Le résumé en français n'a pas été communiqué par l'auteur. / Le résumé en anglais n'a pas été communiqué par l'auteur.

Les défis auxquels sont confrontés les différents secteurs de l’économie, répondent à l'évolution et à la spécialisation des consommateurs et des producteurs, dont les besoins sont de plus en plus complexes. À cet égard, au cours des 5 dernières années, les marchés de l'électricité ont subi un processus évolutif qui vise à répondre aux besoins de tous les intervenants dans des scénarios de développement durable.Aussi les agents impliqués dans les marchés de l'électricité, exposés à des risques opérationnels, juridiques, éthiques, financiers, entre autres, doivent‐ils se spécialiser pour s'approprier notamment de nouvelles technologies. Cette recherche porte principalement sur l'étude du risque financier tout à s'attachant à prendre en compte les nombreuses spécificités des marchés de l'électricité dans le but d'assurer le bon fonctionnement du marché et de ses participants.Dans les développements antérieurs, certains modèles se sont concentrés sur les phénomènes de pannes de courant électrique, d'instabilité du réseau, de variations de puissance, de réseaux intelligents, entre autres. D'autres études ont abordé la question de la prédiction de variables comme le prix et la stratégie d'entreprise, dans le but d'accroître les profits des participants. Ce projet de thèse propose un modèle financier complexe, qui se traduit par le calcul d'un équilibre de marché à partir des conditions initiales et des contraintes de risque. En utilisant la théorie des jeux, nous expliquons l'instabilité de l’équilibre. Nous montrons, en dépit de la complexité, qu'il est possible de trouver un scénario optimal en termes de rentabilité pour le système et les agents.Ce travail est structuré de la façon suivante. Dans le premier chapitre, une revue des études antérieures est présentée afin d’établir le contexte de la recherche. Le chapitre 2 décrit le marché de l'électricité colombienne avec ses particularités. Dans le chapitre 3, les indicateurs de risque (KRI) sont définis. Ils constitueront une partie fondamentale du modèle complet présenté dans le chapitre 4. Enfin, le chapitre 5, d'une part, présente les résultats obtenus et, d'autre part, discute de différentes voies d'approfondissement. / The challenges faced by different sectors of the economy, respond to the evolution and specialization of consumers and producers, where the needs are becoming more complex. In this sense, during the last 5 years the electricity markets have undergone an evolutionary pro- cess that aims to meet the needs of all stakeholders in the midst of sustainability scenarios.Thus, the agents involved in the electricity market, present a num- ber of exhibitions of operational nature, legal, ethical, financial, among others, which require a specialization allowing the entry of new tech- nologies. This research project focuses on the study of financial risk, which despite being so specific, consider many elements with the aim of ensuring the functioning of the market and its participants.In previous studies, some models have concentrated on the in- vestigation of blackouts phenomena, the stability of the network, the dynamic power system, and Smart grids, among others. Mean- while other investigations have addressed the problem of forecasting different variables like the spot price and corporate strategy, with the aim of increasing the profitability of the participants. Now, this project presents the proposal of a complex financial model, which results in calculating a market equilibrium considering initial condi- tions and risk constraints. Using game theory it demonstrates equi- librium instability and that through complexity it is possible to find an optimal scenario in terms of profitability for the system and the agents.In chapter 1 it carried out a review of previous studies in order to justify the investigation, then Chapter 2 includes a description of the Colombian electricity market, with different specifications. In chap- ter 3 the KRI are defined, and they will be integrated in Chapter 4 as a fundamental part of the comprehensive model. Finally, Chapter 5 includes the results of the study ending with some possible further studies and additional considerations.

