The integration of electricity market in Europe

The coupling of European Electricity Market (EEM) has been realized as the fundamental objective of the initial point being the Day Ahead Market (DAM). In the near future, the EEM will spread to the Intra Day Market (IDM) and Balancing Market (BM). The integration of the EEM has led to one single market with multi-areas which are considered as bidding areas. The Price Coupling of Regions (PCR) project, introduced in 2009 and operating since 2014, is an initiative for the DAM of seven power exchanges APX (the United Kingdom and Netherlands), Belpex (Belgium), Epex Spot (France, Germany), GME (Italy), Nord Pool Spot (Scandinavian countries), OMIE (Spain and Portugal), and PXE (Eastern European Countries). The Italian Power Exchange has become a part of the PCR since 24th January 2015. Thus, the impact of PCR on GME after years of operation needs to be investigated to evaluate the next step of the coupling market process in Italy. Subsequently, a joint integrated Intra-Day cross-zonal Market based on the continuous trading mechanism was presented in XBID Market Project in 2014 and is expected to run in the last quarter of 2017, operated. Therefore, this research is composed of two major topics: Firstly, the research focuses on the coupling of DAM in Europe from an economic and mathematics point of views. Here, the impact of PCR on GME is evaluated from three points of view: (i) the convergence of electricity price, (ii) congestion management, and (iii) the price maker in case of no congestion. The used data is available on GME, Epex Spot, France TSO, Austria TSO and ENTSO-E websites for 2014, 2015 and 2016. To operate the DAM, a market clearing tool (algorithm) has been developed by market operators, namely Pan-European Hybrid Electricity Market Integration Algorithm (EUPHEMIA). The development of this algorithm corresponds to three primary principles: (i) one single framework, (ii) robust operation, and (iii) individual accountability. However, this algorithm is not available to the research community. In this thesis, a complete European DAM model is developed in General Algebraic Modelling System (GAMS), formulating it as a Mix Integer Quadratic Constraint Problem (MIQCP) has been developed together with iterative procedures to mitigate the non-convexity of electricity prices across Europe due to the “fill or kill" condition of block, complex and Prezzo Unico Nazionale (PUN) orders. Eventually, two case studies reflecting the current European DAM evaluated the model, confirming its robustness and reliability. Nowadays, the payment of DAM is based on market clearing price by running EUPHEMIA. However, this conventional payment challenging because of the nonconvexity and the time-threshold for computation. Thus, the aim of this thesis is also to propose a new clearing model to mitigate this challenge. The model is based on the make-whole payment mechanism and includes two major steps: (i) maximizing social welfare, and (ii) achieving a Walrasian equilibrium by the “minimum-uplift approach". The proposed model is validated and investigated by two case studies which are the Western European and Italy DAM cases. Secondly, although the single IDM solution is decided to operate through the continuous trading matching algorithm, GME and OMIE refused to completely change their market design based on the Discrete Auction (DA). Therefore, the hybrid mechanism that presents the coordination of Continuous Trading (CT) and DA is still under discussion with two proposals from Italy and the Iberian countries. Thus, the aim of this research is to propose an advanced algorithm formulated as Mix Integer Linear Problem (MILP) can run DA, CT, and the coordination of DA-CT, incorporates all market rules of both mechanisms. The model was deployed in GAMS and MATLAB. Moreover, the Western European case study covers a whole length of IDM and is run by an iterative process to investigate the impact of the hybrid IDM model on the Iberian countries and Italy through their proposals. Last but not the least, the proposed model can cope with any change and expansion of the XBID project.

