Optimization of energy markets with integration of sustainable policies

Abstract

In recent decades, the power industry has experienced remarkable reforms and advances, with the most drastic of these being the deregulation of energy markets from a centralized operational approach to a competitive model. In essence, the combination of energy market deregulation and sustainable policies creates an environment where market forces drive the adoption of cleaner, more efficient energy sources. This thesis considers the development of optimization frameworks to integrate sustainability policies and investigate the strategic participation of power producers in contemporary energy markets. More specifically, at first the strategic participation of a price-maker energy storage agent in pool-based energy and reserve markets, under wind power generation uncertainty is considered. A bi-level model is developed with the upper-level problem aiming to maximize storage agent’s expected profits, whereas the lower-level problem represents the two-stage energy market clearing procedure. The proposed mathematical framework is applied to a 6-bus power grid and investigates the potential arbitrage opportunities for the storage agent, under wind generation increment scenarios and plausible transmission line congestions. Next, a stochastic mixed-integer linear programming (MILP) optimization framework to investigate the optimal participation and economics of various energy storage technologies, such as pumped-hydro, advanced adiabatic and diabatic compressed air systems and li-ion battery, in a perfectly competitive coupled electricity and natural gas market. The clearing scheme pertains to energy-only markets, aiming to optimize dispatch and maximize social welfare for the integrated energy system, through a two-stage stochastic programming. The two markets mainly interact through the bilateral operation of the diabatic compressed air energy storage system, both as an electricity producer and as natural gas consumer. The strategic participation of a gas-fired power plant, exerting market power in interdependent pool-based electricity and natural gas markets, under a carbon emission trading (CET) scheme, constitutes the third thematic section of this thesis. A novel a bi-level model is developed where the upper-level problem aims at maximizing the profits of the strategic player, while at the lower-level problem, the day-ahead electricity and natural gas markets are cleared sequentially, considering the provision of carbon emission allowances for conventional power producers and high penetration of wind power generation. The optimal trading strategies for a strategic renewable energy aggregator, exerting market power in a joint auction-based electricity and green certificates market is addressed in the final part of this thesis. In the upper-level problem of the bi-level formulation, the strategic renewable aggregator aims at maximizing its expected profits, while the two lower-level problems represent the sequential day-ahead electricity and green certificates market clearing mechanism, respectively. Numerical simulations determine electricity and green certificates clearing prices and optimal trading plan for the strategic renewable aggregator, under plausible power network congestion.

