Optimization of strategic energy investments from a market perspective

Abstract

The transition to low-emission energy systems has been widely prioritized, as reflected in ongoing technological advancements, regional and global policy initiatives and the increasing use of economic incentives. As this transformation takes place, electricity systems become increasingly complex, introducing new operational and planning challenges. This thesis considers the development of optimization frameworks for operational and planning problems in contemporary energy markets, focusing on a market-oriented approach to a strategic producer’s profit maximization problem under environmental policies and market coordination mechanisms. The proposed optimization models are formulated as mathematical programs with equilibrium constraints and later reformulated as mixed integer linear programming models that can be solved using commercially available solvers, such as CPLEX. First, the role of gas-fired power plants (GFPPs) in electricity, natural gas, and carbon emissions trading markets is investigated. The dissertation addresses these challenges from the perspective of a strategic investor by developing a bilevel optimization model. The upper-level model determines the optimal electricity portfolio management regarding new investments and strategic biddings, while, in the lower-level models, the electricity and gas markets are cleared sequentially under a carbon emission trading scheme. Introducing stochasticity to the model enables a more realistic assessment of the opposing effects of carbon allowance prices and natural gas prices on the producer's investment decisions and strategic bidding behavior. Following this, the dissertation examines the strategic investment and bidding decisions of a renewable energy producer, as well as the hourly coordination between the green certificate market and the electricity market. A bilevel optimization model is developed in which the upper-level problem seeks to maximize the strategic investor’s profit, while the lower-level problems sequentially clear the electricity and green certificate markets. The results demonstrate that the green certificate market promotes new investments in renewable energy sources. Furthermore, the strategic role of the producer in the electricity market further stimulates these investments by reducing electricity prices and securing an increasing market share. In addition, more stringent renewable portfolio standard targets enhance profitability in both the electricity and green certificate markets, thereby positively influencing investment decisions. Finally, the dissertation investigates investment in electrolyzer units within hybrid energy supply systems that combine on-site electricity generation from renewable energy sources with the option of procuring electricity from the market. A bilevel optimization model is developed to optimize decisions regarding the sizing and siting of electrolyzer units, the operation and strategic bidding of renewable generation units, while simultaneously modeling the electricity market-clearing process. The results illustrate how electricity market conditions determine investment decisions under different hydrogen price scenarios. Moreover, strategic capacity withholding helps prevent zero electricity prices and mitigates the economic impact of unmet hydrogen demand, whereas time-constrained hydrogen demand leads to lower renewable energy curtailment compared with the case of constant hourly hydrogen demand.

