Impact of TERRE project on replacement reserve exchanges between EU member states : study of costs evolution for national TSOs

Security of energy supply is if utmost importance for Transmission System Operators (TSOs) in managing the electricity network. In order to regulate the frequency of power systems, TSOs exploit reserve resources that are mainly provided by thermal power plants as they are programmable and able to easily modulate energy production. The increasing share of Non-Programmable Renewable Energy Sources (NP-RES) had a great impact on system balancing and security of supply. NP-RES, thanks to their nearly zero marginal cost, exclude from energy markets thermal plants. At the same time, TSOs procure resources for frequency control mainly through the Ancillary Services Market (ASM); in this market TSOs are the central counterpart, and flexible, programmable thermal plants are, currently, the only market operators. As a results of thermal plants exclusion from Day-Ahead and Intraday Markets, TSOs are often forced to strongly modify the positions of different power plants to cope with demand and production unpredictability, having enough power reserve for balancing operations. Balancing Markets are implemented in each country with different rules and time schedules. In this framework, the aim of European Project TERRE is the creation of a multinational market platform for cross-border exchange of replacement reserves, with the purpose of enhancing system interoperability and economic efficiency, while keeping n high level of security. In order to implement cross-border exchanges, an harmonization process is required for what concerns rules to be applied uniformly on the common market platform. To reach this goal, TERRE is based on a unique Common Merit Order List (CMOL), containing all ASM bids of member states, to leverage idle and cheaper resources of one country to cover neighbour TSOs needs. Exploiting this coupling mechanism, a reduction of the overall reserve provision costs is expected. This thesis work aims at assessing the cost opportunity of TSOs participating in TERRE project. To achieve this goal, a mathematical model is implemented, compliant to regulatory frameworks of all involved subject, to evaluate the costs incurred by each TSO in operating its national ASM and participating to TERRE project. In order to assess the results, the mathematical model is created in MATLAB®. The first step of simulation consists in the creation of TSOs needs and of offers coming from Balancing Service Providers (BSPs) connected to their national grids. Quantities and prices of needs and bids are generated using probability density functions around mean values registered in 2013. In the second phase, the algorithm solves national markets and coupled ones, using inputs created in the first step. An entire year is simulated, hence results are computed for 8760 hours. The outcomes of this second phase are used for the cost-opportunity analysis, which reveals favourable conditions for almost all TSOs involved in TERRE project.

La sicurezza nella fornitura di energia elettrica costituisce un elemento di fondamentale importanza per i gestori dei sistemi di trasmissione (TSO). Al fine di regolare la frequenza di rete, i TSOs sfruttano le risorse di riserva, principalmente fornite da centrali termoelettriche, poiché esse sono programmabili e in grado di modulare facilmente la propria potenza. La crescente quota di Fonti Rinnovabili Non Programmabili (FRNP) ha un grande impatto sul bilanciamento del sistema elettrico e sulla sicurezza del sistema, perché esse, grazie a costi marginali nulli, escludono dal mercato gli impianti termoelettrici. Allo stesso tempo, i TSOs si procurano le risorse necessarie per il controllo della frequenza principalmente nel Mercato dei Servizi di Dispacciamento (MSD). In esso, i TSOs sono la controparte centrale, mentre ad oggi gli unici attori di mercato sono gli impianti programmabili, in particolare quelli termoelettrici. Come risultato dell’esculsione di questi ultimi dai mercati del giorno prima e da quelli infragiornalieri, i TSOs son costretti a rinegoziare le posizioni degli impianti termoelettrici, modificandole in maniera spesso molto profonda, al fine di avere sufficiente riserva per fronteggiare l’imprevedibilità associata alla domanda e alla produzione di energia in tempo reale. I mercato del bilanciamento implementano regole e tempistiche differenti nei Paesi Membri. In questo contesto, l'obiettivo principale del progetto europeo TERRE è la creazione di una piattaforma di mercato multinazionale per lo scambio transfrontaliero di riserve per il bilanciamento, al fine di migliorare l’interoperabilità e l’efficienza economica del sistema energetico Europeo. Per questo, sono necessarie diverse armonizzazioni riguardanti le norme dei vari mercati nei diversi Paesi Membri che aderiscono al progetto. Il progetto, per raggiungere il suo obiettivo, crea un unico elenco contenente tutte le offerte dei singoli Paesi in ordine di prezzo (CMOL), per poter sfruttare le risorse inutilizzate più economiche di un Paese per coprire le necessità dei TSO degli Stati confinanti. Sfruttando il mercato aggregato, si prevede una riduzione dei costi che TSO devono sostenere nelle operazioni riguardanti gli ASM. Questo lavoro di tesi mira a valutare la possibilità e le opportunità finanziarie dei TSO che partecipano al progetto TERRE. Per raggiungere questo obiettivo, viene implementato un modello matematico, conforme ai quadri normativi di tutti i soggetti coinvolti, al fine di operare un'analisi della quantità di energia e dei relativi costi sostenuti per ciascun TSO operando il proprio ASM nazionale e attraverso la partecipazione di TERRE accoppiata mercato. Per valutare i risultati, il modello matematico è implementato in MATLAB®. Il primo passo della simulazione è la creazione dei fabbisogni dei TSOs e le offerte a loro pervenute dai fornitori di servizi di bilanciamento (BSP) collegati alla loro rete nazionale. Le quantità e i prezzi dei fabbisogni e delle offerte sono generati tramite l’utilizzo di funzioni densità di probabilità attorno ai valori medi assunti nel 2013. Nella seconda fase, l'algoritmo risolve i mercati nazionali e quello aggregato, utilizzando gli input creati in precedenza. La simulazione coinvolge un intero anno, quindi i risultati vengono calcolati per 8760 ore. I risultati della seconda fase vengono utilizzati per l'analisi dei costi-opportunità per i vari TSOs, che rivela, nella maggior parte dei casi, condizioni favorevoli per i TSOs che sfruttano il mercato europeo definito dal progetto TERRE.