Libéralisation des industries électriques et analyse économique

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1 Concurrence Energie Econométrie Libéralisation des industries électriques et analyse économique Vincent Rious (Microeconomix) et Thomas Veyrenc (RTE)

2 Organisation du cours Séance 1 Les raisons de la libéralisation du système électrique (TV) Séance 2 La nouvelle organisation du secteur (VR) Séance 3 Défaillances sur les marchés de l électricité & intervention publique (TV) Séance 5 Coordination de la production et du transport dans un système électrique libéralisé (VR) Séance 4 La problématique des investissements en capacités de production (TV) Séance 6 Questions-réponses + EXAMEN (VR) 2

3 Rappel des épisodes précédents Les raisons de la libéralisation des industries électriques L électricité, un bien très spécifique Du point de vue de la demande Du point de vue de la production Du point de vue du réseau Ce qui a justifié l intégration de l industrie Mais avec des défaillances de la régulation Un nombre croissant de systèmes électriques ont donc été libéralisés Avec des problèmes assez conséquents et difficiles à traiter parce que nouveaux et multiples En particulier, liés à la gestion du réseau 3

4 Questions

5 Problèmes réseau accentués par l insertion des énergies renouvelables Les émissions de CO2 Sont des externalités négatives Alors le développement des énergies renouvelables procurent Des externalités positives Mais les sources d ENR sont loin des centres de consommation 5

6 Localisation des ressources éoliennes en Europe Colour Sheltered terrain Open plain At a sea coast Open sea Hills and ridges 6 Source:

7 Localisation des ressources éoliennes en Europe Colour Sheltered terrain Open plain At a sea coast Open sea Hills and ridges L activité économique en Europe se concentre principalement dans la zone délimitée en blanc Des lignes de transport d électricité sont nécessaires pour approvisionner cette zone en énergie éolienne 7 Source:

8 L ambition de recourir à de grands réseaux sousmarins pour transporter l énergie éolienne de Mer du Nord Les super grids vus par Airtricity, ABB, Imera, Dowling & Hurley, Greenpeace, and Desertec 8 8

9 Concurrence Energie Econométrie Coordination de la production et du transport d électricité dans un système électrique libéralisé Vincent Rious 27 octobre 2011

10 Plan de la séance Les problèmes de coordination entre production et transport dans un système électrique libéralisé A court terme A long terme Allouer la capacité de transport du réseau La gestion des congestions et le redispatching L internalisation des congestions et le pricing nodal Le développement du réseau de transport Le tarif d accès et la localisation des moyens de production Investissements sur le réseau 10

11 Coordination des investissements en production et en transport par une entreprise intégrée Entreprise intégrée Facile de savoir la localisation de la production globalement la moins coûteuse CIP W < CIP E 11

12 Séparation production-transport et besoin de coordination Système électrique libéralisé Comment coordonner deux activités complémentaires mais séparées? CIP W < CIP E 12

13 Coordination à court terme entre production et transport Comment allouer intelligemment la capacité limitée du réseau? Producteurs Réseau de capacité limitée à 100 MW Consommateurs 13

14 Coordination à long terme entre production et transport 1- Comment allouer intelligemment le coût du réseau aux utilisateurs? 2- Quand développer le réseau de transport pour augmenter la capacité des lignes et jusqu à quelle capacité? Et surtout comment inciter le GRT? Producteurs Réseau de capacité limitée à 100 MW Consommateurs 14

15 Rappel général en économie On souhaite atteindre l optimum social Maximiser le surplus social = somme de ce que tout le monde gagne On souhaite que cet optimum soit atteint par les acteurs de l économie autant que possible sans intervention extérieure par les prix 15

16 Plan de la séance Les problèmes de coordination entre production et transport dans un système électrique libéralisé A court terme A long terme Allouer la capacité de transport du réseau La gestion des congestions et le redispatching L internalisation des congestions et le pricing nodal Le développement du réseau de transport Le tarif d accès et la localisation des moyens de production Investissements sur le réseau 16

