Modeling the European Natural Gas Market – Static and ... · Modeling the European Natural Gas Market – Static and Dynamic Perspectives of an Oligopolistic Market GEE Student

Franziska HolzGEE Symposium 2009

Modeling the European Natural Gas Market –Static and Dynamic Perspectives

of an Oligopolistic Market

GEE Student Chapter Symposium

6. November 2009

Berlin


2

Europäische Erdgasmärkte: ein aktuelles Thema

Handelsblatt, 3.11.2009


3

Agenda

1. Es herrscht unvollständiger Wettbewerb auf dem europäischen Erdgas-markt, der mit spieltheoretischen Ansätzen modelliert werden sollte.

2. Die Diversifizierung der europäischen Erdgasbezüge, auch mit LNG, verringert die Dominanz einzelner Lieferanten so wie Russland

3. Pipeline-Engpässe innerhalb Europas sind ein wesentliches Hindernis für den einheitlichen europäischen Erdgasmarkt

4. Dynamische Modellierung verbessert das Verständnis der Investitionsbedürfnisse im europäischen Erdgasmarkt

5. Zusammenfassung und Schluss


4

Aufbau der Dissertation

• Statisches GASMOD-Modell

– Modellentwicklung und Marktstruktur-Analyse

– Anwendung mit Fokus auf die Rolle Russlands

– Anwendung für das Energy Modeling Forum (EMF 23)

• Dynamisches GASMOD-Modell (Multi-Perioden-Modell mit Investitionen): theoretisch und Anwendung mit Beispiel-Datensatz


5

Wertschöpfungskette des Erdgassektors

Upstream-Markt Downstream-Markt


6

Spieltheoretische Konzepte in Gleichgewichtsmodellen

Non-cooperative Game Theory Complementarity Modeling

Static market game: CournotMCP

(Mixed Complementarity Problem)

Market game with an upperlevel optimization:

- Stackelberg game- Subsequent investment and

market decisions

MPEC

(Mathematical Problem withEquilibrium Constraints)

Sequential market games:

- Subsequent market games- Generalized Nash games (in

mixed strategies)

EPEC

(Equilibrium Problem withEquilibrium Constraints)


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Literatur: Erdgas-Modelle mit oligopolistischem Wettbewerb

• Mathiesen et al. (1987): Cournot-Modell des europäischen Exportmarktes

• Golombek, Rosendahl et al. (1995, 1998): Modellgestützte Analyse der Liberalisierung in der EU und Erstellung von Kostenkurven

• GASTALE (Lise, Hobbs et al., 2004-2009): Statisches zwei-stufiges und dynamisches Modell des europäischen Exportmarktes mit einem vereinfachten Großhandelsmarkt

• NATGAS (Zwart et al., 2005-2009): Dynamisches Open-Loop-Modellder europäischen Importe und der niederländischen Produktion

• Gabriel, Egging et al. (2006-2009): Detaillierte Modelle des europäischen und des globalen Exportmarktes


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Aufbau des statischen GASMOD-Modells

Upstream Producerf Russia

Wholesale Traderr Germany

Wholesale Trader r France

Final marketm France

Finalmarketm Germany

capf,r

capf,rIntra-EU-cap

r,m

exp-capf

imp-capr

imp-capr

Upstream Producerf Algeria_LNG


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GASMOD-Static: Optimierungsproblem

- Gewinnoptimierungsproblemdes Exporteurs):(ähnlich für den einheimischenProduzenten und den Großhändler)

- KKT (unter Annahme von Cournot-Wettbewerb):

Oligopolistischer Aufschlag

,

, , ,

,

. , *

s.t. f r

f r r r r f r f rx

f r

Max x p p X c x

x cap

Variables:f exporting firm, i.e. upstream producerr importing firm, i.e. downstream trader (here: one firm per country)m final consumer market regionsmcf,r marginal production cost of the producer f (incl. transport costs)pr equilibrium import price for the trader r (border price)P0m reference market price on final market mD0m reference demand on final market mΘf,r market share of exporter f with trader rσr price elasticity of rxf,r supply by exporter f to trader ryr,m supply by trader r to end-market mydom domestic production

