Wir betrachten die Einsatzplanung (Unit Commitment Problem) für ein thermisches Kraftwerk mit zusätzlicher Energienebenbedingung. Dazu definieren wir ein stochastisches dynamisches Programm (SDP)mit stetigem Zustandsraum und integriertem gemischt-ganzzahligem Programm (MIP). Wir stellen einen effizienten Algorithmus vor zur Lösung des MIP über eine Matrixmultiplikation und verwenden eine Hauptkomponentenanalyse zur Reduzierung der Dimension des Preisvektors. Außerdem liefern wir zum Vergleich des SDP eine vereinfachte Regel zur Energieallokation. Zur Beurteilung der Güte der Ergbnisse betrachten wir als nächstes obere Grenzen. Für eine vereinfachte Modellierung des Kraftwerks als Swing Option mit Mehrfachausübung auf derselben Stufe bestimmen wir formal eine solche obere Grenze. Abschließend untersuchen wir Strategien zur Vermeidung des Spotpreisrisikos, dem das Kraftwerk aufgrund der Nichtspeicherbarkeit von Strom besonders ausgesetzt ist. Zunächst konzentrieren wir uns auf die Messung des Spotpreisrisikos und stellen drei neue Maße vor (Forward Delta, Synthetisches Spot Delta und Earnings-at-Risk). Danach präsentieren wir Strategien zur Risikoreduzierung vor und während der Lieferperiode. Im zweiten Fall wird versucht, durch einen neuen Produktionsplan das Risiko mehr als den Gewinn zu senken. Wir schlagen dazu einen Referenzwert vor, den wir EaR-effizienten Optionswert nennen und in eine neue Erzeugungspolitik basierend auf Quantil-Regression einfließt. Die Politik beschreibt ein Preisband innerhalb dessen ein beobachteter Preis zur Ausübung eines Swing-Rechts führt. Für den Fall der amerikanischen Option können wir EaR-Effizienz mit dieser Strategie nachweisen. Abschließend betrachten wir die Absicherung des Kraftwerks vor der Lieferung durch gezielten Verkauf einer Swing Option. Wir stellen eine Heuristik basierend auf unserem synthetischen Spot Delta vor, um Swinghöhe und –anzahl effizient zu finden. / We define a new not yet investigated unit commitment problem that introduces an energy constraint to a thermal power plant. We define a stochastic dynamic program with continuous state space and nested mixed integer program (MIP). We introduce a fast implementation approach by replacing the MIP with an efficient matrix calculation and use principal component analysis to reduce the dimension of the price vector. We also provide a fast heuristic valuation approach for comparison. We investigate the theory of upper bounds for a proper validation of our power plant results. In particular we provide an extension for swing options with multiple exercises at the same stage. Finally we provide a risk analysis for our thermal power plant. In particular we investigate strategies to reduce the spot price risk to which power plants are significantly exposed. First, we focus on the measurement of spot price risk and propose three appropriate risk figures (Forward delta, synthetic spot delta and Earnings-at-Risk ). Second we suggest risk mitigation strategies for both periods, before and in delivery. The latter tries to alter the dispatch policy i.e. pick less risky hours and accept a (desirably only slightly) smaller return. We introduce a benchmark that we will call EaR-efficient option value. We propose a mitigation strategy for this benchmark that is based on quantile regression. It defines a price interval for executing an individual swing right and is therefore very well suited for real world applications. In case of an American option we are able to show EaR-efficiency of our strategy. Finally, we investigate hedging strategies before delivery. In particular, we look at a hedge for the spot price risk of the power plant using a swing option. We propose a heuristic based on our synthetic spot deltas to find the swing number and size of the swing option for a given upper generation amount.

