Energy market competition, economic and environmental sustainability and resource management

Abstract

Energy markets are fundamentally characterized by excess uncertainty and price volatility predominantly stemming from three core factors. Firstly, demand for energy commodities is inextricably linked to the economic cycle, reflecting the fluctuations of economic activity and industrial production. Secondly, the rising trend towards power sector deregulation is intended to enhance market competition, yet this strategy has not consistently yielded the anticipated outcomes. Instead, it often led to oligopolistic markets, limiting policymakers' ability for decisive governmental interventions aimed at containing energy prices for both businesses and households during times of economic turmoil. Lastly, the substantial impact of geopolitical and environmental factors further gives rise to phenomena like volatility clustering, which subsequently increases energy price unpredictability.Considering the vital importance of energy risk management for both policymakers and individual investors, the present PhD dissertation in Chapter 2 delivers a comprehensive presentation of the predominant energy price econometric modelling and forecasting methodologies. A series of GARCH-based volatility models are thoroughly analyzed alongside the most up-to-date modification trends. Furthermore, the study proposes a step-by-step methodology encompassing all necessary preliminary statistical tests together with superiority tests that need to be applied in the final group of qualified volatility models, thereby facilitating the determination of the most suitable econometric process.Extending the previous work of Halkos and Tsirivis (2019a), Chapter 3 elucidates the importance of VaR-type methods as a risk proxy for the deeper understanding of the inherent investment risk derived from holding a portfolio of energy assets. Following a comprehensive presentation of the wide range of available approaches to approximate VaR, subchapters 2.1-2.6 provide researchers carrying out energy risk management analysis with vital insights regarding the most robust econometric tools to counter the risk arising from price volatility. Chapter 4 comprehensively reviews the merits and shortcomings of the most widely applied energy portfolio hedging techniques. This part of the PhD dissertation aims to enable the reader to clarify, analyze, and interpret the complex outcomes of the proposed optimal hedging frameworks. Through this process, the reader acquires the necessary guidance for establishing the ideal hedging strategy in accordance with investors’ risk preference criteria and portfolio characteristics.Chapters 5-8 are dedicated to the presentation of the most salient outcomes of the empirical analysis and the analogous energy, environmental, and socioeconomic policy implications, respectively. Specifically, results pertaining to the dynamic assessment of electricity production CO₂ intensity in Chapter 5 unveiled that GDP per capita lower than $58,670 diminishes the per GWh generated carbon emissions. Conversely, personal income levels beyond this point seem to raise electricity demand, thereby rendering GDP per capita an aggravating factor of electricity CO₂ intensity. The same analysis further corroborated the immense importance of electricity GFCF and urbanization in efforts to control global warming and to stimulate cost-effective electricity production. What is more, it has been ascertained that the countries within the dataset have not yet reached the stage of urbanization that would render a negative impact on electricity CO₂ intensity. With reference to the interplay between RES and electricity CO₂ intensity, it was discerned that the expansion of RES participation in the generation scheme over the optimal level of 52.65% results in an adverse effect on the electricity carbon footprint. Notably, it was further revealed that the convergence rate of electricity CO₂ intensity towards prospective policy adjustments concerning the examined parameters proceeds at a rate of 31.2% per annum. This finding merely indicates that only one-third of the discrepancy between the anticipated and the actual CO₂ emissions attributed to electricity production can be eliminated within a single period. Considering that electricity constitutes the most valuable energy commodity for households, it is of the utmost importance for governmental authorities and international organizations, like the EU, to guarantee citizens' affordable and unimpeded electricity access. Aligning with the UN’s sustainable development goals and particularly SDG 7 for clean and low-cost energy production, Chapter 6 scrutinizes the way household electricity pricing is influenced by renewable energy, specific economic parameters, and the