,, * 1 1 f r capf r r r

r

mc p X

Price elasticity of demand

Cournot assumptionMarket share

, ,

,

r r r r capr rf r r r f r

f r r r r r

p X p XX Xmc p X x

x X X p X


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Lineare Nachfragefunction:(mit konstanter Preiselastizität)

MCP-Programm des zweistufigen Spiels:KKT Exporteur:

KKT einheimischer Produzent:

KKT Großhändler: (bedient Endnachfrage)

Kapazitätsbeschränkungen:(auf Transport- und

Productionskapazität)

Markträumungsbedingung:

Programmiert in GAMS, gelöst mit dem PATH-Solver

GASMOD-Static: Zweistufiges Spiel

,

0 00

1r m

rm m m m m

m

yp Y p p

Y

,, ,* 1 0f r capf r r r f r

r

mc p X x

0 ,

, 0,0

1 * * 0r m

r m capm rr r m r m m

m m m

yp

p X p t yY

* 1 0dom cap domrr r r r

r

mc p X x

, ,dom

f r r r mf m

x x y

0 0capcap x


11

0

20

40

60

80

100

120

140

160

UK NL Spain/Port. France Italy/Sw . Belgium/Lux.Germany Austria

Cournot Competition Perfect Competition EU Liberalization Consumption2003

Oligopolistische Marktstruktur beschreibt den heutigenMarkt am besten

- Cournot-Szenariobestätigt die Marktstrukturen im Basisjahr für die meisten Länder und für Europa insgesamt

- Ausnahme: GB wo Wettbewerbs-Szenarios die größte Überein-stimmung zeigen

- Endnachfrage in Sze-narien mit vollständigem Wettbewerb unrea-listisch hoch

Ergebnisse Endverbrauch in ausgewählten Ländern (in bcm/Jahr)


12

Agenda







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Diversifizierte europäische Importe• Der erwartete Anstieg der Erdgasimporte wird von einer steigenden

Diversifizierung begleitet, insbesondere durch LNG-Bezüge.

• LNG aus Nordafrika, Westafrika und der Karibik/Südamerika

0

100

200

300

400

500

600

2003 2010 2015 2020 2025

Exp

ort

s to

Eu

rop

e in

bcm

per

yea

r

Venezuela

Trinidad

Nigeria

UK

Netherlands

Norway

Russia

Middle East

Iran

Iraq

Egypt

Lybia

Algeria

EMF-Referenzszenario


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Russia ist ein wichtiger aber kein dominanter Spieler• EU-Grünbuch für Versorgungssicherheit (2001) hatte eine russische Dominanz

mit einem Importanteil von 60% in Europa prognostiziert

• Im oligopolistischen Markt wird Russlands Marktanteil 25% der europäischenImporte und die heutige Exportmenge nicht übersteigen

• Heutige Mengen sind von Langfristverträgen und anderen Faktoren beeinflusst

0

100

200

300

400

500

600

700

2003 2010 2015 2020 2025

Ex

po

rts

to

Eu

rop

e i

n b

cm

pe

r y

ea

r

Russia

OthersLNGOthersPipe

19%

15% 16% 19% 24%


15

Szenarienergebnisse für 2025: Robuste Ergebnisse für Europa

• Niedrigere LNG-Kosten und höheres Nachfragewachstum haben kaum Auswirkungen

• Beschränkung des Ausbaus von LNG-Verflüssungskapazitäten reduziert Importe stark

• Der Nahe Osten (arabischer Raum) spielt nur eine geringe Rolle für Europa

0

100

200

300

400

500

600

EMF Reference Lower LNG costs LiquefactionConstrained

Higher DemandGrowth

Exp

ort

s in

bcm

per

yea

r

Venezuela

Trinidad

Nigeria

UK

Netherlands

Norw ay

Russia

Middle East

Iran

Iraq

Egypt

Lybia

Algeria

24% 24% 24%19%


16

Agenda







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Pipeline-Engpässe innerhalb Europas behindern die Schaffung eines einheitlichen europäischen Gasmarktes

• GASMOD berechnet Transportflüsse und Pipeline-Nutzung

• Die meisten Engpässe treten innerhalb Europas auf und nicht in den Exportpipelines nach Europa


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Modell-Ergebnisse: Transportengpässe 2003

Frankreich→ Spanien

GB ↔Kontinent

Norwegen→ Europa

Zwischen BL, NL, D und Fr


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- Pipelines und LNG-Anlagen (Liquefied Natural Gas)

