This research consists of two major independent topics; first, Generation Expansion Planning (GEP) models in a realistic framework and second, the islanding condition in presence of Renewable Energy Sources (RES). The traditional vertically integrated structure of the electric utility has been deregulated in recent years particularly by adopting the competitive market paradigm in many countries around the world. For instance, competitions have been emerged in the European power industry according to the EU-electricity guidelines during the last decade. In addition to these changes in the organization of the electricity market, the EU Emissions Trading Scheme (EU ETS) came into effect in 2005 which will have significant impacts on electricity industry in Europe. As the direct result of these novel developments, electric firms assume much more risk and become highly responsible for their own economic decisions demanding new models and sufficient tools to cover these new obligations and risks or to formulate their bidding strategies. On the other hand, it is necessary for the system regulator to understand how electric firms formulate their expected profit-maximizing bidding strategy to be able to identify possible market power abuse and limiting such them by introducing appropriate measures. In addition, the generation activity is more risky than in the past and so it becomes important to develop new tools to help decision makers to analyze the investment. As a result, developing the GEP model in a realistic framework becomes a crucial task. The purpose of this research is to develop a GEP model in a realistic framework. This first topic proposes a generation expansion planning model with CO2 emission and transmission constraints to analyze the possible impacts of the European emission trading system and transmission constraints on the power sector. The model will also be improved to analyze the effect of different incentive plans on RES capacity expansion. Further, the proposed model is developed to investigate the influence of already installed power plants in the generation mix. The possibility of the applying proposed procedures and models to real systems is verified by the numerical results with reference to the Italian electricity market (taking into account the zonal structure) and the EU ETS system as an illustration.

Il lavoro di ricerca proposto in questa tesi si articola in due principali tematiche. La prima è inerente la definizione di modelli per lo studio dell’espansione del parco di generazione in un contesto di libero mercato. La seconda, invece, è inerente la verificare del possibile funzionamento in isola di porzioni del sistema di subtrasmissione in presenza di fonti energetiche rinnovabili (FER) non programmabili. In merito alla prima tematica, il lavoro di ricerca parte dalla considerazione che in molti paesi il settore elettrico è stato aperto alla liberalizzazione adottando il paradigma della concorrenza con particolare riferimento alla produzione di energia elettrica. Per esempio, negli ultimi dieci anni, in tutta l’Unione Europea la liberalizzazione nel settore elettrico è stata introdotta dai vari paesi membri grazie a specifiche direttive emanate dalla Commissione Europea. Accanto a tale profonda ristrutturazione che ha caratterizzato l’intera filiera elettrica, sempre nell’UE a decorrere dal 2005 è entrato in vigore il sistema di scambio delle quote di emissione di gas serra (CO2) noto come EU ETS (EU Emissions Trading Scheme) che interagisce profondamento con il settore della produzione di energia elettrica, essendo questo uno dei principali responsabili delle emissioni di tali gas. Diretta conseguenza di questi profondi cambiamenti che hanno investito il settore elettrico è un incrementato rischio e una maggiore responsabilità nel definire le scelte strategiche da parte dei soggetti che vi operano. Per tale motivo, è opportuno disporre di nuovi modelli e strumenti per l’analisi dei rischi al fine di pervenire a scelte strategiche e di investimento più consapevoli. Anche dal punto di vista dei soggetti responsabili della regolazione del mercato elettrico, disporre di tali strumenti può aiutare a comprendere eventuali rischi associati al potere di mercato e al suo abuso da parte dei soggetti produttori di energia elettrica e quindi assumere adeguati provvedimenti finalizzati a contrastare tale problema. Uno dei settori della filiera elettrica più interessati dalla liberalizzazione e caratterizzato dalla presenza di elevati rischi è certamente quello della generazione. Per tale motivo, il presente lavoro di ricerca è stato focalizzato alla definizione di modelli per lo studio dell’espansione ottima della capacità di generazione nel lungo periodo. Tra gli obiettivi preposti rientra lo sviluppo di un modello in grado di rappresentare situazioni realistiche, anche in termini di numero di variabili e dimensioni del problema e quindi applicabile non solamente a sistemi test semplificati. In particolare, questa tesi propone un modello di pianificazione degli investimenti in capacità produttiva che tenga conto sia dell’interazione del sistema elettrico con il meccanismo di EU ETS e quindi con il valore dei diritti di emissione di CO2, sia con i vincoli di trasmissione dell’energia elettrica che influenzano fortemente i prezzi dell’energia e la dispacciabilità degli impianti di generazione, e quindi in ultima analisi la loro capacità di generare profitto per le compagnie di generazione. Sempre tra gli obiettivi proposti, rientra anche quello di analizzare l’impatto delle RES (e della relativa incentivazione) nella scelta degli investimenti in capacità di generazione. Naturalmente, il modello deve essere in grado di considerare opportunamente eventuali programmi di investimento già in essere, come pure la presenza di centrali di generazione già in esercizio che non abbiano ancora generato il ritorno atteso. Il modello proposto in tale tesi è stato testato applicandolo al caso italiano per verificarne le capacità di gestire una mole di dati, di variabili e di vincoli significativa. Il secondo tema di ricerca si colloca nel contesto del forte sviluppo delle FER che sta caratterizzando indubbiamente l’evoluzione dei moderni sistemi elettrici per l’energia. L’integrazione di queste fonti di energia, spesso non programmabili, pone nuovi problemi e richiede nuove soluzioni per garantire un sistema elettrico sicuro. In particolare, il lavoro di ricerca è finalizzato a individuare le condizioni necessarie e le relative azioni di controllo da intraprendere affinché una eventuale porzione del sistema di subtrasmissione possa funzionare in isola rispetto alla restante parte della rete elettrica. La procedura proposta è finalizzata a individuare preventivamente le azioni di controllo da intraprendere a valle della formazione dell’isola al fine di garantire l’alimentazione del maggiore carico elettrico possibile tenendo anche conto della presenza di impianti di generazione alimentati da FER non programmabili. L’algoritmo proposto è stato testato su sistemi rappresentativi di porzioni di rete di subtrasmissione realistici.