liberalization level of electricity generation and supply markets. This part of the research relies on both static and dynamic panel analysis of a dataset consisting of 26 EU countries for a time horizon extending from 2003 to 2019.The obtained econometric outcomes elucidated the intricacies of the relationship between renewables and electricity prices. Results indicated that low participation of RES in the generation fuel mix is associated with an elevation of electricity prices for household consumers, yet this effect is progressively reversed for RES shares higher than 49.38%. Hence, considering what is presented in subchapters 5.9 and 5.10 about the inefficiency of RES to cover peak demand and consequently the vast majority of the generated electricity, from the overall conducted empirical analysis, it is apparent that, given the current level of technology, the optimal range of RES participation for developed countries varies between 49.38% and 52.65%. Additionally, environmental tax increases were found to be gradually absorbed by electricity producers and retailers, allowing EU countries to elevate relative taxation levels and accumulate essential funds for ecological actions. Lastly, improving the rating of the economic globalization index implies enhanced financial and investment freedom and economic growth, though increased market openness may facilitate electricity exports, which could, in turn, raise domestic electricity prices. Likewise, the liberalization of the electricity market is a complicated process necessitating the prior consideration of various factors. The econometric analysis showed that lowering the market share of the largest generator can become an aggravating factor for household electricity prices. With reference to supplementary producers, EU power authorities are advised to subsidize their activity whenever this involves employing RES. The acceleration of the deregulation process of the retailers’ market can benefit European households through more affordable electricity prices. Nonetheless, it is noteworthy that the conducted econometric analysis further unveiled that the convergence rate of European electricity prices to prospective policy adjustments concerning RES, taxation, and other socioeconomic parameters would proceed at a yearly pace approaching 14%. Likewise, the convergence pace of European electricity prices in response to alterations in the selected competition indicators reaches 17% per annum. The practical implications of the preceding findings lead to the inference that it requires approximately 7 years to achieve complete convergence of electricity prices with respect to changes in the first set of variables. Correspondingly, an almost 6-year period would be necessary until any improvements in the competitive dynamics of the European power sector are fully reflected in end consumer prices. In Chapter 7 of the present PhD thesis, through the implementation of panel FMOLS econometric methodology, a detailed analysis is provided of the impact of electricity prices, energy taxes, and the competition level in both power generation and retail markets, respectively, across 17 European countries. The diverse outcomes from country to country signify the complexity of effectively implementing a common European energy strategy that is mandatory for all EU member states. The principal challenge underlying this complex task lies in the multiple conflicts of interest triggered by the different socioeconomic characteristics of each country; hence, a series of groupwise policy implications is proposed with respect to the four explanatory variables. Finally, Chapter 8 focuses on innovative environmental modelling and assessment techniques of the latent causal factors attributed to the uneven contribution of certain nations to the abuse of global natural resource reserves and the planet's overarching ecological degradation. Empirical results discussed in subchapters 7.5 and 7.6 highlighted and summarized several inconsistencies of the PS approach, since the vLT algorithm was proved superior in producing more homogenous and econometrically robust convergence clubs characterized by rational country distribution, while it was avoided leaving any of the global panel’s countries without forming part of one of the five proposed EF clubs. The VLT algorithm further outperformed the PS club merging methodology in regional EF convergence analysis. The rational formation of EF convergence clubs generated by the VLT algorithm was yet again reaffirmed through the estimated marginal effect of NR, GDP per capita, and urbanization on each country’s future EF trajectory and classification within a certain cluster. Econometric outcomes of ordered-logit analysis were entirely consistent with economic theory and existing academic literature.

