Mercato Elettrico 1

1

Mercato elettricoMercato elettrico1.1.

Economia dei Servizi e delle Reti

Elena FumagalliDip. Ingegneria GestionaleE-mail: [email protected]

ottobre 08

2

Economia dei Servizi e delle reti

indiceindice

Disegno e funzione del mercato Dispacciamento di merito

economico Mercato unconstrained Mercato constrained

2

3


settore elettricosettore elettrico Nel settore elettrico le caratteristiche tecniche

svolgono un ruolo decisivo nella scelta deldisegno di mercato Difficoltà nell’immagazzinare energia elettrica Domanda anelastica al prezzo e varia con periodicità

giornaliera e stagionale Stabilità tensione e frequenza (bilanciamento in

tempo reale) Indisponibilità della generazione o della rete

(manutenzione e fuori servizio) Complessità generazione: rampe di carico, minimi di

potenza,… Infrastruttura condivisa (congestioni)

4


mercato allmercato all’’ingrossoingrosso Ruolo svolto dal monopolista pre-

liberalizzazione Dispacciamento impianti

Nota la previsione di domanda Note le funzioni di costo di produzione degli impianti

Verifica della fattibilità del dispacciamento Noto lo stato della rete di trasmissione

Approvvigionamento servizi di dispacciamento Necessari per la gestione in sicurezza del sistema

Al minimo costo

3

5


mercato allmercato all’’ingrossoingrosso Funzioni svolta dal mercato all’ingrosso

Dispacciamento degli impianti Date le offerte lato domanda Date le offerte dei produttori

Assegna i diritti di transito sulla rete Noto lo stato della rete di trasmissione con un

modello semplificato Approvvigionamento delle risorse per i servizi di

dispacciamento

Massimizzando il welfare

6


mercato allmercato all’’ingrosso: prodottiingrosso: prodottiscambiatiscambiati

Energia per il consumo Mercato dell’energia Operatori: produttori e consumatori

Energia e potenza per: Risoluzione delle congestioni Bilanciamento Riserva di generazione,…

Mercato dei servizi di dispacciamento Operatori: produttori e gestore della rete

4

7


mercato allmercato all’’ingrosso: intervalliingrosso: intervallitemporalitemporali

Decisioni per un dato intervallotemporale

Unità di tempo: 1 ora nel mercato energia 1/4 ora nel mercato servizi dispacciamento

un annoprima

un meseprima

un giornoprima

ora tempo

8


mercato allmercato all’’ingrossoingrosso

Mercato dell’energia per il consumo Organizzazione del mercato:

Modello pool: solo mercato organizzato(Borsa Elettrica)

Modello bilaterali (solo scambiindividuali)

Modello ibrido (possibili entrambe lemodalità di scambio)

5

9


modello poolmodello pool

Modello pool La borsa è l’unico compratore per i produttori e

l’unico venditore per consumatori

Produttore 1 Produttore i Produttore N

Acquirente 1 Acquirente j Acquirente M

BORSA

MWhMWh MWh

MWhMWh MWh€ €

€

€

€€

… …

… …

10



Venditori: produttori, grossisti Acquirenti: consumatori, grossisti, distributori,

produttori L’operatore del mercato raccoglie le offerte a vendere

e ad acquistare offerte chiuse in prezzo e quantità

L’operatore utilizza un algoritmo per determinarel’insieme delle offerte accettate e individuare unprezzo di mercato

L’esito del mercato determina il dispacciamento degliimpianti di generazione e i prelievi dei consumatori

6

11



Aggregata delleofferte di acquisto

D1 D2=+ D

Aggregata delleofferte di vendita

O1 O2

=+O

D O

MCP

MCQ

…

…

€

q1 q2 q1+q2

€

q1 q2 q1+q2

12



Regola di prezzo non discriminatoria(asta a prezzo uniforme): tutti i produttori e tutti gli acquirenti le cui

offerte sono state accettate ricevono epagano lo stesso prezzo

prezzo pari al costo marginale di sistema,cioè al prezzo richiesto dall’impianto menoeconomico tra quelli chiamati a produrre

7

13


modello bilateralimodello bilaterali

Produttore 1 Produttore i

Acquirente 1 Acquirente j

MWh€

…

…

MWh €

CONTRATTIBILATERALI

Produttori e consumatori definiscono le transazioni subase bilaterale in modo autonomo e privato Il gestore della rete viene notificato delle transazioni definite

dagli operatori e ne autorizza l’implementazione salvo vincolidi rete

14


modello bilateralimodello bilaterali

D1 D2

O1 O2

Q2Q1

P2P1

…

…

n transazionin prezzi P1, P2 …n quantità Q1, Q2, …

Se il mercato fosseperfettamenteconcorrenziale tutti iprezzi tenderebberoal MCP e la sommadelle quantità allaMCQ

8

15


modello ibrido (mercatomodello ibrido (mercatoitaliano)italiano) Compravendita all’ingrosso dell’energia elettrica avviene

tramite contratti conclusi Nel sistema delle offerte: mercato organizzato o borsa

dell’energia ad accesso facoltativo Al di fuori del sistema delle offerte: sistema di scambi

decentrati basati su contratti bilaterali tra operatori

Produttore 1 Produttore i

Acquirente 1 Acquirente j

MWh€

…

…

MWh €

BorsaCONTRATTIBILATERALI

16


mercato organizzato (borsamercato organizzato (borsaelettrica)elettrica)

Prezzo offertoPrezzo offertoPrezzo diequilibrio

Prezzo diequilibrioPrezzoPrezzo

Utenti didispacciamento

Utenti didispacciamento

Operatori diMercato

Operatori diMercato

OperatoriOperatoriammessi aammessi aparteciparepartecipare

Energia per ilbilanciamentoin tempo reale

Energia per larisoluzionedellecongestioni eper i margini diriservaEnergiaEnergiaRisorsaRisorsa

Mercato dei servizi diMercato dei servizi didispacciamentodispacciamento

Mercato diMercato diAggiustamentoAggiustamento

Mercato delMercato delGiornoGiornoPrimaPrimaIPEXIPEX

9

Dispacciamento di meritoDispacciamento di meritoeconomico economico ((non non vincolatovincolato))

18


dispacciamento dispacciamento di meritodi meritoeconomicoeconomico Ipotesi:

Assenza di vincoli di trasmissione (unconstrained) Mercato perfettamente concorrenziale

Il gestore del mercato determina quantità eprezzo utilizzando un algoritmo Impostazione matematica del problema

Problema di massimizzazione vincolata Significato: massimizzazione del welfare Criterio: di merito economico

Prima gli impianti meno costosi Prima i consumatori con disponibilità a pagare più

elevata

10

19


esempio: due nodiesempio: due nodi

D1 D3D2

nodo 1 nodo 2

~ ~

G1 G3

~

G2

MW800=max

lF

20



G1

G2

G3

D1

D2

D3

€/MWh

MWh/h400 800

5

7.5

€/MWh

MWh/h400200

6.5

8

€/MWh

MWh/h700

3

€/MWh

MWh/h400 800

4

9

€/MWh10

MWh/h500

8.5

MWh/h700

€/MWh

11

21



€/MWh

MWh/h1600

700@3

400@5

[email protected]

[email protected]@8

500@10400@9

[email protected]

400@4

MCP =7.5

22



1200012000-1600totale

5250-0700D3

3000-400400D2

3750-0500D1

-52500700G3

-1500200200G2

-5250100700G1

pagamenti[€]

ricavi[€]

fuori merito[MWh]

quantità[MWh]

operatore

12

23


problema di massimizzazioneproblema di massimizzazione

Ipotesi: assenza di vincoli di rete Problema di ottimizzazione vincolata:

!

maxP

Bj, P

Si

S = Bj (PBj ) "

j=1

M

# Ci (PSi )

i=1

N

#

s.t. PBj =

j=1

M

# PSi

i=1

N

#

PSimin $ PSi $ PSi

max %i

PBjmin $ PBj $ PBj

max %j

Bilancio domanda-offerta

Vincoli di quantità

24


funzione obiettivofunzione obiettivo

Costo del produttore Benessere del consumatore

MWh/h

€/M

Wh

PSi

curva di offerta αi(PSi)

!

