Analysing the effect of coalition on cost structure for Turkish liberal electricity market and allocation of profit surplus with cooperative game theory

Abstract

Fiziksel elektrik tedarik zinciri; üretim, iletim, dağıtım ve perakende iş alanlarından oluşmaktadır. Üretim tarafı kullanılan kaynaklara göre; yenilenebilir hidro, rüzgâr, güneş, jeotermal enerji santralleri ve termik doğalgaz, kömür enerji santrallerinden oluşmaktadır. Üretim tarafı ayrıca sahiplik bakımından devlete ait olan santraller, özel santraller ve belli bir kontrat doğrultusunda iş yapan Yap-İşlet, Yap-İşlet-Devret santrallerinden oluşmaktadır. Türkiye elektirik piyasasının liberalleşmesine yönelik düzenlemeler uzun yıllardır hayata geçirilmektedir. Dolayısıyla özel santrallerin toplam üretim içindeki payı özelleştirmeler ve yeni açılan santraller ile birlikte her geçen yıl artmaktadır. İletim tarafı doğal regüle monopol iş kolu olarak tanımlanabilmektedir. Dağıtım tarafı Türkiye'de bölgelere ayrılmış olup, faaliyetler söz konusu bölgeler bazında sürdürülmektedir. Bu kapsamda Türkiye 21 farklı bölgeye ayrılmıştır. Bu bölgelerde dağıtım şirketleri elektriğin fiziksel olarak son kullanıcıya ulaşmasını sağlayan altyapı şirketleri olarak faaliyetlerini yürütmektedir. Perakende şirketler temel olarak, görevli tedarik şirketleri veya normal tedarik şirketi bazında ayrıştırılmaktadır. Görevli tedarik şirketleri 21 bölge için son kaynak tedarikçisi olarak görev yapmaktadır. Diğer yandan perakende satış faaliyetleri elektriğin tüketicilere satılmasını ifade etmektedir. Perakendecilik faaliyetleri, düzenlenmiş ve liberal olmak üzere iki şekilde sürdürülür. Liberal tedarik zincirinde serbest tüketicilere hizmet verilmektedir. Düzenleyici otorite tarafından belirlenen tüketim miktarının üzerinde tüketime sahip ve ikili anlaşma yoluyla elektrik tedarik eden müşteriler serbest tükeci olarak nitelendirilmektedir. Serbest perakende elektrik pazarında piyasa oyuncuları, görevli tedarik şirketleri ve görevli olmayan perakende şirketleri, toptan piyasada elektrik alım satımı yapan toptancılar ve enerji üreticileridir.Türkiye'de elektriğin son kullanıcıya satış fiyatı iki farklı yolla belirlenmektedir. İlki düzenleyici otorite tarafından çeyreklik olarak açıklanan tarifelerdir. Bu tarifeler son kaynak tedariği almak durumunda kalan serbest olmayan müşteriler içindir. Ayrıca geçtiğimiz 2018 senesinde düzenleyici otoritenin yüksek tüketimli müşteri olarak tanımladığı müşterilere PTF ve YEKDEM bedeli üzerinden belirlediği maliyet bazlı tarife yapısı ile elektriğin fiyatı belirlenmektedir. Düzenleyici otorite söz konusu yeni tarife yapısı ile piyasayı zorunlu olarak serbestleşmeye itmekte ve aynı zamanda kendi üzerindeki yükü farklı taraflara devretmektedir. Öyle ki 2017 yılının başından itibaren geçerli tarifeler ile maliyetler toplamı arasında neredeyse hiç aralık kalmamış, bu durum düzenleyici otoritenin sırtına büyük bir yük getirmiştir. Düzenleyici otorite her sene yüksek tüketimli müşteriler için belirlenmiş tüketim limitini aşağı çekerek kendisini biraz daha rahatlatmakta ve bu şekilde serbest piyasanın önünü açmaktadır. Perakende elektrik pazarında doğrudan nihai müşteriye sadece satış yapan oyuncular, yüksek rekabet nedeniyle düşük karlılık seviyelerine katlanmak zorundadırlar. Emtia ürün pazarında, müşteriler en ucuz ürünü tercih ederler. Maliyetlerini düşürmeyen şirketler maalesef pazar payı kaybetmek veya faaliyetlerini sonlandırma gibi sonuçlarla karşı