Βασική επιδίωξη της διδακτορικής διατριβής αποτελεί η αναγνώριση και διαχείριση του περιβαλλοντικού και οικονομικού κίνδυνου/κόστους, της βιομηχανίας ενέργειας με έμφαση στον κλάδο της ηλεκτροπαραγωγής, μέσω της χρήσης των πλέον σύγχρονων, καινοτόμων και αξιόπιστων οικονομετρικών μοντέλων. Η παρούσα διατριβή αποτελεί μια ενδελεχή μελέτη των μηχανισμών αλληλεπίδρασης μεταξύ καίριων κοινωνικοοικονομικών και περιβαλλοντικών παραμέτρων και της εκμετάλλευσης ενεργειακών και φυσικών πόρων για την εξυπηρέτηση των αναγκών του υφιστάμενου παραγωγικού μοντέλου και την διασφάλιση της απρόσκοπτης συνέχισης της οικονομικής δραστηριότητας. Συγκεκριμένα, η έρευνα εστιάζεται στους Στόχους Βιώσιμης Ανάπτυξης 7 και 13, που έχουν τεθεί από τις διεθνείς περιβαλλοντικές συνθήκες του Οργανισμού Ηνωμένων Εθνών (ΟΗΕ) και αφορούν την παροχή ποιοτικών και οικονομικά προσιτών προϊόντων ενέργειας σε συνδυασμό με τη μείωση του επιπέδου των αερίων ρύπων που ευθύνονται για την όξυνση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Εστιάζοντας σε καθένα από τα 9 βασικά ερευνητικά ερωτήματα μέσα σε 7 κύριες ενότητες με αντίστοιχες επιμέρους υποενότητες, επιχειρείται η σε βάθος ανάλυση τους μέσω επισταμένης βιβλιογραφικής και οικονομετρικής έρευνας, ενώ βάσει των ευρημάτων που επισημαίνονται προτείνονται παράλληλα οι πλέον κατάλληλες και αποδοτικές πολιτικές επιτυχούς αντιμετώπισής τους. Η 1η ενότητα αποτελεί μια γενικότερη εισαγωγή στο κεντρικό θέμα της διατριβής, παρουσιάζοντας εκτενώς τα ζητήματα τα οποία μελετώνται, καθώς και τα αντίστοιχα κενά που έχουν εντοπιστεί στη βιβλιογραφία. Στην 2η ενότητα και στις 3 αντίστοιχες υποενότητες από τις οποίες αποτελείται, πραγματοποιείται μια ενδελεχή ανάλυση όλων των πρόσφατων τάσεων που αφορούν τα πιο άρτια επιστημονικά οικονομετρικά μοντέλα και μεθοδολογικά εργαλεία που εμφανίζονται στην βιβλιογραφία και εφαρμόζονται στη διαχείριση κινδύνου που προέρχεται από μεμονωμένες επενδύσεις ή χαρτοφυλάκια που σχετίζονται με τα πιο εμπορικά ενεργειακά προϊόντα. Στην 3η ενότητα, αρχικά πραγματοποιείται σχολιασμός μια προς μια όλων των μεταβλητών, καθώς επίσης και στατιστική παρουσίαση του σετ δεδομένων που πρόκειται να αναλυθεί οικονομετρικά στη συνέχεια, ενώ παρουσιάζονται και όλα τα σχετικά οικονομετρικά μοντέλα που δημιουργήθηκαν. Βασική επιδίωξη της ενότητας αποτελεί η ανάλυση των μηχανισμών μέσω των οποίων οι ανανεώσιμων πηγές ενέργειας, το ύψος των νέων επενδύσεων στη βιομηχανία ενέργειας και συγκεκριμένοι μακροοικονομικοί και κοινωνικοί παράμετροι σχετίζονται με το επίπεδο των εκπεμπόμενων αέριων ρύπων ανά παραγομένη MWh ηλεκτρικής ενέργειας, μεταξύ των ετών 1995 και 2018, σε συνολικά 31 εκ των μεγαλυτέρων οικονομιών του ΟΟΣΑ. Επιπρόσθετα, στις υποενότητες συνοψίζονται τα κύρια οικονομετρικά αποτελέσματα που προκύπτουν από τη στατιστική ανάλυση της δυναμικής αιτιώδους σχέσης και της έκτασης αυτής μεταξύ των προαναφερθέντων παραμέτρων με την χρήση της μεθοδολογίας System-GMM για πάνελ δεδομένα, ενώ παρουσιάζονται οι σχετικές επιπτώσεις και γίνονται προτάσεις σε επίπεδο ενεργειακής και περιβαλλοντικής πολιτικής Δομημένη