Quantitative assessment of electricity market designs : illustrations of short-term and long-term dynamics

Suite aux réformes des marchés électriques, la question du market design, c’est-à-dire l’étude des nouveaux marchés destinés à remplacer l’ancien monopole, est devenue centrale dans la littérature économique. Toutefois, les caractéristiques techniques de l’électricité rendent cette tâche complexe et l’intervention des pouvoirs publics est souvent nécessaire pour établir les règles du jeu efficaces que les acteurs de marché devront suivre. Cela explique pourquoi le market design demeure un sujet d’actualité. Cette thèse contribue aux discussions actuelles en étudiant plusieurs architectures de marché à mettre en place afin d’assurer la fiabilité du système électrique de la façon la plus efficace.La fiabilité est d’abord étudiée sous sa dimension de court terme, appelée sûreté. Pour garantir un équilibre en temps réel, l’opérateur du système doit s’assurer de disposer d’un niveau suffisant de réserves: c’est l’objectif du modèle de sûreté. Dans cette thèse, les impacts économiques induits par un changement de modèle de sureté pour le système électrique français sont évalués. Une modélisation de type Agent-Based est développée pour simuler les décisions des acteurs sur plusieurs marchés de court terme. Les résultats montrent que le modèle de sureté français actuel conduit à des coûts inférieurs à ceux du modèle alternatif mis en œuvre dans d’autres pays européens. Le maintien du modèle actuel en France apparait donc justifié.La dimension long terme de la fiabilité, à savoir l’adéquation, est ensuite étudiée. Les performances économiques d’un marché de capacité et d’un mécanisme de réserve stratégique, deux solutions conçues pour résoudre le problème d’adéquation, sont comparées. Afin de considérer la nature cyclique des investissements, ces mécanismes sont étudiés d’un point de vue dynamique par l’intermédiaire d’une modélisation de type System Dynamics. Celle-ci simule les décisions d'investissements et de fermetures prises par les acteurs de marché, en considérant leurs comportements imparfaits. Les principaux résultats montrent que le marché de capacité résout la question de l'adéquation à un coût moindre.Following power market reforms, market design, i.e. the study of new markets to replace efficiently the previous monopoly, becomes central in the economic literature. However, due to several technical characteristics of electricity, this task is complex. A third party is then required to help design these markets in an efficient way and to set the rules under which private decentralized market players will interact. This complexity explains why market design remains a work in progress. This thesis contributes to the current discussions by giving insights on the most efficient market designs to implement to ensure the reliability of power systems.A first focus is made on the short-term dimension of reliability, i.e. the security of power systems. To maintain a balanced system, the system operator has to ensure the availability of a sufficient level of reserves in real time: this is the aim of the security model. In this thesis, a quantitative assessment of the economic impacts that a transition to a different security model would have for the French power system is carried out. An agent-based modelling is developed to simulate the decisions of profit-maximizing players on several short-term markets. Simulations show that the current French security model results in lower costs than the alternative one implemented in several European countries, and should therefore be maintained for the French power system.A second focus is made on the long-term dimension of reliability, i.e. the adequacy. The economic performances of a capacity market and a strategic reserve mechanism, two mechanisms designed to solve the adequacy issue, are compared. In order to capture the cyclical nature of investments, these mechanisms are studied from a dynamic point of view. To this end, a long-term model is developed based on a System Dynamics approach. It simulates the investment and shutdown decisions made by market players considering their imperfect behaviours. Main results show that the capacity market solves the adequacy issue at a lower cost than the strategic reserve mechanism