Equilibrium models for electricity market

GHOLAMI, MAJID

Abstract

This research consists of two major independent topics; first, Generation Expansion Planning (GEP) models in a realistic framework and second, the islanding condition in presence of Renewable Energy Sources (RES). The traditional vertically integrated structure of the electric utility has been deregulated in recent years particularly by adopting the competitive market paradigm in many countries around the world. For instance, competitions have been emerged in the European power industry according to the EU-electricity guidelines during the last decade. In addition to these changes in the organization of the electricity market, the EU Emissions Trading Scheme (EU ETS) came into effect in 2005 which will have significant impacts on electricity industry in Europe. As the direct result of these novel developments, electric firms assume much more risk and become highly responsible for their own economic decisions demanding new models and sufficient tools to cover these new obligations and risks or to formulate their bidding strategies. On the other hand, it is necessary for the system regulator to understand how electric firms formulate their expected profit-maximizing bidding strategy to be able to identify possible market power abuse and limiting such them by introducing appropriate measures. In addition, the generation activity is more risky than in the past and so it becomes important to develop new tools to help decision makers to analyze the investment. As a result, developing the GEP model in a realistic framework becomes a crucial task. The purpose of this research is to develop a GEP model in a realistic framework. This first topic proposes a generation expansion planning model with CO2 emission and transmission constraints to analyze the possible impacts of the European emission trading system and transmission constraints on the power sector. The model will also be improved to analyze the effect of different incentive plans on RES capacity expansion. Further, the proposed model is developed to investigate the influence of already installed power plants in the generation mix. The possibility of the applying proposed procedures and models to real systems is verified by the numerical results with reference to the Italian electricity market (taking into account the zonal structure) and the EU ETS system as an illustration.
BERIZZI, ALBERTO
18-mar-2013
Il lavoro di ricerca proposto in questa tesi si articola in due principali tematiche. La prima è inerente la definizione di modelli per lo studio dell’espansione del parco di generazione in un contesto di libero mercato. La seconda, invece, è inerente la verificare del possibile funzionamento in isola di porzioni del sistema di subtrasmissione in presenza di fonti energetiche rinnovabili (FER) non programmabili. In merito alla prima tematica, il lavoro di ricerca parte dalla considerazione che in molti paesi il settore elettrico è stato aperto alla liberalizzazione adottando il paradigma della concorrenza con particolare riferimento alla produzione di energia elettrica. Per esempio, negli ultimi dieci anni, in tutta l’Unione Europea la liberalizzazione nel settore elettrico è stata introdotta dai vari paesi membri grazie a specifiche direttive emanate dalla Commissione Europea. Accanto a tale profonda ristrutturazione che ha caratterizzato l’intera filiera elettrica, sempre nell’UE a decorrere dal 2005 è entrato in vigore il sistema di scambio delle quote di emissione di gas serra (CO2) noto come EU ETS (EU Emissions Trading Scheme) che interagisce profondamento con il settore della produzione di energia elettrica, essendo questo uno dei principali responsabili