Mercato Elettrico 1

Mercato elettrico 1. Economia dei Servizi e delle Reti Elena Fumagalli Dip. Ingegneria Gestionale E-mail: [email protected] ottobre 08

indice  Economia dei Servizi e delle reti



Disegno e funzione del mercato Dispacciamento di merito economico  

Mercato unconstrained Mercato constrained

2

1

settore elettrico  Economia dei Servizi e delle reti

Nel settore elettrico le caratteristiche tecniche svolgono un ruolo decisivo nella scelta del disegno di mercato      

Difficoltà nell’immagazzinare energia elettrica Domanda anelastica al prezzo e varia con periodicità giornaliera e stagionale Stabilità tensione e frequenza (bilanciamento in tempo reale) Indisponibilità della generazione o della rete (manutenzione e fuori servizio) Complessità generazione: rampe di carico, minimi di potenza,… Infrastruttura condivisa (congestioni) 3

mercato all’ingrosso  Economia dei Servizi e delle reti

Ruolo svolto dal monopolista preliberalizzazione 







Dispacciamento impianti  Nota la previsione di domanda  Note le funzioni di costo di produzione degli impianti Verifica della fattibilità del dispacciamento  Noto lo stato della rete di trasmissione Approvvigionamento servizi di dispacciamento  Necessari per la gestione in sicurezza del sistema Al minimo costo

4

2

mercato all’ingrosso 

Funzioni svolta dal mercato all’ingrosso 

Economia dei Servizi e delle reti







Dispacciamento degli impianti  Date le offerte lato domanda  Date le offerte dei produttori Assegna i diritti di transito sulla rete  Noto lo stato della rete di trasmissione con un modello semplificato Approvvigionamento delle risorse per i servizi di dispacciamento Massimizzando il welfare

5

mercato all’ingrosso: prodotti scambiati 

Energia per il consumo 

Economia dei Servizi e delle reti





Mercato dell’energia Operatori: produttori e consumatori

Energia e potenza per:   

 

Risoluzione delle congestioni Bilanciamento Riserva di generazione,… Mercato dei servizi di dispacciamento Operatori: produttori e gestore della rete 6

3

mercato all’ingrosso: intervalli temporali Economia dei Servizi e delle reti

 

Decisioni per un dato intervallo temporale Unità di tempo:  

1 ora nel mercato energia 1/4 ora nel mercato servizi dispacciamento

un anno prima

un mese prima

un giorno prima

ora

tempo

7

mercato all’ingrosso  Economia dei Servizi e delle reti



Mercato dell’energia per il consumo Organizzazione del mercato:   

Modello pool: solo mercato organizzato (Borsa Elettrica) Modello bilaterali (solo scambi individuali) Modello ibrido (possibili entrambe le modalità di scambio)

8

4

modello pool 

Modello pool 

Economia dei Servizi e delle reti

La borsa è l’unico compratore per i produttori e l’unico venditore per consumatori …

Produttore 1 MWh

…

Produttore i MWh

€

Produttore N

MWh

€

€

BORSA MWh Acquirente 1

€ MWh

€ …

€

MWh

Acquirente j

…

Acquirente M 9

modello pool  Economia dei Servizi e delle reti





Venditori: produttori, grossisti Acquirenti: consumatori, grossisti, distributori, produttori L’operatore del mercato raccoglie le offerte a vendere e ad acquistare 





offerte chiuse in prezzo e quantità

L’operatore utilizza un algoritmo per determinare l’insieme delle offerte accettate e individuare un prezzo di mercato L’esito del mercato determina il dispacciamento degli impianti di generazione e i prelievi dei consumatori 10

5

modello pool Economia dei Servizi e delle reti

D1 €

+

D2

q1

…

=

D q1+q2

q2

Aggregata delle offerte di acquisto

D

O

MCP O1 € q1

+

O2

… =

O

MCQ

q1+q2

q2

Aggregata delle offerte di vendita 11

modello pool  Economia dei Servizi e delle reti

Regola di prezzo non discriminatoria (asta a prezzo uniforme): 



tutti i produttori e tutti gli acquirenti le cui offerte sono state accettate ricevono e pagano lo stesso prezzo prezzo pari al costo marginale di sistema, cioè al prezzo richiesto dall’impianto meno economico tra quelli chiamati a produrre