- Notwendigkeit eines gut ausgebauten innereuropäischen Pipeline-Netzes zur Gewährleistung von:

- Grenzüberschreitendem Handel zum Voranbringen der Integration der nationalen Märkte innerhalb der Europäischen Union

– Physischer Transport über physische Kapazitäten

– Tausch (Swapping) von kontrahierten Mengen innerhalb von integriertenFirmen oder über Märkte (kaum entwickelt in Kontinentaleuropa)

- Marktzugang zu nationalen Märkten zur Stärkung der Wettbewerbs-situation in den einzelnen europäischen Ländern:

– Ein Spieler (früheres Staatsunternehmen): Monopol

– Mit Marktzugang: zwei oder mehr Spieler (aus dem Ausland) im Oligopoloder Wettbewerb

Notwendigkeit von Transport-Infrastruktur für den europäischen Erdgasmarkt


20

Agenda







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Dynamische Modellierung von Flüssen und Investitionen

• Zwei Erweiterungen des statischen GASMOD-Modells zum GASMOD-Dynamic-Modell:– Netzmodell mit Pfadflüssen

– Investitionen in einem intertemporalen Mehrperioden-Modell

• Ziel: Identifizierung von ökonomisch realisierbaren Pipeline-(Aus-) Bau-Projekten

• Abgebildete Spieler mit Gewinnoptimierungsproblemen:– Produzenten

– Exporteure

– Großhändler/Importeure (mit Marktmacht)

– Netzbetreiber

• Gleichgewichtsmodell: KKT-Bedingungen der Optimierungsprobleme und die Markträumungsbedingungen ergeben ein MCP- (Mixed Complementarity Problem) Modell


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Ein stylisiertes europäisches Netzmodell mit Pfadflüssen

Norwegen(Statoil/Hydro)

Russland(Gazprom)

Algerien(Sonatrach)

Frankreich(Gaz de France)

Deutschland(VNG)

Italien(ENI)

Exportflüsse vfnm

Großhandels-transportflüsse wrnm

Beschränkte Kapazität


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Investitionen in GASMOD-Dynamic I

Investitionen mit einem kosten-deckenden Mechanismus, wie er in einem regulierten Markt erwartet werden kann

Optimierungsproblem des Pipelinenetzbetreibers:

Flussdefinition (in jeder Periode):


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Investitionen in GASMOD-Dynamic II

Optimalitätsbedingungen (KKTs) :

Transportpreis deckt kurzfristige variable und langfristige Fixkosten:


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Beispiel: Endogener Pipeline-Bau zwischen Russland und Italien?

Norwegen(Statoil/Hydro)

Russland(Gazprom)

Algerien(Sonatrach)

Frankreich(Gaz de France)

Deutschland(VNG)

Italien(ENI)

Exportflüsse vfnm

Großhandels-transportflüsse wrnm


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Ergebnisse für das stylisierte Netzmodell

Beispiel Italien:

Stark steigende Nachfrage nach Erdgas in den nächsten Jahrzehnten,

Nachfrage muss durch Importe (aus Algerien und Russland) und Großhandelseinkäufe (aus Frankreich und Italien) befriedigt werden

928033Italien

565042Frankreich

133145153Deutschl.

Konsum

666035Algerien

656565Norwegen

150150128Russland

Produktion

202520152005(bcm/Jahr)

5610Algerien

2243Norwegen

920120Russland

ItalienFrank-reich

Deutsch-landVon\Nach

2025 Exporte: bcm/Jahr

2025 Großhandelsverkäufe: bcm/Jahr

68Italien

1048Frankr.

2015115Deutschl.

ItalienFrank-reich

Deutsch-landVon\Nach


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Für eine Investition müssendie Schattenwerte derPipeline-Nutzung hochgenug sein, die Investitions-kosten zu decken.

Die Verbindung zwischenRussland nach Italien wirdtrotz der hohen Nachfragein Italien nicht gebaut.

Aber einige anderePipeline-Erweiterungennach Italien werdenrealisiert (von Algerien, von Deutschland und von Frankreich).

86.728.80Deutschl.Italien

99.0101.0235.6ItalienFrankreich

300.0369.6580.2ItalienDeutschl.