delle emissioni di tali gas. Diretta conseguenza di questi profondi cambiamenti che hanno investito il settore elettrico è un incrementato rischio e una maggiore responsabilità nel definire le scelte strategiche da parte dei soggetti che vi operano. Per tale motivo, è opportuno disporre di nuovi modelli e strumenti per l’analisi dei rischi al fine di pervenire a scelte strategiche e di investimento più consapevoli. Anche dal punto di vista dei soggetti responsabili della regolazione del mercato elettrico, disporre di tali strumenti può aiutare a comprendere eventuali rischi associati al potere di mercato e al suo abuso da parte dei soggetti produttori di energia elettrica e quindi assumere adeguati provvedimenti finalizzati a contrastare tale problema. Uno dei settori della filiera elettrica più interessati dalla liberalizzazione e caratterizzato dalla presenza di elevati rischi è certamente quello della generazione. Per tale motivo, il presente lavoro di ricerca è stato focalizzato alla definizione di modelli per lo studio dell’espansione ottima della capacità di generazione nel lungo periodo. Tra gli obiettivi preposti rientra lo sviluppo di un modello in grado di rappresentare situazioni realistiche, anche in termini di numero di variabili e dimensioni del problema e quindi applicabile non solamente a sistemi test semplificati. In particolare, questa tesi propone un modello di pianificazione degli investimenti in capacità produttiva che tenga conto sia dell’interazione del sistema elettrico con il meccanismo di EU ETS e quindi con il valore dei diritti di emissione di CO2, sia con i vincoli di trasmissione dell’energia elettrica che influenzano fortemente i prezzi dell’energia e la dispacciabilità degli impianti di generazione, e quindi in ultima analisi la loro capacità di generare profitto per le compagnie di generazione. Sempre tra gli obiettivi proposti, rientra anche quello di analizzare l’impatto delle RES (e della relativa incentivazione) nella scelta degli investimenti in capacità di generazione. Naturalmente, il modello deve essere in grado di considerare opportunamente eventuali programmi di investimento già in essere, come pure la presenza di centrali di generazione già in esercizio che non abbiano ancora generato il ritorno atteso. Il modello proposto in tale tesi è stato testato applicandolo al caso italiano per verificarne le capacità di gestire una mole di dati, di variabili e di vincoli significativa. Il secondo tema di ricerca si colloca nel contesto del forte sviluppo delle FER che sta caratterizzando indubbiamente l’evoluzione dei moderni sistemi elettrici per l’energia. L’integrazione di queste fonti di energia, spesso non programmabili, pone nuovi problemi e richiede nuove soluzioni per garantire un sistema elettrico sicuro. In particolare, il lavoro di ricerca è finalizzato a individuare le condizioni necessarie e le relative azioni di controllo da intraprendere affinché una eventuale porzione del sistema di subtrasmissione possa funzionare in isola rispetto alla restante parte della rete elettrica. La procedura proposta è finalizzata a individuare preventivamente le azioni di controllo da intraprendere a valle della formazione dell’isola al fine di garantire l’alimentazione del maggiore carico elettrico possibile tenendo anche conto della presenza di impianti di generazione alimentati da FER non programmabili. L’algoritmo proposto è stato testato su sistemi rappresentativi di porzioni di rete di subtrasmissione realistici.
Tesi di dottorato
File allegati
File Dimensione Formato  
thesis Gholami.pdf

Open Access dal 09/03/2014

Dimensione 3.42 MB
Formato Adobe PDF
3.42 MB Adobe PDF Visualizza/Apri

I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/74332