12

6

modello bilaterali Produttori e consumatori definiscono le transazioni su base bilaterale in modo autonomo e privato

 Economia dei Servizi e delle reti



Il gestore della rete viene notificato delle transazioni definite dagli operatori e ne autorizza l’implementazione salvo vincoli di rete Produttore 1

…

Produttore i

CONTRATTI BILATERALI MWh

€

€

MWh

Acquirente 1

…

Acquirente j

13

modello bilaterali  Economia dei Servizi e delle reti

D1

D2

… 

O1

O2

P2

P1 Q1

…

n transazioni n prezzi P1, P2 … n quantità Q1, Q2, … Se il mercato fosse perfettamente concorrenziale tutti i prezzi tenderebbero al MCP e la somma delle quantità alla MCQ

Q2

14

7

modello ibrido (mercato italiano) 

Compravendita all’ingrosso dell’energia elettrica avviene tramite contratti conclusi

Economia dei Servizi e delle reti





Nel sistema delle offerte: mercato organizzato o borsa dell’energia ad accesso facoltativo Al di fuori del sistema delle offerte: sistema di scambi decentrati basati su contratti bilaterali tra operatori Produttore 1

…

Produttore i

Borsa

CONTRATTI BILATERALI MWh

€

Acquirente 1

MWh

…

€

Acquirente j

15

mercato organizzato (borsa elettrica) Economia dei Servizi e delle reti

IPEX

Mercato del Giorno Prima

Mercato di Aggiustamento

Mercato dei servizi di dispacciamento

Risorsa

Energia

Energia

Energia per la risoluzione delle congestioni e per i margini di riserva

Operatori ammessi a partecipare

Operatori di Mercato

Operatori di Mercato

Utenti di dispacciamento

Utenti di dispacciamento

Prezzo

Prezzo di equilibrio

Prezzo di equilibrio

Prezzo offerto

Prezzo offerto

Energia per il bilanciamento in tempo reale

16

8

Dispacciamento di merito economico (non vincolato)

dispacciamento di merito economico 

Ipotesi: 

Economia dei Servizi e delle reti





Assenza di vincoli di trasmissione (unconstrained) Mercato perfettamente concorrenziale

Il gestore del mercato determina quantità e prezzo utilizzando un algoritmo 

 

Impostazione matematica del problema  Problema di massimizzazione vincolata Significato: massimizzazione del welfare Criterio: di merito economico  Prima gli impianti meno costosi  Prima i consumatori con disponibilità a pagare più elevata 18

9

esempio: due nodi Economia dei Servizi e delle reti

G1

G3

G2

~

~

~ nodo 2

nodo 1

Fl max = 800 MW

D1

D2

D3

19

esempio: due nodi €/MWh

10

7.5 Economia dei Servizi e delle reti

G1

D1

5

400 8

G2

€/MWh

800

MWh/h

€/MWh

9

D2

6.5

€/MWh

4

MWh/h

200 400

MWh/h

500

400

800

MWh/h

€/MWh

€/MWh 8.5

G3

D3

3 700

MWh/h

700

MWh/h 20

10

esempio: due nodi €/MWh

500@10 400@9

Economia dei Servizi e delle reti

[email protected]

MCP =7.5

[email protected]

200@8

[email protected] 400@5

400@4

700@3

1600

MWh/h 21

esempio: due nodi operatore

quantità [MWh]

fuori merito [MWh]

ricavi [€]

pagamenti [€]

G1

700

100

5250

-

G2

200

200

1500

-

G3

700

0

5250

-

D1

500

0

-

3750

D2

400

400

-

3000

D3

700

0

-

5250

1600

-

12000

12000

Economia dei Servizi e delle reti

totale

22

11

problema di massimizzazione  Economia dei Servizi e delle reti



Ipotesi: assenza di vincoli di rete Problema di ottimizzazione vincolata: M

N

max S = # B j (PBj ) "# Ci (PSi )

PBj , PSi

j=1

i=1

M

N

Bilancio domanda-offerta

# PBj =# PSi

s.t.

j=1

PSimin PBjmin

i=1

$ PSi $ PSimax

%i

PBjmax

%j

$ PBj $

Vincoli di quantità

23

!

funzione obiettivo 

Costo del produttore

Benessere del consumatore



curva di offerta αi(PSi)

PSi

Ci (PSi ) =

$

PSi 0

€/MWh

€/MWh

Economia dei Servizi e delle reti

βj (P Bj) curva di domanda

PBj

MWh/h

" i (# )d#

Bj (PBj ) =

$

PBj 0

MWh/h

" j (# )d# 24

!