This paper examines the long-term relationship between primary energy consumption and other key macroeconomic variables, including real GDP, labour force, capital stock and technology, using a panel dataset for 64 countries over the period 1965-2009. Deploying panel error correction models, we find that there is a positive relationship running from physical capital, GDP, and population to primary energy consumption. We observe however a negative relationship between total factor productivity and primary energy usage. Significant differences arise in the magnitude of the cointegration coefficients, when we allow for differences in geopolitics and wealth levels. We also argue that inference on the basis of a single model without taking model uncertainty into account can lead to biased conclusions. Consequently, we address this problem by applying simple model averaging techniques to the estimated panel cointegration models. We find that tackling the uncertainty associated with selecting a single model with model averaging techniques leads to a more accurate representation of the link between energy consumption and the other macroeconomic variables, and to a significantly increased out-of-sample forecast performance. (authors' abstract) / Series: Department of Economics Working Paper Series

Diese Dissertation untersucht Fragen, die sich mit dem Einfluss der Übertragungskapazitäten und der Erzeugung erneuerbarer Energien auf dem Strommarkt befassen. Die Arbeit besteht aus drei eigenständigen Aufsätze, die für die politische Debatte einen Beitrag leisten. Das erste Kapitel konzentriert sich auf ein Netzwerk mit strategischen Unternehmen, die die Stromflüsse zu ihrem Vorteil manipulieren können. Dieses Kapitel gehört zur Forschungsliteratur, die Strommärkte als Gleichgewichtsprobleme mit Gleichgewichtseinschränkungen darstellt. In diesem Rahmen vergleiche ich mehrere Strategien zur Stärkung des Wettbewerbs und zeige, dass der Netzausbau zwar den Wettbewerb ankurbeln kann, mit Umstrukturierungen aber größere Verbesserungen des Verbraucherüberschusses und des Wohlstands erzielt werden können. Das zweite Kapitel basiert auf einem ähnlichen Modell mit einem einfachen Zwei-Knoten-Netzwerk. Dieser Ansatz zeigt mögliche nachteilige Auswirkungen (höhere Preise, geringerer Gesamtverbrauch, geringerer Konsumentenrente) einer höheren Einspeisung erneuerbarer Energie in einem Netz, in dem eine Region mit hohem erneuerbaren Potenzial von einer Region mit hoher Last durch eine begrenzte Übertragungskapazität getrennt ist. Die Annahme ist, dass es in jeder Region einen strategischen Akteur gibt, der seine Marktmacht ausübt. Das dritte Kapitel befasst sich mit der Substitution zwischen Übertragungs- und Speicherkapazitäten - beides Instrumente zur Integration von erneuerbarer Energien. Eine Analyse mit einfachen Speicherheuristik zeigt den relativ bescheidenen Effekt des zeitlichen Ausgleichs. Im Gegensatz dazu birgt die Erweiterung des Übertragungsnetzes ein erhebliches Steigerungspotenzial für die Nutzung erneuerbarer Energiequellen, die Verringerung der Kürzungsraten und die Reduzierung der minimalen konventionellen Stromerzeugung. / This thesis investigates several questions related to the influence of transmission capacities and generation of renewable energy on the outcomes in the wholesale electricity markets. The thesis consists of three self-contained essays that contribute to the policy debate. The analysis of the first essay focuses on a network with strategic firms that can manipulate power flows to their advantage. Methodologically, this chapter belongs to the research literature that represents electricity markets as equilibrium problems with equilibrium constraints. In this framework I compare several policies of enhancing competition and demonstrate that although network expansion can stimulate competition, larger improvements in consumer surplus and welfare can be achieved with restructuring. The second essay is based on a similar model, but in a stylized two node network. This approach demonstrates potential adverse effects (higher prices, lower total consumption, lower consumer surplus) from higher renewable infeed in a network where a region with high renewable potential is separated from a region with high load by a limited transmission capacity. I adopt a worst-case assumption that in each region there is a strategic player exercising its market power. The third essay studies the substitution between transmission and storage expansion - two instruments for the integration of expanding renewable energy. Using a myopic storage heuristic I demonstrate the relatively modest effect of temporal balancing of renewable power. In contrast, transmission expansion has a significant potential in increasing renewable penetration, mitigating curtailment rates, and reducing the minimum conventional generation power at any hour. If Europe is to pursue the high targets of renewable power in electricity consumption, the only way to avoid the expansion of cross border lines is extremely high installed renewable capacities and energy capacities of storage.

