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The role of storage in risk-averse electricity market equilibria

English title The role of storage in risk-averse electricity market equilibria
Applicant Densing Martin
Number 185149
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Energy Economics Group Paul Scherrer Institute
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Economics
Start/End 01.08.2020 - 31.07.2024
Approved amount 236'964.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Economics
Mathematics

Keywords (5)

Electricity markets; Financial replication portfolios; Coherent risk measurement; Risk-averse market equilibrium; Commodity storage

Lay Summary (German)

Lead
Das Projekt untersucht die Rolle von Energiespeichern in Energiemärkten. Wir untersuchen ob Speicherung zur Effizienz des Marktes beiträgt, zum Beispiel ob tiefere Preise oder einer Erhöhung der ökonomischen Wohlfahrt erzielt werden können. Wir untersuchen diese Fragestellung unter der Annahme von risiko-aversen Marktteilnehmern. Die Untersuchung erfolgt theoretisch als auch numerisch mit einem Strommarktmodell.
Lay summary
Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Das Projekt untersucht die Rolle von Energiespeichern in Energiemärkten und insbesondere von Stromspeichern in risiko-aversen Strommärkten, das heisst, das Markteilnehmer ihren Profit unter einer finanziellen Risikolimite maximieren. Wir untersuchen ob Speicherung zur Komplettierung des Marktes beiträgt, dass heisst, wie weit mit Speicher das finanzielle Risiko der Marktteilnehmer abgesichert werden kann. Speicher kann aber auch für Spekulation eingesetzt werden und mehr Risiko für andere Marktteilnehmer erzeugen. Des Weiteren unterliegt energetische Speicherung einem Wirkungsgradverlust und auch selber eigenen Risikofaktoren; zum Beispiel kann Speicher-Wasserkraft einen unsicheren Wasserzufluss haben. Wir erwarten darum, dass Speicherung um zusätzliche finanzielle Instrumente erweitert werden muss, um das Risiko der Marktteilnehmer abzusichern. Unser Ziel ist es auch, diese Instrumente besser zu bestimmen.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext

Wissenschaftlich steht die Arbeit im Kontext einer Erweiterung der zwei Fundamentalsätze der Wohlfahrtsökonomie, die zusammen aussagen, dass unter gewissen Voraussetzungen die Wohlfahrtsmaximierung wie eine Profit-Maximierung der einzelnen Marktteilnehmer behandelt werden kann. Die Erweiterung ist hinsichtlich risiko-aversen Marktteilnehmern unter Speicherung. Die Forschungsarbeit soll zur immer noch offenen Frage beitragen, ob Händler in Warenmärkten nur ein volkswirtschaftliches Ärgernis sind, weil sie zu wirtschaftlichen Krisen beitragen, oder ob sie auch eine positive Funktion übernehmen können, weil sie das Risiko mit Hilfe des Terminmarkts über die Zeit verteilen. Ein weiterer Aspekt ist Stromspeicherung, die insbesondere für Energieerzeugungsysteme mit erneuerbaren Energiequellen relevant ist. Hier ist wichtig zu wissen, wie sich diese Speicher im Markt verhalten.



Direct link to Lay Summary Last update: 01.07.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Abstract

The research project assesses electricity storage in risk-averse electricity market equilibria. We investigate whether more storage capacity with high efficiency can help risk-averse market participants to hedge against undesirable outcomes, or, by contrast, storage may mainly introduce new risks. In other words, we investigate whether storage can contribute to complete the market; in a complete market every payoff profile is attainable by a replication portfolio of existing assets. The analysis is for electricity markets but may be applicable to other commodity markets with limited storage capacity.Because storage transfers a commodity over time, temporal price differences can be lowered, such that storage is an instrument for financial risk transfer, that is, for hedging. On the downside, storage implies more of the commodity to be produced because of storage losses, and storage is constraint to be non-negative. Moreover, storage is exposed to risk factors. For example, electricity storage in water reservoirs is exposed to natural inflow variations, and storage used for solar and wind production is exposed to uncertainty in weather forecast. Hence, operation of storage is affected by constraints and risk aversion of the agents, which may reduce its role for hedging and reduce social welfare.In this project we analyze risk-averse electricity market equilibria, that is, agents maximize concurrently a value function that penalized financial losses (risk-adjusted value). It is known that if a market is complete, then the equilibrium is basically equivalent to the optimization by a central planner, that is, to social welfare maximization of an aggregated risk-adjusted value. Currently, electricity markets are not complete because hedging contracts are lacking in required liquidity. In our project we add different agents with storage to an electricity market equilibrium, and measure how storage can hedge (in combination with standard contracts like futures, other, specially adapted hedging contracts) to make the market complete, or at least to minimize the gap to social welfare maximization, where the gap is measured in loss of social welfare. On the other hand, we investigate whether risk-averse operation of storage can widen the gap.We consider analytically and numerically a multi-period equilibrium market model with multi-period coherent risk-adjusted value of the agents, which are production and storage agents. Analytically, we investigate mainly the optimality conditions of the equilibria, and how to complement them for market completion (by comparing with the optimality conditions of social welfare maximization). Within the active research area of multi-period risk-averse equilibrium electricity markets, the ability of storage to replicate payoff profiles which helps for market completion is mostly neglected; completion is just ensured by assumption that enough hedging contracts exist.We fill this research gap by considering storage in a risk-averse market equilibrium as part of a replicating self-financing hedging portfolio.Numerically, we extend the existing BEM equilibrium model, which contains data of the electricity sectors of Switzerland and surrounding countries. Our analytical investigations can be made numerically more explicit, for example to determine the financial hedging contracts that complement storage better than futures.Expected results include the relation between storage size and gap to social welfare maximization, and conditions for closing the gap (e.g. bounds of storage efficiency), and also disabling conditions (e.g. perhaps high risk-aversion). Numerically, social welfare changes under different types of storage and complementary hedging contracts will be quantified.By considering the role of storage as part of a replication portfolio, the longer-term research goal is to generalize traditional financial market theory to commodity markets.
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