κατά αντιστοιχία με την προηγουμένη ενότητα, στη 4η ενότητα διενεργείται ανάλυση της δυναμικής σχέσης μεταξύ του ανοίγματος της οικονομίας, του επιπέδου περιβαλλοντικών φόρων, των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και των επενδύσεων που αφορούν την ηλεκτροπαραγωγή και του επιπέδου τιμών οικιακής κατανάλωσης ρεύματος σε 26 Ευρωπαϊκές χώρες μεταξύ 2003 και 2019. Δευτερογενώς, με την χρήση του ανάλογου δυναμικού μοντέλου παρουσιάζονται οι στατιστικές σχέσεις εξάρτησης της τιμής του οικιακού ρεύματος από το επίπεδο ανταγωνισμού στην αγορά των παραγωγών κατά κύρια και δευτερεύσα δραστηριότητα και των πωλητών λιανικής. Σε αντίθεση με την χρήση System-GMM μοντέλων για την οικονομετρική ανάλυση του πάνελ παρατηρήσεων ως σύνολο, που προηγήθηκε στις προηγούμενες δυο ενότητες, η 5η ενότητα αφορά στην ανά πάνελ οικονομετρική ανάλυση με χρήση μοντέλων FMOLS των παραγόντων που έχουν επίπτωση στον όγκο εγκατεστημένων πράσινων πηγών ενέργειας. Συγκεκριμένα, στις υποενότητες 7.5 και 7.6 αναδεικνύονται οι επιδράσεις του επιπέδου ανταγωνισμού της εθνικής αγοράς ενέργειας, του επιπέδου τιμών του ηλεκτρικού ρεύματος, των φόρων που αφορούν την ενέργεια στην ποσοστιαία συμμετοχή των πράσινων πηγών ενέργειας στο μείγμα καυσίμων για ηλεκτροπαραγωγή 17 Ευρωπαϊκών χωρών κατά τη περίοδο 2003-2020. Στην 6η ενότητα αναδεικνύονται οι οικονομετρικές αδυναμίες και οι περιορισμοί που εμπεριέχει η πλέον δημοφιλούς στη βιβλιογραφία μεθοδολογία σύγκλισης (Phillips and Sul) όσον αφορά τη δυνατότητα αυτής να επεξεργάζεται αποτελεσματικά μεταβλητές και δείκτες που σχετίζονται με τη βιώσιμη ανάπτυξη. Παράλληλα, βάσει ενός πάνελ δεδομένων που περιλαμβάνει παρατηρήσεις για το οικολογικό αποτύπωμα 154 χωρών μεταξύ των ετών 1995 και 2019, διενεργείται σύγκριση μεταξύ του αρχικού μοντέλου και του μοντέλου σύγκλισης στο οποίο έχουν εφαρμοστεί συγκεκριμένες προτεινόμενες τροποποιήσεις. Σε δεύτερο στάδιο, στις υποενότητες 8.5 και 8.6 γίνεται διερεύνηση της αποτελεσματικότητας του προτεινόμενου αλγορίθμου, τόσο όσον αφορά την αρχική σύγκλιση όσο και της συγχώνευσης των παραγόμενων σμηνών σύγκλισης από την έρευνα. Επιπρόσθετα, με τη χρήση της μεθοδολογίας PROBIT καθορίζεται ο ρόλος καίριων κοινωνικοοικονομικών δεικτών στη δημιουργία συγκεκριμένων σμηνών σύγκλισης με βάση το οικολογικό αποτύπωμα των χωρών του πάνελ. Ενώ, στην υποενότητα 8.7, λαμβάνοντας υπόψη όλα τα οικονομετρικά ευρήματα που παρουσιάστηκαν στη προηγουμένη ενότητα, προτείνεται ένα ευρύ φάσμα μέτρων και αντίστοιχων πολιτικών σε εθνικές κυβερνήσεις, διεθνείς οργανισμούς και οικονομικούς συνασπισμούς χωρών όπως ο ΟΗΕ και η ΕΕ. Τέλος, στην 7η ενότητα διενεργείται μια σύνοψη των σημαντικότερων οικονομετρικών αποτελεσμάτων όλων των θεματικών ενοτήτων, που αφορούν στα κύρια ερωτήματα της διατριβής, όπως επίσης και των συνιστομένων πολιτικών προς τους αρμοδίους φορείς προκειμένου να επιτευχθούν οι Στόχοι Βιώσιμης Ανάπτυξης 7 και 13 του ΟΗΕ που αφορούν την αναστροφή της κλιματικής αλλαγής μέσω της παραγωγής προσιτής και καθαρής ενέργειας, με το κατά το δυνατό μικρότερο οικονομικό και κοινωνικό κόστος.