Die Einführung neuartiger Energietechnologien wird allgemein als der Schlüssel zur Senkung klimaschädlicher Treibhausgase angesehen. Allerdings ist die Abbildung derartiger Technologien in numerischen Modellen zur Simulation und ökonomischen Analyse von energie- und klimaschutzpolitischen Maßnahmen vielfach noch rudimentär. Die Dissertation entwickelt neue Ansätze zur Einbindung von technologischen Innovationen in energie-ökonomische allgemeine Gleichgewichtsmodelle, mit dem Ziel den Energiesektor realitätsnäher abzubilden. Die Dissertation adressiert einige der Hauptkritikpunkte an allgemeinen Gleichgewichtsmodellen zur Analyse von Energie- und Klimapolitik: Die fehlende sektorale und technologische Disaggregation, die beschränkte Darstellung von technologischem Fortschritt, und das Fehlen von einem weiten Spektrum an Treibhausgasminderungsoptionen. Die Dissertation widmet sich zwei Hauptfragen: (1) Wie können technologische Innovationen in allgemeine Gleichgewichtsmodelle eingebettet werden? (2) Welche zusätzlichen und politikrelevanten Informationen lassen sich durch diese methodischen Erweiterungen gewinnen? Die Verwendung eines sogenannten Hybrid-Ansatzes, in dem neuartige Technologien für Stromerzeugung und Eisen- und Stahlherstellung in ein dynamisch multi-sektorales CGE Modell eingebettet werden, zeigt, dass technologiespezifische Effekte von großer Bedeutung sind für die ökonomische Analyse von Klimaschutzmaßnahmen, insbesondere die Effekte hinsichtlich von Technologiewechsel und dadurch bedingten Änderungen der Input- und Emissionsstrukturen. Darüber hinaus zeigt die Dissertation, dass Lerneffekte auf verschiedenen Stufen der Produktionskette abgebildet werden müssen: Für regenerative Energien, zum Beispiel, nicht nur bei der Anwendung von Stromerzeugungsanlagen, sondern ebenso auf der vorgelagerten Produktionsstufe bei der Herstellung dieser Anlagen. Die differenzierte Abbildung von Lerneffekten in Exportsektoren, wie zum Beispiel Windanlagen, verändert die Wirtschaftlichkeit und die Wettbewerbsfähigkeit und hat wichtige Implikationen für die ökonomische Analyse von Klimapolitik. / Energy technologies and innovation are considered to play a crucial role in climate change mitigation. Yet, the representation of technologies in energy-economy models, which are used extensively to analyze the economic, energy and environmental impacts of alternative energy and climate policies, is rather limited. This dissertation presents advanced techniques of including technological innovations in energy-economy computable general equilibrium (CGE) models. New methods are explored and applied for improving the realism of energy production and consumption in such top-down models. The dissertation addresses some of the main criticism of general equilibrium models in the field of energy and climate policy analysis: The lack of detailed sectoral and technical disaggregation, the restricted view on innovation and technological change, and the lack of extended greenhouse gas mitigation options. The dissertation reflects on the questions of (1) how to introduce innovation and technological change in a computable general equilibrium model as well as (2) what additional and policy relevant information is gained from using these methodologies. Employing a new hybrid approach of incorporating technology-specific information for electricity generation and iron and steel production in a dynamic multi-sector computable equilibrium model it can be concluded that technology-specific effects are crucial for the economic assessment of climate policy, in particular the effects relating to process shifts and fuel input structure. Additionally, the dissertation shows that learning-by-doing in renewable energy takes place in the renewable electricity sector but is equally important in upstream sectors that produce technologies, i.e. machinery and equipment, for renewable electricity generation. The differentiation of learning effects in export sectors, such as renewable energy technologies, matters for the economic assessment of climate policies because of effects on international competitiveness and economic output.