Η μετάβαση προς ενεργειακά συστήματα χαμηλών εκπομπών άνθρακα αποτελεί βασική προτεραιότητα, όπως αποδεικνύεται από τη συνεχιζόμενη τεχνολογική πρόοδο, τις πολιτικές πρωτοβουλίες και τα οικονομικά κίνητρα που εφαρμόζονται σε τοπικό και παγκόσμιο επίπεδο. Καθώς το ενεργειακό τοπίο αλλάζει, τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας καθίστανται ολοένα και πιο περίπλοκα, δημιουργώντας νέες προκλήσεις τόσο στο επιχειρησιακό όσο και στο επενδυτικό τομέα. Η παρούσα διατριβή εξετάζει την ανάπτυξη μοντέλων βελτιστοποίησης για τη μελέτη της λειτουργίας και του σχεδιασμού ενεργειακών συστημάτων στις σύγχρονες αγορές ενέργειας, εστιάζοντας στη μεγιστοποίηση του κέρδους ενός στρατηγικού παραγωγού και ενσωματώνοντας περιβαλλοντικές πολιτικές και διαφορετικές αγορές. Τα προτεινόμενα μοντέλα βελτιστοποίησης μετασχηματίζονται σε μοντέλα μαθηματικού προγραμματισμού με περιορισμούς ισορροπίας και αργότερα ανασχεδιάζονται σε μοντέλα μεικτού ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού, τα οποία μπορούν να επιλυθούν από εμπορικά διαθέσιμους λύτες, όπως ο CPLEX. Αρχικά, διερευνάται ο ρόλος των μονάδων ηλεκτροπαραγωγής με χρήση φυσικού αερίου (GFPP) στις αγορές ηλεκτρικής ενέργειας, φυσικού αερίου και εμπορίας δικαιωμάτων εκπομπών άνθρακα. Η παρούσα διατριβή εξετάζει αυτές τις προκλήσεις για έναν στρατηγικό επενδυτή, αναπτύσσοντας ένα διεπίπεδο μοντέλο βελτιστοποίησης. Στο ανώτερο επίπεδο προσδιορίζεται η βέλτιστη διαχείριση χαρτοφυλακίου ηλεκτρικής ενέργειας όσον αφορά νέες επενδύσεις και στρατηγικές προσφορές, ενώ στο κατώτερο επίπεδο οι αγορές ηλεκτρικής ενέργειας και φυσικού αερίου εκκαθαρίζονται διαδοχικά στο πλαίσιο ενός συστήματος εμπορίας δικαιωμάτων εκπομπών άνθρακα. Η ενσωμάτωση στοχαστικότητας στο μοντέλο επιτρέπει μια πιο ρεαλιστική κατανόηση των αντιτιθέμενων επιδράσεων που ασκούν οι τιμές των δικαιωμάτων εκπομπών και του φυσικού αερίου στις επενδυτικές αποφάσεις και στις στρατηγικές προσφορών του παραγωγού. Στη συνέχεια, εξετάζονται οι στρατηγικές επενδύσεις και οι αποφάσεις προσφορών ενός παραγωγού ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, καθώς και ο ωριαίος συντονισμός μεταξύ της αγοράς πράσινων πιστοποιητικών και της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Αναπτύσσεται ένα διεπίπεδο μοντέλο βελτιστοποίησης, όπου το πρόβλημα του άνω επιπέδου μεγιστοποιεί τα κέρδη του στρατηγικού επενδυτή, ενώ τα προβλήματα του κάτω επιπέδου εκκαθαρίζουν διαδοχικά τις αγορές ηλεκτρικής ενέργειας και πράσινων πιστοποιητικών. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως η αγορά πράσινων πιστοποιητικών προωθεί νέες επενδύσεις σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Ο στρατηγικός ρόλος του παραγωγού στην αγορά ηλεκτρικής ενέργειας ενισχύει αυτές τις επενδύσεις μειώνοντας τις τιμές της ηλεκτρικής ενέργειας και εξασφαλίζοντας ένα αυξανόμενο μερίδιο αγοράς. Επιπλέον, οι αυστηρότεροι στόχοι του μηχανισμού του πρότυπου χαρτοφυλακίου ανανεώσιμων πηγών ενέργειας ενισχύουν την κερδοφορία από τις αγορές ηλεκτρικής ενέργειας και πράσινων πιστοποιητικών, επηρεάζοντας θετικά τις επενδυτικές αποφάσεις. Τέλος, εξετάζεται η επένδυση σε μονάδες ηλεκτρόλυσης στο πλαίσιο υβριδικών συστημάτων τροφοδοσίας, τα οποία συνδυάζουν την επιτόπια παροχή ενέργειας από μονάδες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας με τη δυνατότητα προμήθειας ηλεκτρικής ενέργειας από την αγορά. Αναπτύσσεται ένα διεπίπεδο μοντέλο για τη βελτιστοποίηση των αποφάσεων που σχετίζονται με το μέγεθος και την τοποθεσία μονάδων ηλεκτρόλυσης, τη λειτουργία και τις στρατηγικές προσφορές μονάδων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, ενώ παράλληλα μοντελοποιείται και η εκκαθάριση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Τα αποτελέσματα δείχνουν πώς οι συνθήκες της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας καθορίζουν τις επενδυτικές αποφάσεις για διαφορετικά σενάρια τιμών υδρογόνου. Επιπλέον, η στρατηγική παρακράτηση δυναμικού βοηθά στην αποφυγή μηδενικών τιμών στην αγορά ηλεκτρικής ενέργειας και στον μετριασμό του οικονομικού αντίκτυπου της μη καλυπτόμενης ζήτησης υδρογόνου, ενώ η χρονικά δεσμευμένη ζήτηση υδρογόνου οδηγεί σε μείωση της αδιάθετης παραγωγής των μονάδων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε σύγκριση με την περίπτωση σταθερής ωριαίας ζήτησης.