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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
Franziska HolzGEE Symposium 2009
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Europäische Erdgasmärkte: ein aktuelles Thema
Handelsblatt, 3.11.2009
Franziska HolzGEE Symposium 2009
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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
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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
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Wertschöpfungskette des Erdgassektors
Upstream-Markt Downstream-Markt
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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 ,
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* 1 0dom cap domrr r r r
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x x y
0 0capcap x
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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)
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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
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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
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pe
r y
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Russia
OthersLNGOthersPipe
19%
15% 16% 19% 24%
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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%
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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
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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
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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
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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
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
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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.
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Fragen?
Franziska Holz
fholz@diw.de
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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.
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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.