L’integrazione del Mercato Elettrico Europeo (MEE) è stato realizato al livello del Mercato del Giorno Prima (MGP). Nel prossimo futuro, lo MEE sarà realizato anche per il Mercato Infra-Giornaliero (MIG) e il Mercato di Bilanciamento (MB). In detaglio, l’integrazione del MEE ha portato a un singolo mercato basato su multi-zone che vengono considerate aree di oferta. Il progetto “Price Coupling of Regions” (PCR) introdotto in 2009 e in essercizio da 2014, rapressenta una iniziativa di sette operatori del MGP Europeo: APX (i Regni Uniti e l’Olanda), Belpex(Belgia), Epex Spot (Francia e Germania), GME (Italia), Nord Pool Spot (i paesi Scandinavi), OMIE (Spagna e Portogalo), e PXE (i paesi del Est Europa). L’operatore Italiano (GME) fa parte dal PCR dal 24 gennaio, 2015. Perciò, l'impatto della PCR sul GME dopo anni di funzionamento deve essere studiato per valutare il prossimo passo del processo di integrazione del mercato Italiano. Successivamente, nel 2014 è stato presentato un progetto cross-zonale integrato per il mercato infra-giornaliero basato sul meccanismo di negoziazione continua in XBID Market Project, previsto di diventare funzionale nel'ultimo trimestre del 2017. Pertanto, questa ricerca è composta da due argomenti principali: In primo luogo, la ricerca si concentra sull'integrazione del MGP al livello Europeo dal punto di vista economico e matematico. Qui, l'impatto del PCR sul GME viene valutato da tre punti di vista: (i) la convergenza del prezzo dell'energia elettrica, (ii) la gestione delle congestioni e (iii) lo price maker in caso di assenza di congestione. I dati utilizzati sono disponibili sui siti GME, Epex Spot, France TSO, Austria TSO e ENTSO-E per il 2014, 2015 e 2016. Per operare il MGP, uno strumento di compensazione del mercato (un algoritmo) è stato sviluppato dagli operatori di mercato, cioè l'algoritmo di integrazione del mercato elettrico ibrido paneuropeo (EUPHEMIA). Lo sviluppo di questo algoritmo corrisponde a tre principi primari: (i) un unico framework, (ii) funzionamento robusto e (iii) responsabilità individuale. Tuttavia, questo algoritmo non è disponibile per la comunità scientifica. Di conseguenza, in questa tesi un modello del MGP europeo completo è stato sviluppato in General Algebraic Modeling System (GAMS), formulandolo come un problema di Mixed-Integer Quadratic Constraint Programming (MIQCP) assieme a procedure iterative per mitigare la non-convessità alla condizione di "fill-or-kill" delle oferte a Bloco, Complesse oppure alle oferte sogette al Prezzo Unico Nazionale (PUN) .Finalmente, due case study che riflettono l'attuale MGP Europeo sono stati utilizati per valutare il modello, confermandone la robustezza e l’affidabilità di esso. Attualmente, il pagamento in MGP si basa sul prezzo marginale zonale del mercato calcolato da EUPHEMIA. Tuttavia, questo pagamento è impegnativo a causa della non-convessità e della soglia temporale per il calcolo della soluzione. Pertanto, lo scopo di questa tesi è anche quello di proporre un nuovo modello di pagamento per mitigare questa sfida. Il modello si basa sul meccanismo di pagamento del make-whole e comprende due passaggi principali: (i) massimizzare il benessere sociale e (ii) raggiungere un equilibrio walrasiano con l'approccio "a sollevamento minimo". Il modello proposto è validato e investigato da due casi di studio che sono i casi del MGP dell’Europa occidentale e del MGP italiano. In secondo luogo, sebbene si è decisso di gestire il MIG europeo attraverso l'algoritmo di matching continuo (CT), GME e OMIE hanno rifiutato di cambiare completamente il loro disegno di mercato basato sull'Asta discreta (DA). Pertanto, il meccanismo ibrido che realiza il coordinamento del CT e della DA è ancora in discussione con due proposte dall'Italia e dai paesi iberici. Perciò, lo scopo di questa ricerca è di proporre un algoritmo avanzato formulato come un Mixed-Integer Linear Problem (MILP) in grado di eseguire DA, CT e il coordinamento DA-CT e incorpora tutte le regole di mercato di entrambi i meccanismi. Tale modello è stato svilupato in GAMS e MATLAB. Inoltre, lo case study sull'Europa occidentale copre un'intera lunghezza del MIG ed è gestito da un processo iterativo per indagare l'impatto del modello ibrido sui paesi iberici e sull'Italia attraverso le loro proposte. Per l’ultimo, ma non meno importante, il modello proposto può far fronte a qualsiasi cambiamento ed espansione del progetto XBID.