Cette thèse vise à répondre à trois questions soulevées par la vague de réformes dans les secteurs de l’électricité: est-ce que la libéralisation de la fourniture d’électricité a atteint ses objectifs dans l’Union Européenne ? Comment les producteurs qui utilisent des sources renouvelables et non renouvelables se font concurrence dans le marché libéralisé ? Quel est l’'impact de l’augmentation de la production d’électricité à partir de sources renouvelables sur la congestion du réseau et sur les différences de prix zonaux en Italie ? Le premier chapitre fournit une évaluation à mi-terme de la libéralisation de la fourniture d’électricité en Europe. On propose une théorie complète sur la libéralisation de la fourniture et on teste sa cohérence avec la pratique dans l’Union Européenne. L’analyse met en évidence la persistance d’une structure oligopolistique dans la fourniture, un faible engagement des clients et des asymétries dans le taux et la vitesse de transfert des coûts d’approvisionnement dans les prix des contrats. L’attribution aux enchères des services par défaut et de dernier recours semble la meilleure solution afin de favoriser le développement de la concurrence. Dans le deuxième chapitre, nous étudions les interactions stratégiques entre une technologie de production traditionnelle et une renouvelable caractérisée par une capacité aléatoire. Nous employons une version modifiée du modèle de Dixit sur les investissements stratégiques de dissuasion à l’entrée avec deux configurations pour la concurrence après l’entrée: concurrence à la Cournot dans un jeu en deux étapes et le cadre entreprise dominante-frange concurrentielle dans un jeu en trois étapes. Dans les deux cas, l’analyse suggère que le producteur renouvelable exploite l’ordre de mérite afin de remplacer la production de son rival. Dans le troisième chapitre, nous analysons l’impact de la production d’énergie renouvelable sur la congestion et sur les différences de prix zonaux en Italie. En utilisant une base de données unique, nous estimons deux modèles économétriques sur cinq couples de zones: un modèle logit multinomial pour l’occurrence et la direction de la congestion et un modèle MCO pour la taille des différences de prix. L’analyse montre que dans une région importatrice l’effet de l’augmentation de la production renouvelable locale est de diminuer (augmenter) la probabilité de congestion provoquée par la région limitrophe (causée à la région limitrophe). L’augmentation de la production d’énergie renouvelable semble avoir un impact significatif sur les zones insulaires, en diminuant (augmentant) le niveau des différences positives (négatives) des prix. / The objective of this thesis is to answer to three questions raised by the wave of reform in electricity industries: has retail liberalization achieved its objectives in European Union? How traditional and renewable generators compete in a liberalized market? What is the impact on congestion and zonal price differences of increased production from renewable intermittent sources in Italy? The first chapter provides a mid-term evaluation of liberalization of electricity retailing in Europe. We propose a comprehensive theory on retail liberalization and test its consistency with the practice in European Union. The analysis highlights the presence of an oligopolistic supply structure, a limited level of customer engagement in the market and asymmetries in the rate and speed of cost-pass through. The attribution of the Default/Last Resort service through an auction mechanism seems the best solution to favor the development of competition. In the second chapter we study the strategic interactions between a traditional generation technology and a renewable one characterized by an intermittent availability of capacity. We employ a modified version of the Dixit model for entry deterrence with two post entry competition settings: the Cournot framework in a two stage game and the dominant firm-competitive fringe setting in a three stage game. In both cases, the analysis suggests that the renewable generator exploits the merit order rule to crowd out the production of its rival. In the third chapter we analyze the impact of renewable generation on congestion and zonal price differences in Italy. Using a unique database we estimate two econometric models on five zonal pairings: a multinomial logit model for the occurrence and direction of congestion and an OLS model for the size of paired-price differences. The analysis shows that in an importing region the effect of a larger local renewable supply is to decrease (increase) the probability of congestion in entry (exit). Increasing renewable generation seems to have a significant impact on the islander zones, decreasing (increasing) the level of positive (negative) price differences

