Stochastic modelling of investment decisions of power sector and power system expansion

Στοχαστική μοντελοποίηση επενδυτικών αποφάσεων ηλεκτροπαραγωγής και προσομοίωση ανάπτυξης συστήματος

Stochastic modelling of investment decisions of power sector and power system expansion

Tasios, Nikolaos

Τασιός, Νικόλαος

PhD Thesis

2016

Οι επιχειρήσεις που δραστηριοποιούνται στον τομέα της ηλεκτροπαραγωγής αντιμετωπίζουν δύσκολες αποφάσεις σχετικά με το είδος και το μέγεθος των επενδύσεων. Η έκθεση της επιχείρησης στον ανταγωνισμό των αγορών ηλεκτρικής ενέργειας, η μεγάλη διάρκεια ζωής του σταθμού (η ανάκτηση του κεφαλαίου εξαρτάται από την λειτουργία σε αρκετά μελλοντικά έτη από την κατασκευή του σταθμού) καθώς και η μη αντιστρεψιμότητα των επενδύσεων συντελούν στην άποψη ότι η πλήρης ανάκτηση του επενδυμένου κεφαλαιουχικού κόστους είναι αβέβαιη. Επιπλέον, η επιχείρηση αντιμετωπίζει αβεβαιότητες που σχετίζονται με την περιβαλλοντική πολιτική, με τη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας και τις διεθνείς τιμές των καυσίμων.Συνεπώς καθίσταται αναγκαία η έρευνα με στόχο την προσαρμογή και επέκταση των μαθηματικών εργαλείων βελτιστοποίησης που συμβατικά χρησιμοποιούνται για τη μελέτη σκοπιμότητας και προγραμματισμού επενδύσεων στην ηλεκτροπαραγωγή. Οι συμβατικές μεθοδολογίες των εργαλείων αυτών παρουσιάζουν έλλειμμα τόσο στην αναπαράσταση και διαχείριση της αβεβαιότητας εντός της βελτιστοποίησης, όσο και στα κριτήρια απόφασης με βάση τα οποία καθοδηγείται η μαθηματική βελτιστοποίηση, καθώς επίσης και αναπαράστασης αυτών σε συνθήκες ολιγοπωλιακού ανταγωνισμού.Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής αφορά τη στοχαστική μοντελοποίηση των επενδυτικών αποφάσεων ηλεκτροπαραγωγής και την προσομοίωση σε μαθηματικό υπόδειγμα της ανάπτυξης συστήματος, προτείνοντας και δοκιμάζοντας αριθμητικά εμπειρικές μεθοδολογίες μοντελοποίησης της αβεβαιότητας και των επιχειρηματικών αποφάσεων με έντονη αποφυγή κινδύνου στο πλαίσιο ατελούς ανταγωνισμού.Αρχικά, γίνεται κωδικοποίηση του πλήρους υποδείγματος βέλτιστης ανάπτυξης συστήματος και λειτουργίας ηλεκτρικού συστήματος σε μακροχρόνιο ορίζοντα, ακολουθώντας το αιτιοκρατικό πρότυπο. Στη συνέχεια, γίνεται κωδικοποίηση και ενσωμάτωση των αβεβαιοτήτων που αφορούν σε πολλούς παράγοντες, όπως το κόστος αγοράς καυσίμων και το κόστος αγοράς δικαιωμάτων εκπομπών CO2, και εξελίσσονται με το χρόνο. Έγινε η υπόθεση ότι τα στοχαστικά μεγέθη ακολουθούν γνωστές κατανομές.Ακολούθως, κωδικοποιήθηκε μεγάλο εύρος των τυποποιημένων συμπεριφορών απόφασης υπό συνθήκες κινδύνου και αβεβαιότητας. Η κωδικοποίηση και η εμπειρική δοκιμή πολλών εναλλακτικών προτύπων απόφασης υπό συνθήκες αβεβαιότητας στο πλαίσιο του ηλεκτρικού συστήματος και της αγοράς, επέτρεψε στην έρευνα να προτείνει αξιολόγηση των προτύπων αυτών σχετικά με την καταλληλότητά τους στην αναπαράσταση των επενδυτικών αποφάσεων υπό διάφορους τύπους συμπεριφορών αποφυγής κινδύνου και ιδιαίτερα όταν η συμπεριφορά επιδιώκει περιορισμό της ζημίας παρά μεγιστοποίηση του κέρδους. Ειδικότερα κωδικοποιήθηκαν συμπεριφορές ουδέτερες στον κίνδυνο όπως είναι τα υποδείγματα που χρησιμοποιούν την μέση τιμή. Κωδικοποιήθηκαν συμπεριφορές που λαμβάνουν υπόψιν την μέση τιμή και την διακύμανση του προς βελτιστοποίηση μεγέθους (προσέγγιση Markowitz) καθώς και συμπεριφορές που εξασφαλίζουν «ανοσία» (immunity) σε όλα τα δυνατά ενδεχόμενα.Επιπλέον, η έρευνα υλοποίησε αριθμητικά μοντέλα μεγάλου μεγέθους με εφαρμογή στις χώρες της ΕΕ και ορίζοντα το 2050. Η εμπειρική μελέτη χρησιμοποίησε πολλές παραλλαγές των μοντέλων που αναπτύχθηκαν στη διατριβή με τρόπο ώστε να μελετηθεί η ευαισθησία των αποτελεσμάτων (επενδύσεων ηλεκτροπαραγωγής) για διάφορες χώρες υπό διαφορετικές συνθήκες ανταγωνισμού στην αγορά, αβεβαιοτήτων και τύπων απόφασης εξαρτώμενης από διαφορετικές συμπεριφορές έναντι του κινδύνου. Η έρευνα μελέτησε συγκριτικά τα αποτελέσματα όλων των παραλλαγών του μοντέλου και των περιπτώσεων εφαρμογής με σκοπό να επιβεβαιώσει και αριθμητικά τη συσχέτιση του τρόπου μαθηματικής κωδικοποίησης των επενδυτικών αποφάσεων υπό διάφορες συνθήκες αβεβαιότητας με το εύρος των τυποποιημένων συμπεριφορών έναντι του κινδύνου. Η εμπειρική αυτή ανάλυση δικαιολογεί τα συμπεράσματα που εξάγονται σχετικά με την καταλληλότητα καθεμίας μαθηματικής κωδικοποίησης εν σχέση με τους τύπους συμπεριφοράς.

