Hybrid modeling for electricity policy assessments

Abstract

La convergencia entre herramientas de evaluación aparentemente disjuntas es un deseo continuo en las mentes de los modeladores. Esto no es diferente cuando se evalúan políticas energéticas y ambientales complejas que conllevan efectos multisectoriales y que no son valorados sin compromisos en una evaluación exclusiva Top-Down (TD, de arriba hacia bajo) o Bottom-Up (BU, de abajo hacia arriba). Esta tesis pretende desarrollar nuevos instrumentos de evaluación de políticas adecuados para evaluar las consecuencias de diferentes políticas eléctricas en las perspectivas macro y microeconómicas simultáneamente. El enfoque propuesto debería ser capaz de dar cuenta de los efectos indirectos característicos de los Modelos de Equilibrio General Aplicable (MEGA) al mismo tiempo que mimetiza el comportamiento detallado de la decisión de operación e inversión de la generación eléctrica, presente antes solamente en los modelos BU. Para cumplir con este compromiso, la tesis aborda tres desafíos principales: la reconciliación entre los datos de los modelos BU y TD, la formulación de un MEGA con gran detallado de la actividad de generación eléctrica (GEMED) y la formulación de un modelo híbrido TD-BU (H-GEMED). La novedad del modelo GEMED está en dos aspectos principales: la desagregación del sector eléctrico para incluir detalles de consumo y producción temporales, de localización y de tecnología; Y la introducción de la posibilidad de que los agentes reaccionen a precios variables en el tiempo bajo restricciones tecnológicas. H-GEMED va un paso más allá formulando una integración completa entre las alternativas TD y BU a través de un modelo complementar mixto de optimización no lineal. Características de modelos BU, como la inclusión de tecnologías de “backstop” y la posibilidad de jubilación completa de tecnologías no competitivas, son representados en este enfoque de forma endógena sin problemas. Dos casos relevantes y actuales de análisis de políticas son utilizados para validar y comparar las fortalezas y limitaciones de los modelos presentados en la tesis. Un programa de respuesta a la demanda eléctrica es utilizado para evaluar el modelo GEMED; y las consecuencias macroeconómicas de una reforma fiscal verde y de los diferentes esquemas de asignación de los ingresos fiscales de ella provenientes se evalúan utilizando el modelo H-GEMED. Los resultados y conclusiones obtenidos en la tesis apuntan firmemente a favor de los modelos híbridos desarrollados, siempre que la evaluación de la política energética requiera la rica descripción de las decisiones de producción del sector eléctrico y, al mismo tiempo, la contabilización de las consecuencias de efectos indirectos e intersectoriales para la evaluación de la política.

Convergence between apparently disjoint assessment tools is a continuous desire in modeler’s minds. This is no different when evaluating energy and environmental complex policies which entail multi sector effects not addressable without compromises between an exclusive Top-Down (TD) or Bottom-Up (BU) assessment. This thesis aims to develop novel policy evaluation instruments suitable to assess the consequences of different electricity policies under both macro and micro economic perspectives simultaneously. The proposed approach should be able to account for the indirect effects characteristic of Computable General Equilibrium (CGE) models while also mimicking the detailed behavior of the electricity operation and investment present before only in bottom-up detailed models. To fulfill this commitment, the thesis addresses three main challenges: the reconciliation between BU and TD data, the formulation of an electricity detailed CGE model (GEMED) and the formulation of a hybrid TD-BU model (H-GEMED). The novelty of the GEMED model lies in two major aspects: the disaggregation of the electricity sector to include temporal, location and technology detail; and the introduction of the possibility for agents to react to time-varying prices under technological constraints. H-GEMED goes one step further by formulating a complete integration between the TD and BU alternatives through a nonlinear mixed complementarity optimization model. BU features like the inclusion of backstop technologies and non-competitive technology retirement are taken care of endogenously under this approach with no problems. Two relevant and current policy analysis cases are used to validate and compare the strengths and limitations of the instruments presented in the thesis. An electricity demand response program is used to assess the GEMED model and the macroeconomic consequences of a green tax reform and different tax revenue allocation schemes are evaluated using the H-GEMED model. The results and conclusions obtained from the thesis strongly advocate in favor of the developed hybrid models whenever the assessment of the energy policy requires the rich description of the electricity sector production decisions and, at the same time, the accounting for indirect effects and inter-sectorial consequences.