Τις τελευταίες δεκαετίες, ο κλάδος της ηλεκτρικής ενέργειας έχει βιώσει εντυπωσιακές μεταρρυθμίσεις και προόδους, με πιο σημαντική από αυτές να είναι η απελευθέρωση των αγορών ενέργειας από μια κεντρική λειτουργική προσέγγιση σε ένα ανταγωνιστικό μοντέλο. Ουσιαστικά, ο συνδυασμός της απελευθέρωσης της αγοράς ενέργειας και των πολιτικών βιωσιμότητας δημιουργεί ένα περιβάλλον όπου οι δυνάμεις της αγοράς καθοδηγούν την υιοθέτηση καθαρότερων, πιο αποδοτικών μορφών παραγωγής ενέργειας. Η παρούσα διατριβή εξετάζει την ανάπτυξη μοντέλων βελτιστοποίησης για την ενσωμάτωση πολιτικών βιωσιμότητας και την εξέταση της στρατηγικής συμμετοχής των παραγωγών ηλεκτρικής ενέργειας στις σύγχρονες αγορές ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, αρχικά εξετάζεται η στρατηγική συμμετοχή ενός ιδιοκτήτη δύο μονάδων αποθήκευσης στις αγορές ενέργειας και εφεδρειών, υπό αβεβαιότητα στην παραγωγή αιολικής ενέργειας. Ένα διεπίπεδο μοντέλο αναπτύσσεται, με το πρόβλημα του άνω επιπέδου να έχει ως στόχο τη μεγιστοποίηση του κέρδους που αναμένεται για τον ιδιοκτήτη μονάδων αποθήκευσης, ενώ το πρόβλημα του κάτω επιπέδου αντιπροσωπεύει τη διαδικασία εκκαθάρισης της αγοράς σε δύο στάδια. Το προτεινόμενο μαθηματικό πλαίσιο εφαρμόζεται σε ένα ηλεκτρικό δίκτυο 6 κόμβων και εξετάζει τις δυνητικές ευκαιρίες εξισορροπητικής κερδοσκοπίας για τον ιδιοκτήτη συστημάτων αποθήκευσης, υπό σενάρια αύξησης της παραγωγής αιολικής ενέργειας και πιθανές περιπτώσεις συμφόρησης στις γραμμές μεταφοράς ενέργειας του δικτύου. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται ένα στοχαστικό πλαίσιο βελτιστοποίησης μεικτού ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού για τη μελέτη της βέλτιστης συμμετοχής και την οικονομική ανάλυση διάφορων τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας, όπως το συστήματα αντλησιοταμίευσης, προηγμένα αδιαβατικά και διαβατικά συστήματα συμπίεσης αέρα και μπαταρίες ιόντων λιθίου, σε συζευγμένη αγορά ηλεκτρικής ενέργειας και φυσικού αερίου υπό συνθήκες τέλειου ανταγωνισμού. Το πλαίσιο εκκαθάρισης αφορά μόνο αγορές ενέργειας, με στόχο τη βέλτιστη κατανομή και τη μεγιστοποίηση του κοινωνικού πλεονάσματος για το ενοποιημένο ενεργειακό σύστημα, μέσω ενός μοντέλου στοχαστικού προγραμματισμού δύο σταδίων. Η στρατηγική συμμετοχή μιας μονάδας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση φυσικού αερίου (GFPP), ασκώντας ισχύ (market power) στις συζευγμένες αγορές ηλεκτρικής ενέργειας και φυσικού αερίου που βασίζονται σε ωριαίες δημοπρασίες, με ενσωμάτωση της αγοράς δικαιωμάτων εκπομπών άνθρακα, αποτελεί τον τρίτο θεματικό τομέα αυτής της διατριβής. Αναπτύσσεται ένα νέο διεπίπεδο μοντέλο όπου το πρόβλημα του άνω επιπέδου στοχεύει στο να μεγιστοποιήσει τα κέρδη του στρατηγικού παίκτη, ενώ στο πρόβλημα του κάτω επιπέδου, οι αγορές ηλεκτρικής ενέργειας και φυσικού αερίου εκκαθαρίζονται διαδοχικά για την υπό εξέταση ημέρα, λαμβάνοντας υπόψη την έκδοση αδειών εκπομπής άνθρακα για τους συμβατικούς παραγωγούς ηλεκτρικής ενέργειας και την υψηλή διείσδυση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από αιολικά πάρκα. Οι βέλτιστες στρατηγικές συναλλαγών για ένα στρατηγικό φορέα σωρευτικής εκπροσώπησης (ΦοΣΕ) ανανεώσιμης ενέργειας, που κατέχει κυρίαρχη θέση στην κοινή αγορά ηλεκτρικής ενέργειας και πράσινων πιστοποιητικών, αντιμετωπίζονται στο τελευταίο μέρος αυτής της διατριβής. Στο πρόβλημα του άνω επιπέδου της διεπίπεδης μαθηματικής διατύπωσης, ο στρατηγικός ΦοΣΕ ανανεώσιμης ενέργειας στοχεύει στο να μεγιστοποιήσει τα κέρδη του, ενώ τα δύο προβλήματα του κάτω επιπέδου αντιπροσωπεύουν τον διαδοχικό μηχανισμό εκκαθάρισης της αγοράς επόμενης ημέρας ηλεκτρικής ενέργειας και πράσινων πιστοποιητικών αντίστοιχα. Οι αριθμητικές προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν καθορίζουν τις τιμές εκκαθάρισης ηλεκτρικής ενέργειας και πράσινων πιστοποιητικών και το βέλτιστο σχέδιο συναλλαγών για το στρατηγικό ΦοΣΕ ανανεώσιμης ενέργειας, υπό πιθανές συμφορήσεις στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας.