Flow-based electricity market coupling : a statistical analysis of the domain

One of the most current challenging target of the European Union is the complete integration of its electricity market. The process of Market Coupling (MC) has been introduced to account for cross-border transmission capacity and consequently optimize the efficiency of power trading. In particular, the successful introduction on 21 May 2015 of the capacity allocation Flow-Based (FB) method in Central Western Europe (CWE), is a crucial milestone for European market integration. FB MC accounts for the physical properties of the power network, thus providing a better representation of the actual grid situation. Since this method has been implemented, the flow-based domain has attracted the interest of market traders, as they wonder if it is possible to forecast the electricity price by analysing the past hourly feasible domains. In this work, using tools from shape analysis and object-oriented data analysis, I introduce a formal approach to the statistical investigation of the flow-based domain. I consider this to be a first important step toward a study which will eventually lead to price forecast. In the first part of the work, after a comprehensive introduction to the electricity market, I explore the main features of the Flow-Based MC, and focus on its domain. Then, I design an innovative line of action to approximate the flow-based domain, in order to simplify the complexity of its shape, and use mathematical and statistical tools for an effective identification of some of its characteristics, which are based on the ”physical” properties of the Flow-Based Market Coupling. Finally, the approximation of the flow-based domain allows us to apply specific clustering procedures, which complete the study with a readable translation of results helpful for market traders.

Negli ultimi anni, uno degli obiettivi più impegnativi dell’Unione Europea è stato quello di creare un mercato elettrico che sia completamente integrato. Il processo di Market Coupling, ovvero di “accoppiamento” del mercato, è stato introdotto al fine di considerare le capacità di trasmissione transfrontaliere (cross-border) e, conseguentemente, ottimizzare l’efficienza degli scambi di energia. In particolare, il 21 maggio 2015, è stato introdotto con successo un nuovo metodo di allocazione della capacità dell’Europa centrale, chiamato metodo Flow-Based. L’introduzione del Flow-Based è sicuramente uno step fondamentale verso l’integrazione del mercato elettrico europeo. Il metodo Flow-Based prende in considerazione le proprietà fisiche della rete di trasmissione dell’energia elettrica, fornendo così una miglior rappresentazione delle condizioni della rete. Da quando questo metodo è stato messo in pratica, i traders hanno posto la propria attenzione sul dominio ammissibile del problema, chiedendosi se fosse possibile prevedere i prezzi di scambio dell’elettricità tramite l'analisi dei dati storici proprio dei domini. In questa tesi, utilizzando strumenti di shape analysis e object-oriented data analysis, è stato introdotto un approccio formale all'investigazione statistica del dominio flow-based: questa analisi può essere considerata un primo importante passo verso uno studio che porterà, infine, alla previsione dei prezzi. Nella prima parte del lavoro, dopo una generale introduzione al mercato energetico, verranno evidenziate le principali caratteristiche del Flow-Based Market Coupling, concentrandosi sul dominio. Successivamente, verrà presentata una innovativa linea d’azione per l’approssimazione del dominio stesso, per ridurre la complessità della sua forma, e poter così utilizzare strumenti matematici e statistici che identifichino in maniera efficace alcune delle sue caratteristiche, che rispecchiano le proprietà “fisiche” del Flow-Based Market Coupling. Infine, l’approssimazione del dominio permetterà di applicare specifiche procedure di clustering, presentate nell'ultima parte della tesi insieme ad una traduzione comprensiva dei risultati utili per i traders del mercato elettrico.