karşıya kalmaktadır. Dolayısıyla Türkiye perakende elektirik piyasasında operasyonel mükemmellik ile maliyetlerin düşürülmesi pazarda rekabet avantajı elde etmenin kritik faktörüdür. Maliyetleri azaltmak için şirketler verimli operasyonel süreç uygulamak ve hammaddelere ulaşmanın daha ucuz yolunu bulmak gibi yöntemlere başvurmaktadır. Türkiye ve dünyadaki perakende elektrik pazarının en temel sorunu da elektriğin bir emtia oluşudur. Öyle ki oyuncular katma değer sağlayabilmek için farklı yollar aramış ve en çok tercih edilen yöntem maliyetlerin minimize edilmesi yoluyla daha fazla karlılık sağlanması olmuştur.Bu çalışmada, yüksek tüketimli müşterilere perakende elektrik satışında, işbirliği yoluyla elde edilen fazladan karlılığı paylaşımında kooperatif oyun teorisi kullanılarak paylaşım yöntemleri incelenmiş ve farklı çözüm yöntemleri ile elde edilen sonuçlar kıyaslanarak analiz edilmiştir.Yapılan inceleme ve analiz sonuçlarına göre, perakende elektrik pazarındaki oyuncuların işbirliği yapmaları ve bu sayede daha etkin maliyet yapısının elde edilmesi önerilmektedir. Eletrik üretim santralleri üretim tarafında sahip oldukları varlıkları sayesinde perakende şirketlere göre daha düşük fiyatlı baz enerji maliyetine sahipken, perakende şirketleri sahip oldukları yaygın satış ağı, müşteri datasını analitik işleme kabiliyeti ve satış bilgisine sahiptir. İki tarafın yetkinliklerinin bir araya gelmesi ile sağlanacak yeni yapı pozitif sonuçlar doğuracaktır. Yapılacak işbirliği sayesinde daha etkin bir maliyet yapısı elde edilecek ve ortaya fazladan karlılık çıkacaktır. Bu çalışmada üretim tarafından özel santrallerden yerli kömür, ithal kömür ve doğalgaz üretim santralleri ayrı ayrı olacak şekilde perakende şirketi arasındaki oyun incelenmiştir. Ayrıca yüksek tüketimli müşteriler pazardaki mevcut müşteri segmentasyonu gereği üçe ayrılmıştır. Öyleki ilk grupta 50 GWh ve üzeri, ikinci grupta 10-50 GWh arası ve üçüncü grupta 1-10 GWh arası tüketime sahip müşteriler alt hedef kitleler olarak belirlenmiştir. Müşterilerin üç gruba ayrılmasının sebebi oyuncuların iş modelleri ve kurumsal stratejileri gereği farklı maliyet ve satış fiyatının ortaya çıkmasından kaynaklanmaktadır. Üç farklı üretici tipi perakende işbirliği ve üç farklı segment için incelenmiş ve toplam dokuz farklı sonuç ortaya çıkarılmıştır.Koalisyon sayesinde elde edilebilecek kar fazlasının her bir senaryoya göre hesaplanması çalışmanın uygulama kapsamında ilk adımını oluşturmaktadır. Burada her bir koalisyonun mevcut duruma ilaveten sağlayacağı maliyet avantajları sayesinde elde edilecek kar büyüklükleri hesaplanmıştır. Söz konusu ilave kar büyüklüğü koalisyonun gerçekleşmemesi durumunda oluşmayacaktır. Sadece koalisyon ile sağlanacak bu kar büyüklüğü oyunun başında bilinmekte ve tarafların kendilerine düşen payı kabul ettikleri durumunda koasliyon sağlanabilecektir. Bu kapsamda oyuncuların rasyonel kararlar vermesi en temel ihtiyaçtır.Elde edilen ilave kar büyüklüğünün taraflar arasında ne şekilde pay edileceği uygulama kapsamının ikinci adımını oluşturmaktadır. Pratikte şirketlerin bu tür anlaşmalarda mutabakat sağlaması oldukça zorlu süreçlerin tamamlanmasını gerektirmektedir. Öyle ki her bir taraf kendi faydasını maksimize etmeye çalışacak ve kendi için en büyük değeri elde etmeye çalışacaktır. Bu doğrultuda uygulamanın ikinci adımı, koalisyon ile ortaya çıkabilecek ilave kar büyüklüğünün oyunular arasında nasıl paylaştırılacağı sorusunu ele almaktadır. Diğer