!

12

funzione obiettivo Economia dei Servizi e delle reti





Curva aggregata di domanda

! Curva aggregata dei offerta

M

" B (P j

Bj

)

j=1

N

! C (P i =1

i

Si

)

25

funzione obiettivo 

Valore netto delle transazioni (social welfare): area tra curva aggregata di domanda e curva aggregata di offerta

€/MWh

Economia dei Servizi e delle reti

curva di offerta

curva di domanda MWh/h M

N

S = # Bj (PBj ) "# Ci (PSi ) j=1

i=1

26

!

13

market clearing price (MCP) 



Asta a prezzo uniforme: tutti i produttori ricevono MCP per la potenza prodotta e tutti i consumatori pagano MCP per MCP la potenza acquistata Il MCP è diverso dall’offerta di prezzo di tutti gli operatori tranne uno €/MWh

Economia dei Servizi e delle reti

curva di offerta

curva di domanda

MCQ

MWh/h

27

surplus dei produttori  Economia dei Servizi e delle reti

Per ogni generatore i il profitto misura la differenza tra i ricavi (potenza venduta x MCP) e la curva di offerta

SiS = MCP " PSi ! Ci(PSi ) 

i = 1,...N

Il surplus totale dei produttori: SS =

N

S i

!S i =1

28

14

surplus dei produttori Economia dei Servizi e delle reti

€/MWh

SS = 4350

500@10 400@9

[email protected]

MCP =7.5 S 1

S S3S

S2S

[email protected] [email protected]

400@5

200@8

400@4

700@3

1600

MWh/h 29

surplus dei consumatori  Economia dei Servizi e delle reti

Per ogni consumatore j il surplus misura la differenza tra la curva di domanda e i pagamenti (potenza acquistata x MCP)

SBj = B j(PBj ) " MCP ! PBj 

j = 1,...M

Il surplus totale dei consumatori: B

S =

M

B j

!S j =1

30

15

surplus dei consumatori Economia dei Servizi e delle reti

€/MWh

MCP =7.5

500@10 400@9

S1B

SB2

SB = 2550 [email protected]

SB3

[email protected] [email protected]

200@8

400@4

400@5 700@3

1600

MWh/h 31

benessere collettivo €/MWh

SP + SC = 6900

500@10 400@9

Economia dei Servizi e delle reti

MCP =7.5

[email protected]

surplus dei consumatori [email protected]

surplus dei produttori

200@8

[email protected] 400@5

400@4

700@3

1600

MWh/h 32

16

Dispacciamento di merito economico (vincolato)

esempio: due nodi 700 MW 700 MW Economia dei Servizi e delle reti

200 MW

G1

G3

G2

~

~

~ nodo 1

D1 500 MW

nodo 2

Fl=? MW

Fl max = 800 MW

D2 400 MW

D3 700 MW

34

17

esempio: due nodi 700 MW 700 MW Economia dei Servizi e delle reti

200 MW

G1

G3

G2

~

~

~ nodo 1

nodo 2

Fl=900 MW

Fl max = 800 MW

D1 500 MW

D2

D3

400 MW

700 MW

35

esempio: due nodi 700 - 100 MW Economia dei Servizi e delle reti

200 + 100 MW

G1

G3 700 MW

G2

~

~

~ nodo 1

nodo 2

Fl=900-100 MW Fl max = 800 MW

D1 500 MW

D2 400 MW

D3 700 MW

Per eliminare il sovraccarico della linea riduco la produzione in G1 di 100 MW e aumento la produzione più costosa in G2. Non è l’unica soluzione possibile: cerco quella meno costosa 36

