Sähkön varastoinnin markkinavaikutukset siirtorajoitetussa verkossa

During the past few decades, electricity markets have been deregulated and standards for sustainability have increased. Consequently, producers with varying degrees of market power and transmission system operators (TSOs) aim to secure and balance electricity supply with fluctuating demand while coping with intermittent renewable generation. Although electricity cannot be stored economically, technologies such as pumped hydro storage and batteries provide opportunities for improving efficiency and stability, which would increase the reliability in the grid, and reduce peak prices and greenhouse gas emissions. Thus, interest in electricity storage is increasing and its grid capacity can be expected to grow. This thesis provides model-based results about the likely market impacts of electricity storage when the variation in the available capacity for renewable generation and transmission constraints of the grid are taken into account. It is also assumed that demand declines linearly as a function of price. These results are based on the study of market equilibrium in which several interacting market players' simultaneous optimization problems are presented. A mathematical model for hourly storage operations is formulated both for perfect competition and Cournot oligopoly, and their respective market equilibria are solved via Karush-Kuhn-Tucker (KKT) optimality conditions. Finally, a numerical analysis for a stylized Western European electricity market situation is performed by using the GAMS software. The results suggest that electricity storage benefits society. However, who benefits the most depends on the assumptions about market power and price elasticity. All in all, storage alleviates congestion in the grid and facilitates the integration of green energy by reducing emissions from fossil fuel ramp-ups and by stabilizing supply in spite of intermittent renewable energy generation. Nevertheless, strategic producers use less storage than what would be economically efficient. Topics for future research include more extensive numerical analyses as well as analyzing long-term aspects of investments and comparing different storage technologies.Viime vuosikymmeninä sähkömarkkinat on vapautettu kilpailulle ja kestävän kehityksen vaatimukset ovat kasvaneet. Tämän seurauksena sähköntuottajat ja kantaverkkoyhtiöt pyrkivät turvaamaan sähkön tarjonnan tilanteessa, jossa kysyntä vaihtelee ja osa sähköstä tuotetaan kapasiteetiltaan epävarmalla uusiutuvalla energialla. Vaikka sähköä ei vielä voida varastoida taloudellisesti, pumppuvoiman ja akkujen kaltaiset teknologiat tarjoavat tehokkuus- ja vakausetuja, jotka lisäävät sähköverkon luotettavuutta, tasoittavat hintavaihteluja sekä vähentävät kasvihuonekaasupäästöjä. Siksi sekä kiinnostus sähkön varastointiin että sen kantaverkon kapasiteetin laajentamiseen ovat kasvussa. Tämä työ tarjoaa mallintamiseen perustuvaa tietoa sähkön varastoinnin markkinavaikutuksista asetelmassa, jossa uusiutuvan energian tuotantokapasiteetin vaihtelu ja siirtoverkon rajoitukset otetaan huomioon; lisäksi oletetaan, että kysyntä vähenee suoraan suhteessa hintaan. Työssä rakennetuilla komplementäärisuusmalleilla markkinatoimijoiden väliset tasapainoehdot voidaan kuvata optimointiongelmina. Tuntitason varastotoiminnan matemaattinen malli formuloidaan sekä täydellisen kilpailun että Cournot'n oligopolin tapauksessa. Mallien tasapainoratkaisut lasketaan Karush-Kuhn-Tucker (KKT) -optimaalisuusehdoista. Lopuksi esitetään yksinkertaistettu numeerinen analyysi Länsi-Euroopan sähkömarkkinatilanteelle GAMS-ohjelmistoa käyttäen. Tulosten valossa sähkön varastointi hyödyttää yhteiskuntaa. Se, kenelle varastoinnista on eniten hyötyä, riippuu kilpailutilanteesta ja hintajoustoa koskevista oletuksista. Kaiken kaikkiaan varastointi vähentää verkon ylikuormittumista ja tukee uusiutuvaa energiaa vähentämällä fossiilisten polttoaineiden tuotannonvaihteluista syntyviä päästöjä sekä tasoittamalla sähkön tarjontaa epävarmasta uusiutuvan energian tuotannosta huolimatta. Epätäydellisessä kilpailussa tuottajien kuitenkin todetaan varastoivan sähköä vähemmän kuin taloudellisesti olisi tehokasta. Jatkotutkimusmahdollisuuksia ovat numeeristen analyysien laajentaminen sekä pitkän aikavälin investointien ja teknologioiden vertaileminen