Modeling regional effects of energy policy: Combining technical and economic aspects to assess energy policy

Abstract

Summary of the thesis

When designing and introducing policy instruments like taxes and subsidies, mathematical models are employed to assess which effects should be expected. Assessments of socioeconomic costs and gains are central in such analyses. Energy is a fundamental driver for economic development. Society invests heavily in robust supply chains to ensure safe access to energy, providing a basis for production, growth and welfare. A side effect from using fossil energy is emissions of greenhouse gases that contribute to global warming. This challenge requires major societal transitions, switching from polluting fossil energy to climate-friendly renewable energy. Designing and selecting appropriate instruments that affect energy use, human behavior and economic activity requires suitable tools. The thesis develops such analysis tools, enabling mathematical simulation of effects and consequences from policy instruments instead of testing them on millions of people.

Interactions between energy supply chains and the economy are modeled on a national scale by linking technical bottom-up energy models with economic top-down equilibrium models. The models are geographically disaggregated, and local regional effects in alternative future scenarios are calculated. The thesis explores novel methods for coupling the models and demonstrates dramatic impacts on the calculation times necessary to achieve convergence. The thesis demonstrates situations where different economic equilibria are possible. One of the analyses estimates that greenhouse gas emissions from transport in 2030 may be halved by technology investments corresponding to a 6.5% income reduction.

The thesis analyzes effects of green certificates, which is a political instrument for increasing the share of renewable electricity. A new financial market for certificates is established, which interacts closely with the power market. First, the certificates affect the distribution of socio-economic surplus between the various players in the power market. Secondly, the certificates affect the regional distribution of socio-economic surplus. Thirdly, changes in infrastructure affect both the establishment of new renewable power generation and the distribution of socio-economic surplus. The thesis shows how different market conditions and future use of power influence the efficiency of green certificates. It also shows how cross-border transmission connections affect future winners and losers.

Sammendrag av avhandlingen

Ved utforming og innføring av politiske virkemidler som f.eks. avgifter og subsidier, benyttes matematiske modeller for å anslå hvilke virkninger som kan forventes. Sentralt i dette arbeidet står analyse av samfunnsøkonomiske kostnader og gevinster. Energi er en vesentlig innsatsfaktor for økonomisk aktivitet, og samfunnet investerer store verdier i robuste leveransekjeder for at vi skal ha sikker tilgang til energi som gir grunnlag for produksjon, vekst og velferd. En bivirkning fra bruk av fossil energi er utslipp av drivhusgasser som bidrar til global oppvarming. I dagens situasjon skaper denne utfordringen behov for store omstillinger, ved at man må legge om fra forurensende fossil energi til klimavennlig fornybar energi. Utforming og valg av egnede virkemidler som påvirker atferd, økonomisk aktivitet og energibruk krever gode verktøy. Avhandlingen utvikler slike analyseverktøy, slik at effekter og konsekvenser av virkemiddelbruk kan simuleres matematisk i stedet for å testes ut på millioner av mennesker.

I avhandlingen modelleres samspillet mellom energisystemet og økonomien i nasjonal målestokk, ved at tekniske energimodeller kobles med økonomiske likevektsmodeller. Modellapparatet ivaretar også den geografiske dimensjonen, og anvendes til å beregne regionale effekter i alternative fremtidsscenarier. Avhandlingen utforsker nye metoder for maskinell sammenkobling av modeller, noe som har dramatisk betydning for beregningstidene som er nødvendige for å oppnå konvergens. Avhandlingen påviser situasjoner hvor ulike former for økonomisk likevekt kan oppstå. En av analysene anslår at kostnadseffektive teknologiinvesteringer som gir en halvering av klimagassutslippene fra transport i 2030 vil tilsvare om lag 6,5% inntektsreduksjon.

Avhandlingen analyserer virkninger av elsertifikater, som er et politisk virkemiddel for å øke andelen av fornybar elektrisitet. For verdsetting av sertifikatene etableres det et nytt finansielt marked, som samspiller tett med kraftmarkedet. For det første påvirker sertifikatene fordelingen av samfunnsøkonomiske gevinster mellom de ulike aktørene i kraftmarkedet. For det andre påvirker sertifikatene den regionale fordelingen av samfunnsøkonomisk overskudd. For det tredje påvirker endringer i overføringskapasiteter både etablering av ny fornybar kraftproduksjon og fordelingen av samfunnsøkonomisk overskudd. Avhandlingen viser hvordan ulike markedsforhold og fremtidig bruk av kraften påvirker effektiviteten av grønne sertifikater. Den viser også hvordan nettverksforbindelser til utlandet påvirker hvem som blir fremtidige vinnere og tapere.