18

esempio: due nodi  Economia dei Servizi e delle reti



Il limite di trasporto su una linea divide il mercato in due mercati diversi, uno per ciascun nodo Il generatore più economico al nodo 1 è utilizzato per soddisfare il carico nel nodo 2 fino al limite fisico di trasporto  



La domanda nel nodo 1 è modificata per comprendere la domanda nel nodo 2 La domanda residua nel nodo 2 è soddisfatta localmente

I due mercati hanno MCP diversi

37

€/MWh

Economia dei Servizi e delle reti

€/MWh

esempio: due nodi 500@10 [email protected] 400@5

400@9

[email protected]

200@8 [email protected]

400@4

700@3 MWh/h

nodo 1

Fl max = 800 MW

MWh/h

nodo 2

38

19

€/MWh

€/MWh

esempio: due nodi 500@10

Economia dei Servizi e delle reti

7.5

400@9

[email protected]

800

[email protected]

400@5 700@3

400@9

8

[email protected] 200@8 200@8 [email protected] [email protected] [email protected] 400@5 400@4 200@3

MWh/h

nodo 1

Fl max = 800 MW

MWh/h

nodo 2

39

Economia dei Servizi e delle reti

40

20

Economia dei Servizi e delle reti

41

esempio: due nodi Economia dei Servizi e delle reti

operat.

quantità [MWh]

prezzo [€]

ricavi [€]

pagam. [€]

variaz. [€]

G1

600

7.5

4500

-

-750

G2

300

8.0

2400

-

900

G3

700

7.5

5250

-

0

D1

500

7.5

-

3750

0

D2

400

8.0

-

3200

200

D3

700

8.0

-

5600

350

1600

-

12150

12550

-

totale

42

21

congestioni  Economia dei Servizi e delle reti

Introducono cambiamenti nell’equilibrio del mercato 





Da un prezzo unico a prezzi zonali (o nodali) diversi Si modifica il dispacciamento nella produzione e nella domanda Cambia il bilancio economico dei diversi operatori

43

congestioni  Economia dei Servizi e delle reti

L’impatto delle congestioni si può misurare in termini di variazione nel surplus degli operatori e di energia che deve essere redispacciata:  

Rendita di congestione Costo di congestione (deadweight loss)

44

22

rendita di congestione Economia dei Servizi e delle reti



La differenza tra quanto pagato dagli acquirenti e quanto ricevuto dai produttori è la rendita di congestione M

N

" = # MCPj $ PBj % # MCPi $ PSi j=1



i=1

La rendita di congestione è parte del benessere ! sociale

S = SB + SS +"

45

!

esempio: due nodi Calcolo il surplus nei due nodi

500@10

400@9

7.5

[email protected]

€/MWh

€/MWh

Economia dei Servizi e delle reti

400@9

8

[email protected]

[email protected] 700@3

400@5 200@3

400@5

MWh/h

MWh/h

nodo 1

Fl max = 800 MW

200@8

[email protected] [email protected]

nodo 2

46

23

rendita di congestione produttore

surplus

acquirente

surplus

S1

1000

B1

1250

S2

300

B2

400

S3

3150

B3

350

totale

4450

totale

2000

Economia dei Servizi e delle reti

Rendita di congestione Benessere sociale

12550-12150=400 4450+2000+400=6850

47

rendita di congestione  Economia dei Servizi e delle reti

Calcolata più semplicemente come: 





Flusso sull’interconnessione congestionata per differenza zonale dei prezzi: 800 MW x (0.5 €/MWh) = 400 €

E’ assegnata all’operatore della rete di trasmissione

48

24

costo di congestione  Economia dei Servizi e delle reti

L’esistenza di una congestione produce una riduzione nell’efficienza del mercato o perdita di welfare:

" = #(S # S) benessere sociale nel caso constrained



! Esempio a due nodi:

S = 6900 S = 6850

" = #(S # S) = 50 49

!

costo di congestione  Economia dei Servizi e delle reti



Rappresenta il costo di utilizzare impianti più costosi poiché non è possibile trasportare potenza dalla zona più economica Si dice anche costo di redispacciamento perché corrisponde al costo della produzione out-of-merit 50

25

costo di congestione €/MWh Costo di redispacciamento=(8-7.5)*100=50

Economia dei Servizi e delle reti

[email protected]

