Problèmes de valorisation et organisation dans les marchés d’énergie

par Arnaud Porchet

Thèse de doctorat en Sciences. Mathématiques appliquées

Sous la direction de Nizar Touzi.

Soutenue en 2008

à l'Université Paris-Dauphine .


  • Résumé

    Pendant les trente dernières années, l'industrie électrique a connu des changements considérables dans son organisation, et ce partout dans le monde. Industrie traditionnellement centralisée, organisée en monopole, au moins localement, souvent détenue publiquement, la production et la fourniture d'électricité s'est progressivement ouverte aux règles du marché et de la concurrence. A ce jour, un grand nombre de pays se sont dotés de marchés de gros où producteurs et fournisseurs s'échangent de l'électricité afin de satisfaire les besoins des consommateurs finaux. Ces marchés ne sont plus seulement nationaux et les échanges transfrontaliers sont de plus en plus fréquents. La question de l'organisation de ces marchés est primordiale compte tenu de l'ampleur des conséquences en cas de défaillance (on se souvient de la crise californienne ou du scandale Enron en 2001). Plus généralement, ce sont les marchés d'énergie dans leur ensemble qui se sont transformés dans un contexte de croissance de la demande, de menace d'épuisement des énergies fossiles, de prise de conscience environnementale et de tensions politiques pour l'accès aux ressources. Autour d'un marché du pétrole sous pression, les marchés du gaz et du charbon ont vu leurs volumes augmenter. La signature du protocole de Kyoto et la mise en place d'une politique volontariste de réduction des émissions de gaz à effet de serre ont abouti à la création de marchés de permis d'émission et stimulé le recours aux énergies renouvelables, aux biocarburants ainsi qu'à l'énergie nucléaire. L'exposition de plus en plus forte de l'économie mondiale aux prix de l'énergie a ammené les marchés financiers a développer des produits de gestion de risque adaptés au monde des commodités (énergie, agriculture, métaux). Ce sont des produits de gestion de risque de prix, mais aussi de risque de volume, afin de couvrir le risque de fluctuation de la demande. Ce sont aussi maintenant des produits dérivés ou d'assurance sur le risque climatique. Cette thèse de doctorat s'inscrit dans ce contexte. Elle est composée de quatre chapitres qui peuvent être lus de manière indépendante. Le premier chapitre concerne la valorisation d'actifs de production du type centrale thermique. Cette méthode de valorisation Option Réelle se base sur un calcul d'indifférence d'utilité et permet la prise en compte de contraintes de production et de frictions de marché. La valeur d'actif est caractérisée à l'aide d'équations différentielles stochastiques rétrogrades et donne accès à des méthodes de résolution du type Monte Carlo et EDP. Le second chapitre s'intéresse à la valorisation des actifs de stockage du type barrage hydraulique. Le rendement moyen de l'actif est caractérisé comme l'unique solution de viscosité d'une équation aux dérivées partielles non linéaire. L'implémentation numérique par un schéma aux différences finies est discutée. Le troisième chapitre est dédié à une modélisation du marché des permis d'émissions de CO2. Un modèle d'équilibre concurrentiel à deux marchés (spot d'électricité et droits d'émission) est introduit en environnement aléatoire. Les prix d'équilibres ainsi que les stratégies des acteurs sont caractérisés grâce à une propriété d'agent représentatif. On discute alors l'impact de la régulation CO2 sur les prix de l'électricité et l'introduction de nouvelles règles de marché permettant de diminuer l'augmentation des prix de l'électricité. Le dernier chapitre est une étude des relations entre gestion des risques et structure industrielle des acteurs. On introduit et caractérise l'équilibre compétitif d'une économie à trois marchés, retail, forward et spot, en présence d'incertitude. Les acteurs peuvent avoir des structures industrielles différentes, fournisseur, producteur, trader ou être verticalement intégrés. On dérive la relation entre les prix sur les différents marchés et on compare l'impact sur les prix et les utilités de la présence d'un marché à terme ou d'acteurs intégrés.

  • Titre traduit

    Problems of valuation and organization in energy markets


  • Résumé

    In the past thirty years, the electricity industry has experienced significant structural changes in its organization all over the world. Traditionally centralized and organized in monopolies, at least locally, and often publicly owned, the activities of electricity production and retail have moved towards a market-based organization. Nowadays, a significant number of countries host electricity wholesale markets where producers and retailers exchange electricity to satisfy the demand of end consumers. These markets are not strictly national and the volume of cross-border exchanges is increasing. The question of the organization of these markets is crucial with regards to the dire consequences in cases of failure (we refer for example to the California crisis or the Enron scandal in 2001). The whole set of energy markets has been transformed in a broader context of demand growth, threat of exhaustion of fossil energies, environmental awareness and political tensions for the access to natural resources. Beside an oil market under pressure, the gas and coal markets have seen their volumes increasing. The ratification of the Kyoto protocol and the enforcement of a greenhouse gases reduction policy have lead to the creation of markets for emissions permits and stimulated the use of renewable and nuclear energies and biofuels. The increasing exposure of the world economy to energy prices incited the financial markets to develop new commodity risk management products (energy, agriculturals, metals). These are price risk and also volume risk management products, in order to hedge the risk of fluctuating demand. These are also derivatives or insurance products against weather risk. This PhD dissertation keeps within this context. It is composed of four chapters that are independent of each other. The first chapter concerns the valuation of physical assets such as thermal power plants. This Real Option valuation method is based on a utility indifference analysis and accounts for production constraints and market frictions. The asset value is characterized by means of backward stochastic differential equations and allows for Monte Carlo- and PDE-based numerical methods. The second chapter focuses on the valuation of storage assets like hydro power plants. The average revenue of the asset is characterized as the unique viscosity solution of a non-linear partial differential equation. The numerical implementation by means of a finite difference scheme is discussed. The third chapter is dedicated to a model of CO2 emission permit market. A competitive equilibrium model with two markets (electricity spot and CO2) is introduced in a stochastic framework. The equilibrium prices and the positions of the actors are characterized with the aid of a representative agent property. We discuss the impact of the CO2 regulation on electricity prices, as well as the introduction of alternative trading schemes which lead to lower electricity prices. The last chapter is a study of the relations between hedging and industrial structure. We introduce and characterize the competitive equilibrium of an economy with three markets (retail, forward and spot) in the presence of uncertainty. The actors can have different industrial structures: retailer, producer, trader, or vertically integrated. We derive the relation between the prices and we compare the impact on prices and utilities of the presence of a forward market or of integrated actors

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  • Détails : 1 vol. (131 p.)
  • Annexes : bibliogr.71 ref.

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