17 La gestion des congestions Rappel Les congestions créent des externalités Techniquement Baisser la production en amont de la congestion Augmenter la production et/ou baisser la consommation élastique en aval 17 Producteurs Réseau de capacité limitée à 100 MW Consommateurs

18 La gestion des congestions Economiquement Moduler la production et la consommation au moindre coût pour tous Inciter les utilisateurs à moduler d eux-mêmes leur puissance afin qu ils intègrent dans leur décision la capacité limitée du réseau et l utilisation du réseau par les autres acteurs 18 Producteurs Réseau de capacité limitée à 100 MW Consommateurs

19 La gestion des congestions D K Q ~ Prix, coût marginal Si les congestions sont ignorées S ~ PMS Coût marginal de production au nœud S 19 Nœud S: Prod pas chère Nœud D: Conso élastique ou prod plus chère K Capacité de transport limitée entre S et D Q Consommation fixe Quantité et capacité

20 Méthodes non économiques Premier arrivé, premier servi Priorité Pro rata Des méthodes largement appliquées au début des réformes électriques Malheureusement car inefficaces 20

21 Premier arrivé premier servi ou Priorité Q ~ Prix, coût marginal N K S ~ ~ ~ ~ K Q Quantité et capacité 21 Capacité de transport limitée entre S et N Consommation fixe

22 Pro rata Q ~ Prix, coût marginal N Pro rata K S Coût marginal de production au nœud S ~ ~ ~ ~ K Q Quantité et capacité 22 Capacité de transport limitée entre S et N Consommation fixe

23 Les méthodes économiques Redispatching Pricing nodal 23

24 Plan de la séance Les problèmes de coordination entre production et transport dans un système électrique libéralisé A court terme A long terme Allouer la capacité de transport du réseau La gestion des congestions et le redispatching L internalisation des congestions et le pricing nodal Le développement du réseau de transport Le tarif d accès et la localisation des moyens de production Investissements sur le réseau 24

25 Le redispatching Comment ça marche mal Les utilisateurs du réseau ne prennent pas en compte la capacité limitée des infrastructures dans leur décision Le problème du pouvoir de marché local Qui peut être traité en partie en faisant supporter le coût des congestions au GRT quand le GRT peut le supporter 25

26 Le redispatching D Q ~ Prix, coût marginal Le GRT demande La diminution de la production pour respecter la capacité limitée du réseau K La diminution de la production la plus chère pour maximiser le surplus social S PMS P off Nœud S ~ K Q Quantité et capacité 26 Capacité de transport limitée entre S et D Consommation fixe

27 Le redispatching Q ~ Prix, coût marginal Utilité au nœud D D P on K S ~ PMS P off Le GRT demande La diminution de la consommation Nœud S pour respecter la contrainte d équilibre Le diminution de la consommation avec l utilité la plus faible pour maximiser le surplus social K Q Quantité et capacité 27 Capacité de transport limitée entre S et D Consommation fixe

28 Le redispatching Q ~ Prix, coût marginal Étape 2 D P on K S Étape 1 PMS P off ~ Étape 2 K Q Quantité et capacité 28 Capacité de transport limitée entre S et D Consommation fixe

29 Le redispatching Q ~ Prix, coût marginal D P on K Coût de congestion S PMS P off Nœud S ~ K Q Quantité et capacité 29 Capacité de transport limitée entre S et D Consommation fixe

30 Le redispatching Problème Le redispatching n incite pas les utilisateurs du réseau à prendre en compte les contraintes du réseau Pire, les utilisateurs du réseau peuvent se servir des congestions pour créer des monopoles locaux de production Pouvoir de marché local Ils peuvent aussi créer des congestions et à se faire payer très cher pour les lever Manipulations rencontrées En Angleterre A PJM avant 1998 En Californie lors de la crise de

31 Le redispatching et le pouvoir de marché Q ~ Prix, coût marginal D P on K Coût de congestion S PMS P off Nœud S ~ K Q Quantité et capacité 31 Capacité de transport limitée entre S et D Consommation fixe

