Abstract

Résumé
Cette thèse comprend trois (3) essais en économie de l'électricité.
Le premier essai, intitulé "A Dynamic Oligopolistic Electricity Market Model with
Interdependent Segments", étudie le marché de l'électricité à travers un modèle
oligopolistique déterministe, à horizon fixe et en temps discret. Les stratégies d'équilibre
des joueurs illustrent les niveaux de production et d'investissement, ainsi que leur
évolution au long des dix périodes considérées, dans un contexte où deux segments de
demande (pointe et base) sont interdépendants et où la demande croît au fil du temps. Les
joueurs (producteurs d'électricité) jouent à la Cournot dans une structure d'information en
boucle ouverte. Les équilibres de Nash calculés le sont à partir d'un modèle calibré sur
des données ontariennes (Canada). Ce modèle accorde, cependant, aux joueurs plus de
pouvoir de marché que dans la réalité. Nous évaluons les impacts sur les stratégies
d'équilibre d'une élasticité croissante dans le temps et d'une valeur résiduelle variable des
équipements de production, à la fin de l'horizon.
Le modèle prédit, dans la structure actuelle du marché de l'électricité de l'Ontario, des
investissements significatifs en capacité de charge de pointe, pendant que la capacité en
charge de base ne cesse de diminuer tout au long de la période de planification. Ce
résultat est conforme aux projections de l'IESO (Independent Electricity System
Operator) couvrant la période de janvier 2005 à décembre 2014, selon lesquelles
plusieurs constructions de centrales thermiques sont envisagées. Par ailleurs, les résultats
numériques montrent que les prix et les investissements sont plus sensibles aux variations
de l'élasticité-prix de la demande en période de pointe que toutes autres variations des
autres élasticités (direct ou croisé). Ainsi, afin de limiter le pouvoir de marché des firmes,
il est conseillé que le gouvernement favorise l'adoption à grande échelle de nouvelles
technologies intelligentes (par ex. : les thermostats intelligents pour contrôler les
systèmes de chauffage et de climatisation, le système de communication bilatéral entre
les consommateurs et les opérateurs électriques, etc.) capables d'augmenter l'élasticité
prix en période de pointe.
Le deuxième essai, intitulé "Impact of some Parameters on Investments in Oligopolistic
Electricity Markets", développe un cadre d'analyse permettant de comprendre les
conséquences de certaines hypothèses sur les stratégies d'équilibre dans un marché
d'électricité déréglementé. Un modèle oligopolistique, stochastique, à horizon fixe et en
temps discret est ainsi proposé afin d'examiner les stratégies d'équilibre des producteurs
d'électricité, dans un contexte où deux segments de demande (pointe et base) sont
interdépendants et où la demande croît au fil du temps. Pour ce faire, nous nous basons
sur le papier de Pineau et Murto (2003). Ce dernier est choisi essentiellement pour son
cadre stochastique et pour le fait qu'il considère deux segments de demande (pointe et
base). Cette étude est intéressante dans la mesure où beaucoup de zones d'ombre
persistent sur la meilleure façon de considérer certaines caractéristiques importantes du
marché déréglementé de l'électricité dans la modélisation. Quatre hypothèses cruciales au
modèle sont alors sujettes à des analyses de sensibilité, à savoir la structure du marché, le
taux de dépréciation de la capacité, les élasticités prix et l'horizon de planification.
Le résultat majeur de cet essai concerne l'impact de l'interdépendance de deux segments
de la demande sur les prix et les investissements d'équilibre. Étant donné l'importance
pour le prix de jouer son rôle de signal sur les réalités du marché, comprendre le rôle des
élasticités croisées sur les stratégies optimales des firmes s'avère d'une importance
première. Nos résultats numériques montrent, toutefois, que l'impact de celle-ci est assez
limité. Ce résultat est lié aux valeurs attribuées aux élasticités prix croisées qui sont très
petites et pourrait s'expliquer par le fait qu'avant que le changement de comportement des
consommateurs ne se manifeste au niveau du marché, il se pourrait que plusieurs périodes
s'écoulent. Autrement dit, il est difficile pour les consommateurs de changer leurs
habitudes de consommation dans le court terme. Pour vérifier cette hypothèse, nous
avons multiplié par dix les valeurs des élasticités croisés avant de recalculer les résultats
d'équilibre. Le résultat est assez tranchant, une hausse par dix des élasticités croisés
entraîne une baisse de dixième du total des investissements.
Le troisième essai, intitulé "An Empirical Investigation of Open-loop and Closed-loop
Equilibrium Investment Strategies in an Electricity Oligopoly Market", utilise la méthode
connue sous le nom de « moving horizon (MH) » et analyse l'impact de la structure
d'information sur les décisions d'investissements des producteurs de l'électricité. Le MH
est un algorithme robuste permettant d'approximer les équilibres de Nash en boucle
fermée par une séquence d'équilibres de Nash en boucle ouverte. Il exploite le fait que, à
la période initiale, les stratégies en boucle fermée et celles en boucle ouverte coïncident.