MCP =7.5

200@8

[email protected] redispacciamento

400@5 -100

700@3

+100

1600

MWh/h 51

congestioni B

€/MWh

Economia dei Servizi e delle reti

S

rendita di congestione curva di offerta costo di congestione

MCP1 curva di domanda MCP2

S

S

K=limite Punconstr. trasporto

MWh/h 52

26

effetto delle congestioni 

In sintesi 

Economia dei Servizi e delle reti

  



Redispacciamento degli impianti Da prezzo unico a prezzi zonali diversi Si modifica il surplus di produttori e consumatori Rendita di congestione: differenza tra esborsi consumatori e ricavi dei produttori (operatore della trasmissione) Perdita di welfare: aumento del costo complessivo di generazione

53

effetto delle congestioni 

Segnali economici di lungo periodo

Economia dei Servizi e delle reti







Differenza tra prezzi zonali: localizzazione impianti di produzione Valore economico della trasmissione: riduce i costi di redispacciamento Rendita di congestione: utilizzabile dal gestore della rete per investimenti in espansione della capacità di trasporto  Conflitto di interessi 54

27

effetti della rete  Economia dei Servizi e delle reti



Perdite di rete Vincoli di trasmissione 



La rete potrebbe non essere in grado di trasportare la MCQ definita in Borsa in assenza di controlli sulla rete È necessario una rappresentazione della rete nell’algoritmo che trova l’equilibrio del mercato  Approccio zonale (mercato italiano)  Approccio nodale

55

mercato non vincolato M Economia dei Servizi e delle reti

N

max S = # B j (PBj ) "# Ci (PSi )

PBj , PSi

j=1 M

s.t.

i=1 N

# PBj =# PSi j=1

vincolo di bilancio

i=1

PSimin $ PSi $ PSimax

%i

vincolo quantità di offerta

PBjmin

%j

vincolo quantità di acquisto

$ PBj $

PBjmax

! 56

28

mercato vincolato M

Economia dei Servizi e delle reti

N

max S = # B j (PBj ) "# Ci (PSi )

PBj , PSi

j=1 M

s.t.

i=1 N

# PBj =# PSi j=1

vincolo di bilancio

i=1

PSimin $ PSi $ PSimax

%i

vincolo quantità di offerta

PBjmin

%j

vincolo quantità di acquisto

$ PBj $

PBjmax

Fl (PS1 ,...PSN ;PB1 ,...,PBM ) $ Flmax

% linea l vincoli di flusso in potenza attiva

! 57

approccio zonale  Economia dei Servizi e delle reti



Una “linea” di trasmissione (frontiera elettrica) è congestionata se risulta saturato il limite di trasporto in potenza attiva Viene saturato il corrispondente vincolo di disuguaglianza

Fl (PS1 ,...PSN ;PB1 ,...,PBM ) " Flmax 

Il sistema di trasmissione si dice congestionato se vi sono una o più “linee” congestionate

!

58

29

approccio zonale Economia dei Servizi e delle reti

59

approccio zonale  Economia dei Servizi e delle reti



Semplifica la gestione della rete di trasmissione La rete è suddivisa in zone per ognuna delle quali è definito un limite di scambio con le altre aree 





Il valore limite è scelto in modo tale che se lo scambio è minore del valore massimo non ci siano congestioni sulle linee di interconnessione né sulle linee interne alle zone Si esegue il mercato solo verificando che siano rispettati i vincoli di scambio tra le zone

Non richiede l’impiego di algoritmi molto sofisticati per trovare la soluzione di mercato

60

30

sicurezza  Economia dei Servizi e delle reti





Considerazioni legate alla sicurezza portano a considerare il funzionamento del sistema sia in condizioni normali che in condizioni di guasto I limiti di flusso interzonale sono fissati considerando il caso base (condizioni normali) e un insieme predefinito di casi di guasto (sicurezza N-1) Sicurezza N-1 correttiva

61

Bibliografia Economia dei Servizi e delle reti

Green R. (2000). ‘Competition in Generation: the Economic Fundation’. IEEE Proceedings, Vol. 88, No. 2 Gross G. (2003). ‘Congestion in Power System Operation’. Presentazione al corso Uncertainty and Risk Management in Electricity Markets, Politecnico di Milano

62

31