32 Coût de congestion et régulation du GRT Faire porter au moins une partie du coût de congestion au GRT Pour qu il fasse son possible pour minimiser le coût de congestion Pour éviter l indifférence du GRT à l exercice du pouvoir de marché local par les producteurs Pour qu il mène son enquête sur de potentiels abus de pouvoir de marché local Demander les coûts de production Les vérifier avec des consultants externes aux producteurs Mettre en place un contrat d option avec les producteurs ayant du pouvoir de marché local Méthode appliquée en Angleterre depuis

33 1990/1 1991/2 1992/3 1993/4 1994/5 1995/6 1996/7 1997/8 1998/9 1999/0 2000/1 2001/2 2002/3 2003/4 2004/5 Estimated Outurn Congestion Costs ($M) Coût de congestion et régulation du GRT Régulation du coût de congestion, l exemple anglais Introduction of Financial Incentives on SO

34 Coût de congestion et régulation du GRT Faire porter au moins une partie du coût de congestion au GRT Attention : le GRT peut-il supporter cette charge assez risquée? S il possède le réseau, oui $$$ S il ne le possède pas, non! Trop risqué! 34

35 Plan de la séance Les problèmes de coordination entre production et transport dans un système électrique libéralisé A court terme A long terme Allouer la capacité de transport du réseau La gestion des congestions et le redispatching L internalisation des congestions et le pricing nodal Le développement du réseau de transport Le tarif d accès et la localisation des moyens de production Investissements sur le réseau 35

36 La tarification nodale Pricing nodal Comment ça marche bien Les utilisateurs du réseau prennent en compte la capacité limitée des infrastructures dans leur décision Le problème du pouvoir de marché local Tout de suite visible 36

37 La tarification nodale Principe Voir chaque nœud du réseau comme un mini-marché Voir les lignes électriques comme des consommations ou des productions pour ces mini-marchés Avec des contraintes de capacités 37

38 La tarification nodale au nœud S Q ~ Prix, coût marginal D K S ~ P S Coût marginal de production au nœud S K Quantité et capacité 38 Capacité de transport limitée entre S et D

39 La tarification nodale au nœud D Q ~ Prix, coût marginal Utilité au D D P D K S ~ K Q Quantité et capacité 39 Capacité de transport limitée entre S et D Consommation fixe

40 La tarification nodale Q ~ Prix, coût marginal Utilité au D D P D K S ~ P S Coût marginal de production au nœud S K Q Quantité et capacité 40 Capacité de transport limitée entre S et D Consommation fixe

41 La tarification nodale et la rente de congestion Q ~ Prix, coût marginal Utilité au D D P D K Le GRT achète de l énergie au nœud S et la revend au nœud D Rente de congestion S ~ P S Coût marginal de production au nœud S K Q Quantité et capacité 41 Capacité de transport limitée entre S et D Consommation fixe

42 La tarification nodale et le pouvoir de marché local Q D ~ P D Prix, coût marginal Le pouvoir de marché est tout de suite visible sur les prix nodaux K Le GRT achète de l énergie au nœud S et la revend au nœud D Rente de congestion S ~ P S Coût marginal de production au nœud S K Q Quantité et capacité 42 Capacité de transport limitée entre S et D Consommation fixe

43 Généralisation de la tarification nodale au réseau maillé Un prix différent de l électricité en chaque nœud pour inciter producteurs et consommateurs à produire et consommer de façon à maximiser le surplus social Prix nodal Coût d un mégawatt supplémentaire consommé en ce nœud Basé sur un calcul de Flux de Puissance Optimaux (OPF) 43

44 Flux de puissance sur un réseau maillé : répartition sur les lignes 15 MW 15 MW 10 MW 44

45 Flux de puissance sur un réseau maillé : répartition sur les lignes 12 MW 12 MW 4 MW 45

46 Le principe de superposition 12 MW 15 MW MW MW 46

47 L exemple le plus simple de tarification nodale sur un réseau maillé C P B = 30 /MWh P C = 40 /MWh P A = 20 /MWh A B C A = 20 /MWh Limite = 200 MW C C = 40 /MWh 47

