Regulated Expansion of Electricity Transmission Networks: The Effects of Fluctuating Demand and Wind Generation

We study the performance of different regulatory approaches for the expansion of electricity transmission networks in the light of realistic demand patterns and fluctuating wind power. In particular, we are interested in the relative performance of a combined merchant-regulatory mechanism compared to a cost-based and a merchant-like approach. In contrast to earlier research, we explicitly include both an hourly time resolution and fluctuating wind power, which allows representing demand in a very realistic way. This substantially increases the real-world applicability of results compared to previous analyses, which were based on simplifying assumptions. We show that a combined merchant-regulatory regulation, which draws on a cap over the two-part tariff of the Transco, leads to welfare outcomes far superior to the modeled alternatives. This result proves to be robust over a range of different cases and sensitivity analyses. We also find that the intertemporal rebalancing of the two-part tariff carried out by the Transco so as to expand the network is such that the fixed tariff part turns out to be relatively large compared to extension costs.Electricity, Regulation, Transmission Expansion, Wind Power

Dekarbonisierung des deutschen und europäischen Stromsystems : Modellierung von Marktauswirkungen und Infrastrukturinvestitionen

This dissertation addresses the low-carbon transformation of the German and European electricity sectors. It applies techno-economic electricity sector models to research questions on market design and infrastructure investment. The first part consists of three chapters on Germany. It starts with a chapter on the nodal dispatch model for the German electricity system (ELMOD-DE) which implements the DC load flow approach. In March 2016, the respective model source code and a nodal and hourly dataset for 2012 were published to support the effort of increasing transparency in policy-oriented energy sector modeling. In the following chapter, ELMOD-DE is applied to analyze the effects of one northern and one southern bidding zone on the German electricity market. The results discuss the effect on re-dispatch levels, deviations in zonal prices, and distributional effects. The third chapter extends ELMOD-DE to a mixed-integer linear program (MILP) to determine nodal investment for renewable integration in gas-fired power stations, in pumped-storage hydroelectric plants, and in HVAC and HVDC transmission lines for the years 2024 and 2034. The second part consists of three chapters on transmission investment. It starts with a chapter on national-strategic decisions on network expansion. A game theory model determines stable expansion strategies, the effect of cost-allocation schemes, and changes in national welfare levels as results of cross-border transmission investment. The following chapter raises the issue of dynamic changes in network congestion during the low-carbon transformation. It applies a mathematical problem with equilibrium constraints (MPEC) to test different regulatory approaches and their effect on network investment. The last chapter, again, uses a MILP to determine network investment for the European transmission network up to 2050.The nodal model optimizes investments in HVDC lines and in the existing HVAC network for three different scenarios, comparing the results to the Roadmap 2050.Diese Dissertation befasst sich mit der Transformation zu einem kohlenstoffarmen deutschen und europäischen Stromsektor. Mit technisch-ökonomischen Stromsektormodellen werden Fragen des Marktdesigns und Infrastrukturinvestitionen untersucht. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit dem deutschen Stromsektor. Das erste Kapitel beschreibt das knotenscharfe Kraftwerkseinsatzmodell für das deutsche Stromsystem ELMOD-DE, das auf der DC-Lastflussberechnung beruht. Der zugehörige Programmcode und der stündliche Datensatz für 2012 sind im März 2016 veröffentlicht worden, um mehr Transparenz in die politikorientierte Stromsektormodellierung zu bringen. Das folgende Kapitel nutzt ELMOD-DE zur Analyse einer nördlichen und einer südlichen Preiszone im deutschen Strommarkt. Als Ergebnisse werden Einflüsse auf Redispatch, Abweichungen zonaler Preise und Verteilungseffekte diskutiert. Das dritte Kapitel erweitert ELMOD-DE zu einem gemischt-ganzzahligen Modell und betrachtet für die Jahre 2024 und 2034 knotenscharfe Investitionen in Gaskraftwerke, in Pumpspeicher und in Gleich- und Wechselstromleitungen. Der zweite Teil der Arbeit besteht aus drei Kapiteln zum Thema Netzausbau. Das erste Kapitel befasst sich mit strategischen Netzinvestitionen aus der Perspektive verschiedener Staaten. Mittel eines spieltheoretischen Modells werden dominante Strategien grenzüberschreitender Netzinvestitionen untersucht sowie der Einfluss der Kostenallokation und die Änderung der nationalen Wohlfahrten. Das nachfolgende Kapitel betrachtet das Problem sich ändernder Netzengpässe im Verlauf der Transformation. Mit einem mathematischen Optimierungsproblem mit Gleichgewichtsnebenbedingungen werden verschiedene regulatorische Ansätze und deren Auswirkung auf Netzinvestitionen getestet. Das letzte Kapitel betrachtet Netzinvestitionen in das europäische Höchstspannungsnetz bis 2050 in einem gemischt-ganzzahligen Optimierungsproblem. Es werden Investitionen in Gleich- und Wechselstromleitungen für drei Szenarien optimiert und die Ergebnisse mit der Energy Roadmap 2050 verglichen