Sınır ötesi elektrik ticaretinin gün öncesi piyasası fiyat oynaklığı üzerindeki etkisi: Türkiye örneği
Impact of cross-border electricity trade on day-ahead market price volatility: A case study of Turkey
Yazar: MUSTAFA EMİN MALKOÇ
Danışman: PROF. DR. SERMİN ONAYGİL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Hızla artan teknolojik gelişmeler, elektrik enerjisinin kullanımını yaygınlaştırarak modern hayatın vazgeçilmez bir unsuru haline getirmiştir. Enerji talebinin artması ve bu talebi karşılamak için sağlanması gereken kesintisiz arz ihtiyacı, sektörün şekillenmesinde rol oynayan en önemli başlıklardan birisidir. Diğer mal ve hizmetler gibi elektrik enerjisi de arz-talep prensibine tabiidir, ancak sürekli olarak depolanamaması, frekans kontrolü ve şebeke işletimi gibi kendine has bazı  özellikleriyle farklılaşmaktadır.
Dünya genelinde liberalleşme ve serbest piyasa koşullarına geçişin etkileri enerji sektöründe de görülmüştür. Eskiden dikey entegre olan elektrik enerjisi sektörü, üretim, iletim ve dağıtım olmak üzere üç ana faaliyet koluna ayrılmıştır. Türkiye elektrik piyasası, 2001 yılında yürürlüğe giren 4628 Sayılı Elektrik Piyasası Kanunu ile serbestleşme sürecine girmiş, faaliyet alanlarındaki ayrıştırmalar ve özelleştirmelerin ardından şeffaf ve referans fiyat üretme yeteneğine sahip bir yapıya dönüşmüştür.
Elektrik fiyatları, temel olarak üretim ve tüketim miktarlarına bağlıdır. Günümüzde elektrik üretimi, doğal gaz, kömür, hidroelektrik, rüzgar ve güneş gibi çeşitli kaynaklar başta olmak üzere bir çok farklı kaynaktan sağlanmaktadır. Ülkeler, bu kaynaklardan belirli bir kompozisyonda elektrik üreterek enerji taleplerini karşılamaktadırlar. Enerji arz güvenliğinin kritik bir konu olduğu günümüzde, sınır ötesi elektrik ticareti alternatif bir arz kaynağı, sistem esnekliğine yapacağı katkı ve fiyatların yakınsamasını sağlayarak maliyet üstünlüğü sunması gibi faydaları nedeniyle ülkelerin sıklıkla başvurduğu bir yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır.
Avrupa Birliği (AB), sınır ötesi elektrik ticaretinde hem fiziksel altyapı hem de düzenleyici çerçeve bakımından iyi uygulama örneklerini içermektedir. AB ülkeleri arasındaki iletim hatları, elektrik enerjisinin düşük fiyatlı bölgelerden yüksek fiyatlı bölgelere aktarılmasını sağlayarak, fiyatların dengelenmesine katkı sunmaktadır. Bu sayede maksimum ve minimum fiyat değerlerinde azalma yaşanırken, daha istikrarlı bir fiyat yapısı oluşmakta ve böylece sosyal fayda maksimize edilmektedir.
Türkiye, batıda AB üyesi olan Yunanistan ve Bulgaristan ile doğu ve güneyde ise Gürcistan, Azerbaycan, Ermenistan, İran, Irak ve Suriye ile enerji ithalat ve ihracatı yapabilecek altyapıya sahiptir. Bu çift yönlü elektrik ticareti, Türkiye'nin enerji dengesi ve fiyat oluşumunda önemli bir rol oynamaktadır.
Bu çalışma sınır ötesi elektrik ticaret hacminin Türkiye gün öncesi elektrik piyasasında oluşan saatlik fiyat oynaklığı üzerindeki etkisini ölçmeyi amaçlamaktadır. Çalışma kapsamında 2016 yılından başlayıp 2023 yılı sonuna kadar olan sekiz yıllık süredeki saatlik frekansta elektrik enerjisi üretim verileri, elektrik talebi ve elektrik fiyatları kullanılmıştır. İlgili veriler Enerji Piyasaları İşletme Anonim Şirketi'nin (EPİAŞ) Şeffaflık Platformu'ndan temin edilmiştir.
İlk olarak kaynak bazında elektrik üretim verileri segmente edilmiş ve yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanan toplam üretim, barajlı santrallerden yapılan elektrik üretimi, kömür ve doğal gazdan elektrik üretimi, toplam elektrik talebi, ithalat ve ihracat miktarı verileri, elektrik fiyatları ve elektrik üretim amaçlı kullanılan doğal gaz tarifesi olmak üzere dokuz farklı değişkene ilişkin veri setleri hazırlanmıştır. 