bir deyişle bu çalışmada, kar paylaşım sisteminin analitik çözümü ve farklı çözüm yöntemleri ile elde edilen sonuçların karşılaştırılması gerçekleştirilmektedir. Bu doğrultuda uygulamada kullanılan çözüm yöntemleri; iki Oyunculu Nash Pazarlığı, Kalai Smorodinsky Pazarlığı ve Ağırlıklı Shapley'dir.Kullanılan yöntemlerden ilki Nash Pazarlık çözümüdür. Bu çözüm yöntemi koalisyon ile elde edilen fazlalık faydayı maksimuma çıkarır ve oyuncular arasında paylaştırır. Uygulamada kullanılan ikinci yöntem Kalai-Smorodinsky Pazarlık çözümü, maksimum kazancın oyuncular arasındaki paylaştırılmasını eşit ağırlıkta yapmaktadır, diğer bir deyişle elde edilen fazlalık faydayı iki oyuncu arasında eşit dağıtmaktadır.Son çözüm yöntemi olarak uygulanan Ağırlıklı Shapley ise belirli bir ağırlıklandırma methodu ile oyuncular arasında fazladan faydanın dağıtım esasını ele almaktadır. Bu çözüm yöntemi oyuncuların koalisyon ile elde edilen fazladan faydayı farklılaşan oranlarda dağıtabilmeyi mümkün kılmaktadır. Pratikte de söz konusu farklılaşan oranlara ihtiyaç duyulmaktadır. Öyleki herhangi bir durumun başarılı olabilmesi için gerçekleştirilen koalisyonda taraflardan birinin ya da birkaçının daha fazla katkı sağlaması gerekmesi durumunda elde edilecek fazladan faydayı da harcanan efor üzerinden dağıtılması talep edilebilmektedir. Böyle durumlarda elde edilen fazladan faydanın oyuncular arasında eşit dağıtılmasından ziyade belirlenecek kritere göre oyuncuların alacağı ağırlıkların farklılaştırılması oyunun gerçekleştirilmesini de mümkün kılan adım olabilmektedir. Nitekim fazladan efor sarfeden oyuncunun diğer oyuncular ile eşit hakka sahip olması her durumda kabul edilebilir olmayacaktır. Bu durumda koalisyon da gerçekleşemeyecektir. Ağırlıklı Shapley bu soruna çözüm getirerek oyuncuların eforlarına göre ağırlıklı olarak faydadan pay almasını sağlamaktadır.Koalisyon ile elde edilecek fazladan faydanın oyuncular arasında paylaşımı kapsamında uygulanan üç çözüm yöntemi sonuçları kıyaslandığında; Nash ve Kalai-Smorodinsky, fazladan karlılığı oyuna giren iki oyuncu arasında aynı miktarda paylaşıtırırken, ağırlıklı Shapley oyuncuların tek başında elde etmiş oldukları karlılık oransallığında paylaşım yapmaktadır. Karar aşamasında üç farkı çözümden hangisinin kullanılmasının gerektiği bakış açısına göre değişebilecektir. Öyle ki söz konusu fazladan karlılığın gerçekleşebilmesi iki oyuncunun da oyuna katılması durumunda geçerlidir. Eğer bir oyuncu koalisyona katılmaz ise diğer oyuncu kendi başına elde edeceği karlılığa razı gelmek durumunda kalır ve söz konusu fazladan karlılık oluşmayacaktır. Ancak oyuncuların tek başlarına elde ettikleri karlılığa baktığımızda özellikle kömür santralleri ve perakende şirketi arasındaki oyunda büyük bir uçurum olduğu görülmektedir. Bu sebeple kömür santrali fazla karlılığın eşit paylaşımını kabul etmemeyi tercih edebilecektir ve oyun gerçekleşmeyecektir ki bu durumda da bahsi geçen fazladan karlılık da gerçek olmayacaktır. Bu durumda işbirliğinin sağlanabilmesi için ağırlıklı Shapley yöntemi uygulamak gerekebilir.Türkiye perakende elektirik piyasası kapsamında değerlendirildiğinde işbirliği ile sağlanan ekstra karlılık kısa vadede söz konusu iki oyuncuya fayda sağlarken, orta-uzun vadede piyasada ikili işbirliği sayısının artması ile fayda nihai tüketiciye aktarılabilecektir. Tüm sektörler düşünüldüğünde ise elektriğin temel maliyet kalemi olması sebebi ile tüketim ürünleri fiyat seviyesi olumlu etkilenecektir.