La transition énergétique, en partie caractérisée par le déploiement massif des énergies renouvelables, a relancé un débat de longue date sur les architectures de marché fournissant les meilleures incitations aux investissements dans les marchés libéralisés de l’électricité. Ces incitations sont essentielles pour garantir la sécurité d’approvisionnement à long terme. Pour choisir l’architecture de marché adéquate, les décideurs publics doivent évaluer et comparer les performances économiques des solutions disponibles. La présente thèse complète la littérature sur les incitations aux investissements et la sécurité d’approvisionnement en étudiant trois aspects importants : (i) le comportement des marchés de l'électricité en présence d’acteurs averses au risque, (ii) la compatibilité entre les incitations des acteurs à mettre leurs actifs sous cocon et les objectifs de sécurité d’approvisionnement et (iii) les performances économiques de différentes architectures de marché dans un contexte de forte pénétration des énergies renouvelables. Pour ce faire, une modélisation de type System Dynamics est utilisée pour représenter les dynamiques de long terme résultant des décisions des acteurs dans un marché libéralisé. La thèse est organisée en trois chapitres correspondant à chacun des points mentionnés ci-dessus. Les principaux résultats sont les suivants : Premièrement, les mécanismes de capacité sont nécessaires pour faire face aux effets néfastes de l’aversion au risque des investisseurs. Ce phénomène affecte de manière significative les marchés de l’énergie de type energy-only, qui subissent alors une baisse des investissements et des pénuries plus importantes. Les marchés de capacité résistent mieux à l’aversion au risque des investisseurs. Cependant, cette résilience dépend du plafond des prix dans les enchères de capacité. Pour qu'une telle architecture de marché donne des résultats satisfaisants en termes de sécurité d’approvisionnement, ce plafond de prix doit tenir compte du risque d'investissement supporté par les acteurs. Deuxièmement, si les acteurs du marché en ont la possibilité, leurs décisions de mettre leurs actifs sous cocon peuvent modifier les dynamiques d'investissement et de fermeture à long terme. En outre, dans un monde caractérisé par des actifs indivisibles, cette possibilité augmente le niveau de coordination nécessaire pour assurer la sécurité d’approvisionnement. Cela est particulièrement vrai pour les marchés de type energy-only, dans lesquels la mise sous cocon augmente le niveau des pénuries, au point de contrebalancer les économies de coûts qu’elle génère. En revanche, les marchés de capacité peuvent fournir la coordination nécessaire pour assurer la sécurité d’approvisionnement même lorsque les acteurs ont la possibilité de mettre leurs actifs sous cocon. Troisièmement, parmi les architectures de marché proposées dans la littérature, les marchés de capacité apparaissent comme la meilleure solution du point de vue du surplus social. Néanmoins, du point de vue des investisseurs, et dans certaines conditions liées à une forte pénétration des énergies renouvelables, les marchés de capacité avec des contrats annuels ne suppriment pas entièrement le problème dit de "missing money". Les résultats indiquent que l'attribution de contrats de capacité pluriannuels atténue le problème. / The ongoing energy transition, partly characterized by the massive deployment of renewables, has reignited a long-lasting debate on the best market design options to provide adequate investment incentives and ensure capacity adequacy in liberalised electricity markets. To choose the appropriate market design, policymakers need to assess and compare the economic performances of available solutions in terms of effectiveness and cost-efficiency. This dissertation complements the existing literature on market design for long-term capacity adequacy by focusing on three research topics: (i) understanding how electricity markets perform under different assumptions regarding investors’ risk preferences, (ii) analysing the compatibility of private agents’ incentives to mothball capacity resources with security of supply objectives and (iii) assessing the economic performance of different market designs in a context of a high penetration of renewables. To this end, the System Dynamics modelling framework is applied to represent long-term dynamics resulting from private agents’ decisions in liberalised electricity markets. The dissertation is organised in three chapters corresponding to each of the topics mentioned above. The main results are outlined below. Firstly, capacity remuneration mechanisms are necessary to deal with the detrimental effects of investors’ risk aversion. Energy-only markets are significantly affected by this phenomenon as they experience reduced investment incentives and higher levels of shortages. Capacity markets are more resilient to private investors’ risk aversion. However, this resilience depends on the level of the price cap in the capacity auctions. For such a market design to provide satisfactory outcomes in terms of capacity adequacy, this price cap should account for the investment risk faced by market participants. Secondly, when market participants have the possibility to mothball their capacity resources, these mothballing decisions can potentially modify investment and shutdown dynamics in the long run. Furthermore, in a world with capacity lumpiness (i.e. indivisibilities), mothballing increases the level of coordination needed to ensure capacity adequacy. This is especially true in energy-only markets, where mothballing increases the level of shortages to an extent that seems to overweigh the cost savings it generates at system level. Capacity markets can provide the required coordination to ensure capacity adequacy in a world with mothballing. Thirdly, among proposed market designs in the literature, capacity markets appear as the preferable solution to ensure capacity adequacy from a social welfare point of view. Nevertheless, from a private investor’s perspective and under certain conditions related to high penetration of renewables, capacity markets with annual contracts do not entirely remove the so-called “missing money” problem. The results indicate that granting multiannual capacity contracts alleviates the problem.

