Strategic behaviour in energy markets : Advances in complementarity and multi-stage equilibrium modelling ; Strategisches Verhalten und Energiemärkte : Komplementaritäts- und mehrstufige Gleichgewichtsmodelle zur Abbildung von Marktmacht im Energiesektor

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Abstract

Diese Dissertation untersucht mehrere energiewirtschaftliche Fragestellungen, in denen Marktmacht eine besondere Rolle spielt; mittels spieltheoretischer Ansätze werden die strategischen Interaktionen mathematisch formuliert und anhand numerischer Methoden Gleichgewichte der Spiele identifiziert. Der Beitrag zum wissenschaftlichen Diskurs rund um den Themenbereich Marktmacht in der Energiewirtschaft liegt in der Entwicklung neuer Ansätze, strategisches Verhalten in partiellen Gleichgewichtsmodellen abzubilden, sowie in der Weiterentwicklung numerischer Methoden zu deren Lösung. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit dem globalen Erdölmarkt und der Rolle der Organisation Erdöl-exportierender Länder (OPEC) im letzten Jahrzehnt. Ich formuliere ein Stackelberg-Oligopol, in dem die optimale Ausübung von Marktmacht durch die OPEC-Mitglieder davon abhängt, wie hoch die Kapazitätsauslastung der Nicht-OPEC-Produzenten ist. In einer numerischen Anwendung wird der tatsächliche Preisverlauf mit dem zweistufigen Modell besser abgebildet als mit Standard-Gleichgewichtsmodellen. Das nächste Kapitel wendet sich dem internationalen Erdgasmarkt und - aus mathematischer Sicht - einem mehrperiodigen Investitionsmodell zu. Ich liefere einen Beweis, daß die Berücksichtigung von Investitionen in Erdgas-Marktgleichgewichtsmodellen ein konvexes Problem darstellt und daher mit Standard-Methoden gelöst werden kann. Das folgende Kapitel entwickelt ein partielles Energiesystem-Gleichgewichtsmodell, in dem einzelne Produzenten Marktmacht über mehrere (fossile) Energieträger ausüben können. Dieser Ansatz erlaubt eine Verbindung von Energiesystemmodellen, die zur Analyse möglicher Entwicklungspfade des globalen Energiemixes verwendet werden, mit partiellen Sektormodellen für die Untersuchung von Marktmacht und detailliertem Infrastrukturausbau. Der letzte Teil der Dissertation untersucht das Verhalten national-strategischer Planer im Ausbau des (europäischen) Stromnetzes: der Ausbau von Stromtrassen kann zu Wohlfahrtsverschiebungen zwischen verschiedenen Interessensgruppen (Konsumenten, Erzeuger, Netzbetreiber) sowie über Landesgrenzen führen. Durch das Fehlen effektiver Kompensationsmechanismen im europäischen Rahmen haben nationale Akteure unter Umständen Anreize, Netzausbau in ihrem Zuständigkeitsbereich zu reduzieren, um damit Renten zu ihren Interessensgruppen zu verschieben. Dies wird anhand eines stilisierten Beispiels illustriert. ; This dissertation combines three fields of economics: I take several topics from energy economics, use game theory as the framework to mathematically formulate strategic interaction between several players in these applications, and apply and further develop numerical methods from Operations Research to solve for equilibrium solutions of these games. This work starts with a focus on the crude oil market and the role of the Organization of Petroleum Exporting Countries (OPEC) over the past decade. I propose a Stackelberg oligopoly to describe how market power exertion by OPEC members depends endogenously on the spare capacity of the competitive fringe (i.e., non-OPEC supply). In a numerical exercise, this two-stage model captures the crude oil price spike of 2008 better than standard, simultaneous-move equilibrium concepts widely used in applied work. The following chapter turns from crude oil to natural gas markets and - mathematically - from a one-period quantity game to a multi-period investment model. I provide a proof that including production capacity investment decisions in large-scale partial-equilibrium models yields a convex problem, paving the way for an improvement of this widely used model class. The next chapter develops a large-scale energy system partial-equilibrium model; it combines energy system models, which incorporate fuel substitution, and sector-specific partial-equilibrium models, which are used for market power analyses and consideration of infrastructure investments. The features of this model are illustrated using a large-scale data set and two scenarios: a reduction of shale gas potential in North America, and an ambitious EU policy initiative to reduce carbon dioxide emissions. Numerical results are discussed in terms of carbon leakage rates, trade flows, and fuel mix shifts. The final chapter discusses investment in European power transmission capacity. Several zonal planners play a Nash game regarding their domestic network upgrades; each player anticipates the effect on the welfare allocation and seeks to shift rents to its constituents. The game is coordinated by a supra-national agency, which decides on cross-border investment; mathematically, this constitutes a three-level equilibrium model, which is reformulated using strong duality and a variant of a disjunctive-constraints approach. Using a stylized example, numerical results illustrate that the first-best network investment can not be reached when zonal planners act strategically and compensation mechanisms are not available.