Companies operating in the electricity sector face difficult decisions about the type and size of the investment. The exposure in a competitive electricity market, the long life of power stations (the recovery of capital cost depends on the operation in several future years from the construction of the station) and the irreversibility of the investment contributes to the view that full recovery of the invested capital cost is uncertain. Moreover, the company faces uncertainties related to environmental policy, future development of electricity demand and international fuel prices.Therefore it is necessary to research towards adaptation and extension of mathematical optimization tools conventionally used for the feasibility study and planning of investment in power generation. Conventional methodologies of these tools draw back both in representation and management of uncertainty in the optimization, and decision criteria that are used for mathematical optimization, as well as in the representation of oligopolistic competition.The subject of this thesis concerns the stochastic modeling of investment decisions of power sector and the simulation as a mathematical model of system development, proposing and testing numerically empirical methodologies modeling uncertainty and business decisions with strong risk aversion in the context of imperfect competition.Initially, the optimal power system operation and development in the long term is analysed in a deterministic way. Then, uncertainties related to many factors, such as the purchase of fuel costs and the cost of buying CO2 emission rights, which evolve over time, are introduced into the model. It is assumed that all stochastic parameters follow known distributions and processes.Then, wide range of typical behaviours against risk and uncertainty was codified. The coding and empirical testing of many alternative decision models under uncertainty within the power system and power market, allowed the research to propose evaluation of these decision models on their suitability in the representation of investment decisions under various behaviour types of risk avoidance, especially when behaviour seeks loss minimization rather than profit maximization. Specifically, risk-neutral behaviors as models using the expected value are codified. Moreover, behaviors that take into account the mean and variance of objective function (Markowitz approach) and behaviours that ensure "immunity» (immunity) in all possible eventualities are also codified.In addition, research has also developed large scale numerical models of the EU member-states with running horizon untill 2050. The empirical study used many variations of the models developed in the thesis so as to study the sensitivity of the results (investment of power sector) for several countries under different market conditions, uncertainties and decision types dependent on different attitudes towards risk. The research also studied comparatively the results of all model variants in order to ascertain numerically the correlation of the mathematical coding of investment decisions under different conditions of uncertainty with the range of typical attitudes towards risk. This empirical analysis justifies the conclusions drawn about the suitability of each mathematical model in relation to the types of behavior.

Επιστήμες Μηχανικού και Τεχνολογία ➨ Επιστήμη Ηλεκτρολόγου Μηχανικού, Ηλεκτρονικού Μηχανικού, Μηχανικού Η/Υ

Μοντέλο ενεργειακής οικονομίας

Real options theory

Oligopolistic power market model

Στοχαστικός προγραμματισμός δύο σταδίων

Επιστήμη Ηλεκτρολόγου Μηχανικού, Ηλεκτρονικού Μηχανικού, Μηχανικού Η/Υ

Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering

Σύγχρονη θεωρία χαρτοφυλακίου(ανάλυση μέσου διακύμανσης-προσέγγιση Markowitz)

Αξιολόγηση ενεργειακών πολιτικών

Λήψη απόφασης σε περιβάλλον με αβεβαιότητα

Επιστήμες Μηχανικού και Τεχνολογία

Engineering and Technology

Μεγιστοποίηση πιθανότητας αποφυγής ζημίας

Μοντέλο ολιγοπωλιακού ανταγωνισμού ηλεκτρικής αγοράς

Decision making under uncertainty

Evaluation of energy policy

Θεωρία δικαιωμάτων προαίρεσης

Failure avoidance

Two stage stochastic programming

Modern portfolio theory(mean-variance analysis-Markowitz approach)

Energy economy model

Ελληνική γλώσσα

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο (ΕΜΠ)

National Technical University of Athens (NTUA)

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο (ΕΜΠ). Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Ηλεκτρικής Ισχύος

Εθνικό Κέντρο Τεκμηρίωσης και Ηλεκτρονικού Περιεχομένου (ΕΚΤ)

Εθνικό Αρχείο Διδακτορικών Διατριβών

Συλλογή ΕΑΔΔ