Ci(P

Si) = "

i(#)d#

0

PSi

$

€/M

Wh

MWh/hPBj

βj(PBj) curva di domanda

!

Bj(P

Bj) = "

j(#)d#

0

PBj

$

13

25



Curva aggregatadi domanda

Curva aggregatadei offerta

!

Bj(P

Bj)

j=1

M

"

!=

N

1i

Sii )P(C

26



Valore netto delle transazioni (socialwelfare): area tra curva aggregata didomanda e curva aggregata di offerta

!

S = Bj(P

Bj) "

j=1

M

# Ci(P

Si)

i=1

N

#

€/M

Wh

MWh/h

curva di offerta

curva di domanda

14

27


market clearing price (MCP)market clearing price (MCP)

Asta a prezzo uniforme: tutti iproduttori ricevono MCP perla potenza prodotta e tutti iconsumatori pagano MCP perla potenza acquistata

Il MCP è diverso dall’offerta diprezzo di tutti gli operatoritranne uno

curva di offerta

curva didomanda

€/M

Wh

MWh/hMCQ

MCP

28


surplus dei produttorisurplus dei produttori

Per ogni generatore i il profitto misura ladifferenza tra i ricavi (potenza venduta xMCP) e la curva di offerta

Il surplus totale dei produttori:

!=

=N

1i

S

i

SSS

N,...1i)P(CPMCPS SiiSiSi =!"=

15

29


surplus dei produttorisurplus dei produttori

S

2S

S

1S

S

3S

€/MWh

MWh/h1600

700@3

400@5

[email protected]@7.5 200@8

500@10400@9 [email protected]

400@4

MCP =7.5

4350SS=

30


surplus dei consumatorisurplus dei consumatori

Per ogni consumatore j il surplus misurala differenza tra la curva di domanda e ipagamenti (potenza acquistata x MCP)

Il surplus totale dei consumatori:

M,...1jPMCP)P(BS BjBjjBj =!"=

!=

=M

1j

B

j

B SS

16

31


surplus dei consumatorisurplus dei consumatori

B

2S B

3S

B

1S

€/MWh

MWh/h1600

700@3

400@5

[email protected]@7.5 200@8

500@10400@9 [email protected]

400@4

MCP =7.5

2550SB=

32


benessere collettivobenessere collettivo

surplus deiproduttori

surplus dei consumatori

€/MWh

MWh/h1600

700@3

400@5

[email protected]

[email protected]@8

500@10

400@[email protected]

400@4

MCP =7.5

6900SSCP=+

17

Dispacciamento di meritoDispacciamento di meritoeconomico economico ((vincolatovincolato))

34



D1 D3D2

nodo 1 nodo 2

~ ~

G1 G3

~

G2

MW800=max

lF

500 MW

700 MW700 MW 200 MW

400 MW 700 MW

Fl=? MW

18

35



D1 D3D2

nodo 1 nodo 2

~ ~

G1 G3

~

G2

MW800=max

lF

500 MW

700 MW700 MW 200 MW

400 MW 700 MW

Fl=900 MW

36



700 MW

D1 D3D2

nodo 1nodo 2

~ ~

G1 G3

~

G2

MW800=max

lF

500 MW

700 - 100 MW 200 + 100 MW

400 MW 700 MW

Fl=900-100 MW

Per eliminare il sovraccarico della linea riduco la produzione in G1 di100 MW e aumento la produzione più costosa in G2.Non è l’unica soluzione possibile: cerco quella meno costosa

