Windenergie op Zee in Elektriciteitsmarkten: Implicaties op het Gebied van Regelgeving en Marktontwerp onder Stroomgebaseerde Marktkoppeling

Een belangrijk element in de transitie naar duurzame energiesystemen is het stijgend aandeel van windenergie in de elektriciteitsmix wereldwijd. Windenergie is van nature variabel, wat leidt tot geografische mismatches tussen vraag en aanbod. Ten gevolge is er een stijgende opportuniteit voor internationale handel van regio's met lage productiekosten naar regio's met hoge productiekosten om economische welvaartswinsten te realiseren. 

Dit proefschrift analyseert de integratie van windenergie in sterk geconnecteerde elektriciteitsmarkten. We focussen hierbij op drie uitdagingen. Ten eerste, internationale handel van elektriciteit wordt gelimiteerd door de commerciële transmissiecapaciteit, i.e., de fractie van de transmissiecapaciteit die beschikbaar wordt gesteld aan de markt. De methodologie om transmissiecapaciteit te berekenen en alloceren is onderwerp van beleidsdiscusies zonder consensus over de te volgen koers. Ten tweede, aangezien er veel energiehubs op zee worden ontwikkeld, sterk geconnecteerd met elkaar en met het vasteland, is het onduidelijk aan welke groothandelsrpijzen voor elektriciteit deze energiehubs moeten worden blootgesteld. Dit roept belangrijke vragen op met betrekking tot het marktdesign op zee dat geïmplementeerd dient te worden. Ten derde is het, in tegenstelling tot niet-intermitterende productietechnologieën, moeilijk om te controleren of de windenergie die in elektriciteitsmarkten wordt verkocht overeenkomt met de technisch mogelijke windenergieproductie. Strategische operaties van windenergieproducenten moeten daarom bestudeerd worden om een optimale integratie van windenergie in elektriceitsmarkten mogelijk te maken. 

Het eerste doel van dit proefschrift is om een fundamenteel begrip van ‘flow-based market coupling', i.e., de methodologie om commerciële transmissiecapaciteit beschikbaar te stellen aan (internationale) groothandelsmarkten in Europa, aan te brengen om tekortkomingen en oplossingen aan te wijzen. Hiertoe ontwikkelen we zowel een optimalisatiemodel als een data-gedreven regressiemodel. 

We tonen dat ‘flow-based market coupling' voor een betere weergave van netbeperkingen in het marktalgoritme zorgt dan voor de introductie ervan. Het verhoogde de internationale elektriciteitshandel en prijsconvergentie in Centraal-West-Europa ondanks sterk veranderende marktomstandigheden. Sommige voordelen verdwenen echter door lagere commerciële transmissiecapaciteiten. De prestatie van ‘flow-based market coupling' is immers afhankelijk van parameters die TSOs dienen te bepalen. Regulatoir toezicht is belangrijk om welvaartsoptimale commerciële transmissiecapaciteit te stimuleren. Regulering op basis van incentives, indien goed ontworpen, maakt het mogelijk om rekening te houden met meerdere doelstellingen van TSOs en kan het probleem van informatieasymmetrie tussen TSO en regulator oplossen. 

Het tweede doel van dit proefschrift is het analyseren van de implicaties van één of meerdere biedzones op zee wanneer ‘flow-based market coupling' de actieve methodologie is om transmissiecapaciteit te berekenen en toe te wijzen. Hiervoor breiden we onze optimalisatiemodellen uit in twee stappen: (i) door HVDC-transmissielijnen op te nemen, en (ii) door investeringen te beschouwen. 

Aangezien de implementatie van volledig nodale prijzen, m.a.w., nodale prijzen op land én zee, politieke moeilijkheden ondervindt in Europa, kunnen zonale prijzen op land in combinatie met nodale prijzen op zee of diverse zonale prijsconfiguraties op zee een alternatief vormen. Het verhoogt de economische welvaart en verlaagt de prijzen op zee. Consumenten op zee zoals, bijvoorbeeld, elektrolysers kunnen dienen als katalysatoren om het resterende welvaartsverschil tussen volledig nodale prijzen enerzijds, en nodale prijzen op zee en zonale prijzen op zee anderzijds, te verkleinen. Dit komt omdat lagere elektriciteitsprijzen op zee gunstig zijn voor de winstgevendheid van elektrolysers op zee. 

Het derde doel van dit proefschrift is om inzicht te krijgen in mogelijke strategische operaties van windenergieproducenten. We onderzoeken twee opties die verband houden met het biedgedrag van windmolenparken op de groothandelsmarkt voor elektriciteit: (i) het delen van private windvoorspellingen en (ii) het induceren van wake-effecten. Voor de eerste strategische optie vinden we dat, wanneer individuele windvoorspellingen worden gedeeld tussen windmolenparken, de winst en de economische welvaart zowel kan toenemen als afnemen afhankelijk van de determinanten van biedprofielen zoals bijvoorbeeld risicoaversie. Voor de tweede strategische optie onthullen we dat er potentieel is om economische welvaart en winsten voor dichtbijgelegen windmodelparken op zee, die blootgesteld zijn aan verschillende elektriciteitsprijzen, te vergroten. In dat geval onttrekt het ‘upstream' windmolenpark minder energie van de beschikbare wind om de energie voor het ‘downstream' windmolenpark te vergroten terwijl het ‘downstream' park het ‘upstream' park vergoedt.