Vehicle-to-Anything (V2X) est un terme générique qui explique l'utilisation de batteries de véhicules électriques pour obtenir une valeur supplémentaire lors de périodes de non-utilisation. Les services V2X génèrent des revenus de la batterie grâce à la charge dynamique monodirectionnelle (V1X) ou bidirectionnelle (V2X) afin de fournir des avantages au réseau électrique, de réduire la consommation énergétique des bâtiments et des maisons ou de fournir une alimentation de secours aux charges. Une méta-analyse du potentiel économique donne des résultats contradictoires avec la littérature et indique que la gestion de la consommation électrique, l'adéquation des ressources et le report de l’investissement dans le réseau ont plus de valeur que d’arbitrage sur les marchés d’énergie et réserve secondaire. Bien que je convienne que le développement soit pour et par le marché, je souligne que V2X se développera dans les limites du contexte réglementaire; les régulateurs ont donc un rôle de catalyseur à jouer.Une question importante est de savoir dans quelle mesure une utilisation supplémentaire de la batterie du véhicule affectera la capacité de la batterie au cours de sa durée de vie. Il est donc essentiel de comprendre les subtilités de la dégradation de la batterie pour estimer les coûts. Les batteries Li-ion sont des systèmes électrochimiques compliqués qui présentent deux phénomènes de dégradation simultanés, le vieillissement calendaire et le vieillissement cyclique. Dans les applications véhiculaires, le vieillissement du calendrier a tendance à être l’effet dominant de dégradation de la durée de vie, ce qui réduit le temps, élément le plus important de la dégradation; par conséquent, le coût de la dégradation dépend fondamentalement du temps.Une affirmation centrale de cette thèse est que le coût marginal de V2X n’est ni nul ni négligeable comme l’a accepté la littérature économique, mais dépend fortement de la dégradation de la batterie. Nous proposons ici une théorie des coûts marginaux V2X qui repose sur deux principes: 1.) il existe un coût d’efficacité associé au chargement de la batterie, et 2.) le véritable coût de dégradation de V2X prend en compte le coût d’opportunité, c’est-à-dire, la dégradation au-delà de ce qu’aurait été l’utilisation normale du véhicule.Avoir un concept clair du coût marginal de V2X, permet de comptabiliser et d’équilibrer correctement tous les coûts réels: coût de l’électricité, coûts d’efficacité du système et dégradation de la batterie. Cela permettra d’élaborer des stratégies de charge optimales et d’informer correctement les offres du marché de l’énergie. Il en résulte une compréhension plus nuancée des coûts marginaux. L’impact de la batterie V2X sur la vie de la batterie pourrait être considéré comme un coût, un bénéfice ou nul. Je conclus que le V2X peut offrir une valeur économique supérieure à celle précédemment entendue et que cette valeur supplémentaire sera réalisée grâce à l'amélioration simultanée de l'efficacité de la charge et de la réduction de la dégradation de la batterie EV. / Vehicle-to-Anything (V2X) is an umbrella term to explain the use of electric vehicle batteries to derive additional value during times of non-use. V2X services generate revenue from the battery asset through dynamic mono-directional (V1X) or bi-directional (V2X) charging to provide benefits to the electric grid, to reduce energy consumption of buildings and homes, or to provide back-up power to loads. A meta-analysis of economic potential gives results contradictory to the literature and indicates that Bill Management, Resource Adequacy, and Network Deferral are more valuable than Energy Arbitrage and Spinning Reserves. While I concur that development is of and by the market, I emphasize that V2X will develop within the constraints of the regulatory environment; therefore regulators have an enabling role to play.An important question is to what extent additional use of the vehicle battery will affect battery capacity over its lifetime, therefore understanding the intricacies of battery degradation is crucial to estimate costs. Li-ion batteries are complicated electrochemical systems which exhibit two concurrent degradation phenomena, Calendar Aging and Cycling Aging. In vehicular applications, Calendar Aging tends to be the dominating life degradation effect, which reduces to time being the most important component of degradation; therefore degradation cost is fundamentally time-dependent.A central claim of this dissertation is that gls{v2x} Marginal Cost is not zero nor negligible as the economic literature has accepted but is highly