19

37


esempio: due nodiesempio: due nodi Il limite di trasporto su una linea divide il

mercato in due mercati diversi, uno per ciascunnodo

Il generatore più economico al nodo 1 èutilizzato per soddisfare il carico nel nodo 2 finoal limite fisico di trasporto La domanda nel nodo 1 è modificata per

comprendere la domanda nel nodo 2 La domanda residua nel nodo 2 è soddisfatta

localmente

I due mercati hanno MCP diversi

38



400@4

700@3

400@5

[email protected]

500@[email protected]@9

[email protected]@8

€/M

Wh

€/M

Wh

MWh/h MWh/h

nodo 1 nodo 2

MW800=max

lF

20

39


[email protected] [email protected]


700@3400@5

[email protected]

500@[email protected]

400@4

400@9

200@8

MWh/h

[email protected]@9

8007.5

nodo 1 nodo 2

MW800=max

lF

€/M

Wh

€/M

Wh

MWh/h

200@3400@5

[email protected]

200@88

40


21

41


42



1255012150-1600totale

5600-8.0700D3

3200-8.0400D2

3750-7.5500D1

-52507.5700G3

-24008.0300G2

-45007.5600G1

pagam.[€]

ricavi[€]

prezzo[€]

quantità[MWh]

operat.

-

350

200

0

0

900

-750

variaz.[€]

22

43


congestionicongestioni

Introducono cambiamenti nell’equilibriodel mercato Da un prezzo unico a prezzi zonali (o nodali)

diversi Si modifica il dispacciamento nella produzione e

nella domanda Cambia il bilancio economico dei diversi

operatori

44



L’impatto delle congestioni si puòmisurare in termini di variazione nelsurplus degli operatori e di energia chedeve essere redispacciata: Rendita di congestione Costo di congestione (deadweight loss)

23

45


rendita di congestionerendita di congestione

La differenza tra quanto pagato dagli acquirentie quanto ricevuto dai produttori è la rendita dicongestione

La rendita di congestione è parte del benesseresociale!

" = MCPj

j=1

M

# $PBj% MCP

i

i=1

N

# $PSi

!

S = SB

+ SS

+"

46



MWh/h

€/M

Wh

€/M

Wh

200@8

[email protected]

700@3400@5

[email protected]

500@[email protected]@9

MWh/h

[email protected]@9

200@3400@5

[email protected]

nodo 1 nodo 2MW800=

max

lF

Calcolo il surplus nei due nodi

24

47



4450+2000+400=6850Benesseresociale

12550-12150=400Rendita dicongestione

2000totale4450totale

350B33150S3

400B2300S2

1250B11000S1

surplusacquirentesurplusproduttore

48



Calcolata più semplicemente come: Flusso sull’interconnessione

congestionata per differenza zonale deiprezzi:

800 MW x (0.5 €/MWh) = 400 €

E’ assegnata all’operatore della retedi trasmissione

25

49


costo di congestionecosto di congestione L’esistenza di una congestione produce una riduzione

nell’efficienza del mercato o perdita di welfare:

Esempio a due nodi:

!

S = 6900

S = 6850

" = #(S # S) = 50

!

" = #(S # S)

benessere sociale nelcaso constrained

50


costo di congestionecosto di congestione

Rappresenta il costo di utilizzareimpianti più costosi poiché non èpossibile trasportare potenza dallazona più economica

Si dice anche costo diredispacciamento perchécorrisponde al costo dellaproduzione out-of-merit

26

51


costo di congestionecosto di congestione

€/MWh

MWh/h1600

700@3

400@5

[email protected]

[email protected]@8

MCP =7.5

-100 +100

redispacciamento

Costo di redispacciamento=(8-7.5)*100=50

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curva di domanda

curva di offertacosto dicongestione

B

S

€/M

Wh

MWh/hPunconstr.