48 La tarification nodale L exemple des marchés de PJM et de Midwest ISO (www.midwestiso.org) 48

49 La tarification nodale Permet l internalisation des externalités d usage du réseau liées aux congestions 49

50 L insuffisance de la tarification nodale à long terme Quel effet à long terme? Pour les utilisateurs du réseau Prix nodaux = signaux de localisation Sur le réseau d aujourd hui Mais pas sur le réseau de demain! Ceci, à cause des indivisibilités importantes des lignes électriques Investissement par saut! Qui «tue» les signaux de localisation des prix nodaux 50

51 Effet des indivisibilités du réseau sur la tarification nodale Q ~ Prix, coût marginal Utilité au D D P D P D K P S S ~ P S Investissement Coût marginal de production au nœud S K Q Quantité et capacité 51 Capacité de transport limitée entre S et D Consommation fixe

52 Plan de la séance Les problèmes de coordination entre production et transport dans un système électrique libéralisé A court terme A long terme Allouer la capacité de transport du réseau La gestion des congestions et le redispatching L internalisation des congestions et le pricing nodal Le développement du réseau de transport Le tarif d accès et la localisation des moyens de production Investissements sur le réseau 52

53 Signaux de localisation de long terme Allouer le coût du réseau de façon à guider la localisation des investissements en production Pas de solution idéale simple Que des solutions pragmatiques Dont l efficacité n est généralement pas vraiment connue, même en théorie 53

54 Réactivité des producteurs aux signaux de long terme Contraintes de localisation des producteurs Source d énergie primaire Acceptabilité locale Terrain peu onéreux + raccordement au réseau Des congestions durables! 54

55 Le besoin pour le réseau d anticiper les investissements en production 7 ans pour construire une ligne du réseau de transport Technologie de production Temps de construction (années) Taille standard (MW) Turbine à Combustion 1 40 Charbon to 1600 CCG Nucleaire Hydraulique - - Eolien onshore 2 25 offshore

56 Plan de la séance Les problèmes de coordination entre production et transport dans un système électrique libéralisé A court terme A long terme Allouer la capacité de transport du réseau La gestion des congestions et le redispatching L internalisation des congestions et le pricing nodal Le développement du réseau de transport Le tarif d accès et la localisation des moyens de production Investissements sur le réseau 56

57 La régulation du monopole de transport Le réseau reste un monopole naturel Il est donc nécessaire de le réguler, de l inciter avec une trajectoire budgétaire prédéfinie Le monopole connaissant son revenu, il va chercher à minimiser son coût Ce processus est applicable pour les activités du monopole faiblement impactées par des incertitudes de long terme, soit La gestion du réseau à court terme Congestion et équilibrage Et la maintenance (moyen terme à l année) 57

58 La régulation incitative en pratique Gestion des congestions à court terme Tous les ans, un objectif de coût fixé avec un système de bonus/malus Maintenance (moyen terme à l année) Price cap sur 4 à 5 ans Investissement sur 20 à 40 ans Enveloppe souple d investissement sur 4 à 5 ans avec consultation des utilisateurs (actuels et potentiels) pour évaluer l adéquation du plan d investissement réseau à leur besoin 58

59 La régulation incitative dans les faits National Grid Évolution du revenu de NGC 59

60 La régulation incitative dans les faits National Grid Les investissements de NGC 60

61 Coordonner production et transport dans un système électrique libéralisé Les signaux de localisation sont nécessaires Mais à la marge Et ils peuvent être contre-incitatifs pour un GRT mal régulé Les investissements du réseau de transport sont centraux pour cette coordination Pour lever les congestions En anticipant la localisation des nouvelles centrales Et en informant les producteurs sur les possibles renforcements du réseau! La régulation du réseau de transport garde donc un rôle important dans le système électrique libéralisé Mais cela s avère compliqué dans les systèmes électriques interconnectés 61

62 La coordination est compliquée sur le réseau électrique européen car il est fortement interconnecté mais géré au niveau national 62

63 63 Interaction entre les réseaux interconnectés en Europe