İthalat ve ihracat miktarlarının elektrik fiyatına olan etkisi, elektrik fiyatının bağımlı değişken olarak kabul edildiği bir Oto Regresif Bütünleşik Hareketli Ortalama Dışsal Değişkenli (ARIMAX) model ve bu modelden çıkan sonuçları analiz eden bir Genelleştirilmiş Otoregresif Koşullu Değişen Varyans (GARCH) modeli ile irdelenmiştir. Geçmiş sekiz yıla ilişkin verilerle yapılan bu modellemelerin ardından dört ana senaryo dikkate alınarak elektrik fiyatlarındaki oynaklık ölçülmüştür.
Birinci senaryoda ithalat ve ihracatın gerçekleştiği yani sınır ötesi elektrik ticaretinin bugüne kadarki haliyle devrede olduğu durum dikkate alınmıştır. Gerçekleşen veriler ile yapılan bu modelleme sonucu Piyasa Takas Fiyatı (PTF) zaman serisinin oynaklık parametreleri tespit edilmiştir.
İkinci senaryoda ise ithalat ve ihracatın gerçekleşmediği varsayımı yapılmış ve ithalat gerçekleşmediğinden ilgili miktar kadar elektriğin marjinal santral olan doğal gaz santralinden üretildiği, ihracat olmayacağı için ise ilgili miktar kadar daha az bir enerji talebi gerçekleşeceği kabulü altında yeni değişkenlerle tekrar hesaplama yapılmıştır. Sonuçlar elektrik ithalat ve ihracatı gerçekleştirilmesinin fiyat oynaklığını azaltıcı etki yaptığını ortaya koymuştur.
Sınır ötesi elektrik ticaret hacminin arttırılmasının fiyatlar üzerinde nasıl bir etkisi olabileceğini gözlemlemek için tasarlanan üçüncü ve dördüncü senaryolarda ise ilk senaryoya göre sırasıyla ortalama iki kat ve üç kat daha yüksek miktarda enerji ithalat ve ihracatı olduğu kabul edilmiş ve oynaklığın hacim arttıkça azaldığı gözlemlenmiştir.
Son yıllarda yüksek ekonomik büyüme performansı sergileyen Türkiye'nin enerji talebinde sürekli bir artış yaşanmıştır. Bu bağlamda sınır ötesi elektrik ticareti, maliyet üstünlükleri sunarak arz güvenliğine katkı sağlamakta, sistemin esnekliğini artırmakta ve ek arz yatırımı ihtiyacını azaltabilecek önemli bir çözüm olarak öne çıkmaktadır. Bu çalışmanın bulguları, sınır ötesi elektrik ticaretinin, elektrik fiyatlarındaki dalgalanmaları azaltarak sunduğu ek bir faydayı ortaya koymaktadır. Bu sonuçlar, düzenleyicilerin ve politika yapıcıların, sınır ötesi ticaret hacminin artmasının potansiyel yararlarını daha iyi kavramalarına yardımcı olabilir.
Tezin ilk bölümünde amaç ve yöntemler açıklanmış, ikinci bölümde Türkiye'de elektrik enerjisi ticaretinin gelişimi, piyasa yapısı ve fiyat oluşumuna ilişkin bilgiler verilmiştir. Üçüncü bölümde, Türkiye'deki ve dünyadaki sınır ötesi elektrik ticaretinin mevcut durumu ele alınmış; ardından bu konudaki literatür çalışmaları özetlenmiş ve kapsamlı bir şekilde tartışılmıştır. Dördüncü ve beşinci bölümlerde ise veri ve istatistiksel yaklaşımlar ile senaryo analizleri yoluyla yapılan çalışmalara yer verilmiştir. Son bölümde ise sonuçlar ve öneriler okuyucuların dikkatine sunulmuştur.

Abstract:
Rapidly increasing technological developments have made the usage of electrical energy increasingly widespread and it has become one of the indispensable elements for modern people. The increasing demand for electrical energy and the need for uninterrupted energy supply caused the sector to gradually grow and become more complex. The supply-demand principle, seen in the trade of many products and services, also appears in electrical energy. However, it differs from other products due to its unique features. One of these is that it cannot be stored continuously and for long periods of time. In addition, frequency control must be kept within a certain range. Another important feature is that it requires a specific physical network infrastructure.
The effects of liberalization around the world and the transition to free market conditions in many areas have also been seen in the energy sector. The electricity sector, which was previously a vertically integrated structure, has been divided into three main activity branches over time: generation, transmission, and distribution. Turkish Electricity Market entered the liberalization process with the Electricity Market Law No. 4628, which came into force in 2001. On the same date, the Energy Market Regulatory Authority (EPDK), an independent regulatory body, was established. Through privatizations, the electricity generation sector largely and the electricity distribution sector completely have been transformed into private-sector activity areas. Electricity transmission activity is carried out by the Turkish Electricity Transmission Corporation (TEİAŞ), which is a public institution. With the establishment of Energy Exchange Istanbul (EXIST) in 2015 and the launch of the Day Ahead Market (DAM), the Turkish electricity market has gained a structure that is transparent and capable of producing reference prices.