Les niveaux d'investissements sont d'abord comparés dans un cadre déterministe et
ensuite dans un environnement stochastique. Les résultats montrent que le choix de la
structure de l'information n'est pas vraiment important quand le jeu dynamique est
déterministe, alors qu'il affecte de manière significative les stratégies d'équilibre lorsque
la demande est incertaine.
Nous croyons que les analyses effectuées dans le cadre de cette thèse peuvent être utiles
pour des chercheurs et des professionnels intéressés par la dynamique des
investissements dans le secteur de l'électricité, notamment par la diversité du portefeuille
de production. Elles s'adressent surtout aux responsables des politiques énergétiques, qui
doivent simultanément prendre en compte des paramètres environnementaux et tarifaires,
dans un contexte politiquement sensible.
Mots clés: Investment Dynamics, Electricity Market, Oligopoly, Dynamic Games,
Information Structure, Moving Horizon Control, Interdependent Market Segments,
Deregulation.
Summary
This thesis is composed of three (3) essays in electricity economics.
In the first essay, entitled "A Dynamic Oligopolistic Electricity Market Model with
Interdependent Segments", we examine the electricity market through a deterministic,
discrete-time, finite-horizon oligopoly model. The equilibrium strategies of players
illustrate the levels of production and investment, and their trajectories for the ten
decision periods, in a setting where demand evolves over time and the two market
segment loads (peak- and base-load) are interdependent. The players (generators)
compete à la Cournot in an open-loop information structure. The model is calibrated with
data from Ontario, Canada. We assess the impact on equilibrium strategies of a more
competitive generation sector than what is the actual situation. We also analyze the
impact of increasing demand elasticities over time, and varying the financial values of
production capacities remaining at the end of the planning horizon.
The model predicts, in the current market structure for electricity in Ontario, significant
investments in peak-load capacity, while the base-load capacity continues to decline
throughout the planning period. This is actually consistent with the IESO (Independent
Electricity System Operator) 10-year outlook highlights from January 2005 to December
2014, in which many oil/gas units addition are expected. Further, numerical results show
that varying the peak-load price elasticity leads to more pronounced effects, on prices and
on investments, than varying each one of the other elasticity values. Thus, to limit the
market power of firms, it is recommended that the Government promotes the widespread
adoption of new smart technologies (e.g., intelligent thermostats to control heating and
air-conditioning systems, two-way communicating system between consumers and
utility, etc.) able to increase the peak-load price elasticity.
The second paper, entitled "Impact of some Parameters on Investments in Oligopolistic
Electricity Markets", develops a numerical framework for understanding the
consequences of adopting certain assumptions on the equilibrium strategies in a
deregulated electricity market. A stochastic, discrete-time, finite-horizon oligopoly model
is proposed to investigate investment and production strategies, in a setting where
generators behave à la Cournot and must commit to their decisions conditional to the
realization of the stochastic variable (demand growth), demand evolves over time and the
two market segment loads (peak- and base-load) are interdependent. In order to conduct
such experimentation, we rely on Pineau and Murto (2003). The latter is primarily chosen
for its stochastic framework and the fact that it considers two segments of demand (peakand base-load). This study is interesting since there are still many unanswered questions
on the best way to consider some key elements of the model features, e.g., market
structure, depreciation rate of capacity, investment cost functions, demand elasticities,
and time length.
The main result of this essay concerns the impact of the interdependence of two segments
of demand on prices and investments. Given the importance of price as a signal on
market conditions, understanding the role of positive cross-price elasticities on prices and
investments seems crucial. Our numerical results show, however, that such impact is
fairly limited. This may stem from the fact that since changing electricity consuming
behavior might spread over a long period, the cross effects between the two market
segments should be small. To verify this hypothesis, we multiply by ten the cross-price
elasticities and re-run the model. The result is clear cut, the impact of a tenfold increase
in the values of cross-price elasticities is, roughly speaking, a one tenth decrease in total
investments.
The third essay, entitled "An Empirical Investigation of Open-loop and Closed-loop
Equilibrium Investment Strategies in an Electricity Oligopoly Market", provides an
empirical comparison of open-loop and closed-loop investment strategies in production
capacities in the three-player Finnish electricity industry. The closed-loop equilibrium is
approximated using a moving-horizon approach. Investment levels are compared first in
a deterministic setting and next in a stochastic environment. The results show that the
choice of information structure does not really matter when the dynamic game is
deterministic, whereas it significantly affects the equilibrium strategies when the demand
is uncertain.
We believe that the analyses performed as part of this thesis proposal provide valuable
tools for professionals and scholars interested in the dynamics of production capacity mix
(portfolio of technologies) in the deregulated electricity sector. They are primarily
addressed to public decision makers who have to deal simultaneously with environmental
and control price issues, which are politically sensitive.
Key words: Investment Dynamics, Electricity Market, Oligopoly, Dynamic Games,
Information Structure, Moving Horizon Control, Interdependent Market Segments,
Deregulation.