rendita dicongestione

K=limitetrasporto

MCP2

MCP1

S

S

27

53


effetto delle congestionieffetto delle congestioni In sintesi

Redispacciamento degli impianti Da prezzo unico a prezzi zonali diversi Si modifica il surplus di produttori e consumatori Rendita di congestione: differenza tra esborsi

consumatori e ricavi dei produttori (operatoredella trasmissione)

Perdita di welfare: aumento del costocomplessivo di generazione

54


effetto delle congestionieffetto delle congestioni Segnali economici di lungo periodo

Differenza tra prezzi zonali: localizzazione impianti diproduzione

Valore economico della trasmissione: riduce i costi diredispacciamento

Rendita di congestione: utilizzabile dal gestore dellarete per investimenti in espansione della capacità ditrasporto Conflitto di interessi

28

55


effetti della reteeffetti della rete

Perdite di rete Vincoli di trasmissione

La rete potrebbe non essere in grado ditrasportare la MCQ definita in Borsa in assenzadi controlli sulla rete

È necessario una rappresentazione della retenell’algoritmo che trova l’equilibrio del mercato Approccio zonale (mercato italiano) Approccio nodale

56


mercato non vincolatomercato non vincolato

!

maxP

Bj, P

Si

S = Bj (PBj ) "

j=1

M

# Ci (PSi )

i=1

N

#

s.t. PBj =

j=1

M

# PSi

i=1

N

# vincolo di bilancio

PSimin $ PSi $ PSi

max %i vincolo quantità di offerta

PBjmin $ PBj $ PBj

max %j vincolo quantità di acquisto

29

57


mercato vincolatomercato vincolato

!

maxP

Bj, P

Si

S = Bj (PBj ) "

j=1

M

# Ci (PSi )

i=1

N

#

s.t. PBj =

j=1

M

# PSi

i=1

N

# vincolo di bilancio

PSimin $ PSi $ PSi

max %i vincolo quantità di offerta

PBjmin $ PBj $ PBj

max %j vincolo quantità di acquisto

Fl (PS1,...PSN ;PB1,...,PBM ) $ Flmax % linea l vincoli di flusso in potenza attiva

58


approccio zonaleapproccio zonale Una “linea” di trasmissione (frontiera elettrica) è

congestionata se risulta saturato il limite di trasporto inpotenza attiva

Viene saturato il corrispondente vincolo di disuguaglianza

Il sistema di trasmissione si dice congestionato se visono una o più “linee” congestionate

!

Fl (PS1,...PSN ;PB1,...,PBM ) " Flmax

30

59


approccio zonaleapproccio zonale

60


approccio zonaleapproccio zonale Semplifica la gestione della rete di trasmissione

La rete è suddivisa in zone per ognuna delle quali è definito unlimite di scambio con le altre aree

Il valore limite è scelto in modo tale che se lo scambio èminore del valore massimo non ci siano congestioni sullelinee di interconnessione né sulle linee interne alle zone

Si esegue il mercato solo verificando che siano rispettati ivincoli di scambio tra le zone

Non richiede l’impiego di algoritmi molto sofisticati per trovarela soluzione di mercato

31

61


sicurezzasicurezza Considerazioni legate alla sicurezza portano a considerare il

funzionamento del sistema sia in condizioni normali che incondizioni di guasto

I limiti di flusso interzonale sono fissati considerando il casobase (condizioni normali) e un insieme predefinito di casi diguasto (sicurezza N-1)

Sicurezza N-1 correttiva

62


BibliografiaBibliografiaGreen R. (2000). ‘Competition in Generation: the Economic

Fundation’. IEEE Proceedings, Vol. 88, No. 2Gross G. (2003). ‘Congestion in Power System Operation’.

Presentazione al corso Uncertainty and Risk Managementin Electricity Markets, Politecnico di Milano

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