungen dokumentiert.

Due to the liberalization of the European electricity market, boundary conditions for market participants have changed significantly. In order to reach the long-term goal of a European internal market for electricity, strong political measures are necessary in all electricity markets within the European member states. Since security and efficiency of public power supply are both central requirements for all economic and industrial sectors, those attributes must not be endangered through political measures which aim for reaching the internal market. In the electricity industry, investment decisions are usually cost-effective for periods of several decades. As a consequence, inefficient investments cannot be corrected in the short-run. Political boundary conditions thus need to ensure adequate planning dependability for all market participants. Additionally, all future requirements for the electricity market need to be considered by political players. However, existing research studies often focus on static market models that are not able of identifying dynamic interactions between market components like generation and transmission of electricity, or focus on subsystems of the European electricity market like single countries or electricity exchanges. In this thesis, a new model based on game theory approaches is developed for the European electricity market. On the basis of this model, the impact of fundamental characteristics of the electricity market on the market outcome - e.g. bid prices of power suppliers - can be quantified. Afterwards, the improvements of the model that are required to enable realistic analyses of the real market are discussed. It is shown that a model that corresponds to all of those requirements is not eligible for analyzing the long-term development of the European electricity market, given the geographical area under consideration and the level of detail that is chosen in this thesis. As a consequence, a combined economical-technical model of the European electricity market is developed in this thesis additionally. This model enables comprehensive analyses of the dynamic development of the markt subject to decisions of political players and exogenous boundary conditions. The model is based on both a description of the European interconnected transmission system and a description of all power suppliers that are currently active in the European market. All power suppliers are modeled with their individual generation capacities and technologies. In order to guarantee a realistic evaluation of investment decisions of power suppliers, uncertainties of boundary conditions which are of relevance for those decisions are modeled by means of scenario trees. Thus the impact of political decisions and exogenous boundary conditions becomes transparent in sensitivity analyses. The behavior of power suppliers and potential investors again is input data for investment decisions of network operators that aim on developing the network corresponding to the expected future distribution of load and generation, given an adequate rate of return for invested capital. By using the model of the European electricity market and the market simulation tool which are both developed in this thesis, dynamic interactions between components of the system can be identified. Additionally, the impact of political boundary conditions on the development of the market can be evaluated. Furthermore, differences between short-term and long-term impacts of politico-economic measures can be quantified. Finally, possible applications and the capability of the developed models and methods are demonstrated in this thesis.

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