dependent on battery degradation. Herein, a gls{v2x} Marginal Cost Theory is proposed which is based on two main principles: 1.) there is an efficiency cost associated with charge operation, and 2.) the true gls{v2x} degradation cost takes opportunity cost into account, that is, only considers degradation beyond what would have been experienced by operating the vehicle normally.Having a clear concept of gls{v2x} Marginal Cost which can properly account for and balance all true costs: the cost of electricity, the system-efficiency costs, and battery degradation, will allow for development of optimal charge strategies and will properly inform energy market bids. This results in a more nuanced understanding of marginal costs as the resultant battery lifetime impact from gls{v2x} can be either be considered a cost, a benefit, or zero. I conclude that gls{v2x} may offer greater economic value than previously understood and that this additional value will be realized through the simultaneous improvement in charge efficiency and reduction of gls{ev} battery degradation.

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Cette thèse traite de problèmes de dépendance entre processus stochastiques en temps continu. Ces résultats sont appliqués à la modélisation et à la gestion des risques des marchés de l'électricité.Dans une première partie, de nouvelles copules sont établies pour modéliser la dépendance entre deux mouvements Browniens et contrôler la distribution de leur différence. On montre que la classe des copules admissibles pour les Browniens contient des copules asymétriques. Avec ces copules, la fonction de survie de la différence des deux Browniens est plus élevée dans sa partie positive qu'avec une dépendance gaussienne. Les résultats sont appliqués à la modélisation jointe des prix de l'électricité et d'autres commodités énergétiques. Dans une seconde partie, nous considérons un processus stochastique observé de manière discrète et défini par la somme d'une semi-martingale continue et d'un processus de Poisson composé avec retour à la moyenne. Une procédure d'estimation pour le paramètre de retour à la moyenne est proposée lorsque celui-ci est élevé dans un cadre de statistique haute fréquence en horizon fini. Ces résultats sont utilisés pour la modélisation des pics dans les prix de l'électricité.Dans une troisième partie, on considère un processus de Poisson doublement stochastique dont l'intensité stochastique est une fonction d'une semi-martingale continue. Pour estimer cette fonction, un estimateur à polynômes locaux est utilisé et une méthode de sélection de la fenêtre est proposée menant à une inégalité oracle. Un test est proposé pour déterminer si la fonction d'intensité appartient à une certaine famille paramétrique. Grâce à ces résultats, on modélise la dépendance entre l'intensité des pics de prix de l'électricité et de facteurs exogènes tels que la production éolienne. / In this thesis, we study some dependence modeling problems between continuous time stochastic processes. These results are applied to the modeling and risk management of electricity markets. In a first part, we propose new copulae to model the dependence between two Brownian motions and to control the distribution of their difference. We show that the class of admissible copulae for the Brownian motions contains asymmetric copulae. These copulae allow for the survival function of the difference between two Brownian motions to have higher value in the right tail than in the Gaussian copula case. Results are applied to the joint modeling of electricity and other energy commodity prices. In a second part, we consider a stochastic process which is a sum of a continuous semimartingale and a mean reverting compound Poisson process and which is discretely observed. An estimation procedure is proposed for the mean reversion parameter of the Poisson process in a high frequency framework with finite time horizon, assuming this parameter is large. Results are applied to the modeling of the spikes in electricity prices time series. In a third part, we consider a doubly stochastic Poisson process with stochastic intensity function of a continuous semimartingale. A local polynomial estimator is considered in order to infer the intensity function and a method is given to select the optimal bandwidth. An oracle inequality is derived. Furthermore, a test is proposed in order to determine if the intensity function belongs to some parametrical family. Using these results, we model the dependence between the intensity of electricity spikes and exogenous factors such as the wind production.