Due to the structure of today's electricity markets, the formation of electricity prices is basically related to the amount of production and consumption. Today, electricity production can be provided from many different sources. Natural gas, coal, hydraulic resources, wind, and solar are just some of them. Countries meet their energy demands by producing electricity in a certain composition from these sources. In today's world, where energy supply security is a hot topic, cross-border electricity trade emerges as a different instrument. Providing an alternative supply source, flexibility in system operation, and cost advantage through economic convergence of prices are just some of the potential benefits of cross-border electricity trade.
The European Union (EU) has been working on cross-border electricity trade for many years, and it has the best practice examples in terms of physical infrastructure and regulatory framework. Electrical energy flows across the EU from where the price is low to where it is high through the transmission lines between neighboring countries. This maximizes social welfare and contributes to the security of supply by ensuring the convergence of prices across the continent.
Turkey has the physical infrastructure to import and export energy with its eight neighbors: EU members Greece and Bulgaria to the west and Georgia, Azerbaijan, Armenia, Iran, Iraq, and Syria to the east and south. Two-way electrical energy exchange is one of the important elements for Turkey's energy balance and electricity price formation.
This thesis aims to analyze the impact of Turkey's cross-border electricity trade on the volatility of day-ahead market prices. What would be the impact on prices if there was no cross-border electricity trade? Will increasing the volume of cross-border electricity trade reduce the volatility of electricity prices? It was aimed to find answers to questions such as. Hourly electricity production data, electricity demand and electricity prices were used for an eight-year period starting from 2016 until the end of 2023. The relevant data was obtained from EXIST's Transparency Platform.
Firstly, electricity production data was segmented on a resource basis, and data sets were prepared for nine different variables: total production from renewable energy sources, electricity production from power plants with dams, electricity production from coal and natural gas, total electricity demand, import and export amounts, natural gas tariff and electricity prices. Data descriptions were prepared for these variables, and summary statistical information was provided.
The effect of import and export quantities on electricity prices is demonstrated with an Autoregressive Integrated Moving Average with Exogenous Variance (ARIMAX) model, where electricity prices are considered as dependent variables, and a Generalized Autoregressive Conditional Heteroscedasticity (GARCH) model, which analyzes the results of this model. After these models, which are made with data for the past 8 years, the change in electricity prices is measured by considering four main scenarios.
In the first scenario, the existing situation where imports and exports take place, that is, cross-border electricity trade has been in effect until today, was taken into account. As a result of this modeling made with the actual data, the volatility parameters of the Market Clearing Price (MTP) time series were determined.
In the second scenario, it was assumed that imports and exports did not occur. As a result, the electricity that would have been imported was instead produced by the marginal power plant, natural gas. Additionally, since no exports took place, the demand was recalculated with lower energy consumption. Under this scenario, it was found that volatility parameters increased compared to the first scenario.
In the third and fourth scenarios, designed to observe how increasing the volume of cross-border electricity trade might affect prices, it is assumed that energy imports and exports are two times and three times higher than in the first scenario, and it is observed that volatility decreases as the volume increases.
For Turkey, which has a high economic growth performance and mostly increasing energy demand in recent decades, cross-border electricity trade comes to the fore as a solution that will contribute to supply security, increase system flexibility and reduce the need of additional supply investment by providing cost advantages. The results of this study show a significant benefit that cross-border electricity trade can provide by reducing the volatility in electricity prices. 
This study highlights the importance of increasing Turkey's cross-border electricity trade to enhance market stability and reduce price volatility. Specifically, the results of the third and fourth scenarios indicate that higher transmission capacity and increased trade volumes contribute to reducing price fluctuations. Therefore, it is recommended that Turkey take more proactive steps to expand its cross-border electricity trade, which not only stabilizes the energy market but also strengthens energy security. By importing electricity during peak demand hours, Turkey can avoid activating marginal plants, which are often more expensive. Moreover, enhancing transmission capacity could help alleviate grid congestion, reduce the need for costly redispatch orders, and ultimately lower system operating costs. Increased collaboration between the private and public sectors is crucial to maximize the economic benefits of cross-border electricity trade.
Despite providing significant insights, this study has several limitations. Firstly, the analysis is primarily focused on Turkey's cross-border trade and its impact on local market prices. The findings may not necessarily apply to other regions with different market structures and energy mixes. Future research could broaden the scope by analyzing cross-border electricity trade in a wider geographic context or investigating its relationship with various energy sources. Secondly, the models used in this study are based on current market structures and regulations. However, potential changes in regulatory frameworks, technological advancements, and the growing share of renewable energy may alter these impacts. Further studies are needed to explore the effects of such variables under different scenarios.
In the first part of this thesis study, the purpose and the stages are stated. In the second part, the structure of the Turkish Electricity Market and the formation of the electricity price are summarized from the perspective of electrical energy trade. In the third section, the current situation of cross-border electricity trade in Turkey and the rest of the world is discussed. Then, the literature studies in this field are summarized and the subject is discussed in all its aspects. In the following fourth and fifth chapters, scenario studies were conducted with data and statistical approaches. In the final section, results and suggestions are given and future studies are mentioned.