200.0267.6343.6FrankreichDeutschl.

500.0507.9608.2ItalienAlgerien

395.0400.9366.6FrankreichAlgerien

381.0386.9352.6FrankreichNorwegen

180.0118.28.0Deutschl.Norwegen

432.5464.9580.2ItalienRussland

132.095.20Deutschl.Russland

202520152005NachVon

07ItalienFrankr.

615ItalienDeutschl.

615Frankr.Deutschl.

625ItalienAlgerien

20252015NachVon

Schattenwerte der Kantennutzung: US-$ pro Tausend m3

Pipelineerweiterungen: bcm/Jahr an neuer Kapazität

Investitionsergebnisse


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Agenda







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Zusammenfassung und Schluss

Modellierung:

• Die oligopolistische Darstellung im GASMOD-Modell bildet die derzeitige Realität des unvollständigen Wettbewerbs im europäischen Erdgasmarkt gut ab.

• Endogene Investitionsmodellierung in einem Multiperioden-Modell ist ein gutes Komplement zur statisch-komparativen Analyse, aber es erfordert vereinfachende Annahmen im Gleichgewichtsmodell.

Energiepolitik:

• In den nächsten Jahren wird die begonnene Diversifizierung der europäischen Erdgasbezüge fortgesetzt, in der individuelle Exporteure kaum eine dominante Stellung einnehmen werden können.

• Infrastrukturengpässe sind ein ernstes Problem, insbesondere innerhalb Europas und ihre Reduzierung ist die Voraussetzung für die erfolgreiche Umsetzung eines einheitlichen europäischen Marktes.


30

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Fragen?

Franziska Holz

[email protected]


31

Bibliographie

• GASMOD-Modell:• Franziska Holz, 2007: “How Dominant is Russia on the European

Natural Gas Market? Results from Modeling Exercises”.AppliedEconomics Quarterly, Supplement, 53 (58), .

• Franziska Holz, Christian von Hirschhausen, Claudia Kemfert, 2008: “A Strategic Model of European Gas Supply (GASMOD)”, Energy Economics, 30 (3), S. 766-788.

• Franziska Holz, Christian von Hirschhausen, Claudia Kemfert, 2009: “Perspectives of the European Natural Gas Market until 2025”. The Energy Journal, Special Issue „World Natural Gas Markets And Trade: A Multi-Modeling Perspective“, S. 137-150.


32

BACK-UP


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Pipeline Capacity Expansions in Europe 2005-08

0.260.260TaisnièresBelgiumFrance

0.010.01no dataBiriatou (Irun)FranceSpain

1.72.71.0InterconnectorUKBelgium

2.672.67no transitBaumgartenSlovakiaAustria

0.760.760Deutsch NeudorfCzech Rep.Germany

1.62

2.74

1.0

Capacity 2008(in m³/h)

1.620InterconnectorUKNetherlands

2.74

1.0

0

0

Langeled pipe

Tampen linkUKNorway

Expansion(in m³/h)

Capacity 2005(in m³/h)

Border point/ Project

ToFrom

Source: GTE, 2005 and 2008

www.gte.be


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Players‘ Optimization Problems and MCCs ISolved over all periods

• Producers f:

• Market clearing condition between producers and exporters f:

• Exporters f:


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Players‘ Optimization Problems and MCCs IISolved over all periods

• Market-clearing condition between exporters and wholesalers(importers):

• Wholesale traders r on the European market (with market power):

• Market-clearing condition with final demand:


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Investments in GASMOD-Dynamic ISolved over all periods

Investments with a cost-covering mechanism that can be expected in a regulated environment

Optimization problem network operator:

Flow definition:


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Investments in GASMOD-Dynamic IIOptimality (KKT) conditions:

Transport fee covers short-term marginal variable and long-termmarginal fixed costs:


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GASMOD-Dynamic: Investment Results

There is investment when shadow values are high enough to cover (marginal) investment costs.

Link from Russia to Italy not built despite high demand in Italy.


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Conclusions

Dynamic modeling gives endogenous (market-driven) investment results.

Investments are driven by demand, but also by investment costs.

Endogenous investment modeling in a multi-period framework is a useful complement to static analyses because it allows to identify investment needs and economically viable investment projects.

Documents

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