In this study, retail electricity supply to the high consuming customers is analyzed using cooperative game theory to find the way of sharing the extra profit that is generated via cooperation. The physical electricity supply chain consist of producing, transmission, distribution and retail. The retail activity includes sale of electricity to end users. The retail activities are splited in two manners, the regulated and the liberal. In the liberal supply chain, consumers are eligible customers, who are entitled to select their suppliers as their consumption amount is over the electrical power amount defined by the Energy Market Regulatory Board. There are different types of market player in liberal retail electricity, as incumbent and non-incombent retail companies, electricity wholesalers, and power producers.Players have only retail licence and sell only retail electricity directly to the end user, operates with low levels of profit margin due to high cost and competition in the market. In commodity product market, customers prefer the the cheapest product. If companies do not able to reduce their costs unfortunately have to sink or loose the market share. Thus, the ability of reducing cost is crucial and vital for getting competitive advantage. Implementing efficient operational process and finding the cheaper way to reach raw materials are main alternative for companies to reduce the costsIn this study, we suggest the cooperation of the players for retail electricity market and combine theirs strength to reduce the cost. There are two party for retail electricity sales to end user, power plants and retailers respectively. Power plants have the generation asset and the retailers have sales knowhow. If they operate separately, they get some amount of profit. When they cooperate and entegrate the market vertically they generate extra profitability, but on their own they can generate no extra profit.It can be considered easy to calculate estimated incremental profit will be realized in case of a coalition between two parties power plant and retailer for retail electricity sales. Since rationality and intelligence are two fundamental assumptions in game theory, any cooperation between players must take into account the objective of maximizing their own individual payoffs. The problem here is how to divide the surplus profit among players. Bargaining theories in the literature address the dividing problem mentioned above and solve the question of how to divede the surplus among the participants. In this study, we investigate the analytical way of profit sharing system and make a comparison among them. We pick Nash Bargaining, Kalai Smorodinsky Bargaining and weighted Shapley among the several bargaining solution. Because they mostly match with our specific problem with two players. Nash Bargaining solution studies the classic two person bargaining problem and maximizes the product of surplus utilities. Kalai-Smorodinsky Bargaining solution equalizes the ratios of maximal gains. While weighted Shapley defines the weights those are proportions in which players share in unanimity game.In this study, Nash and Kalai-Smorodinsky have shared the extra payoff by the same portion. It is also demonstrated that lack of symmetries may arise naturally when players in a game represent nonequal size constituencies. The weighted Shapley associates positive and different weights with each players. If greater effort is needed on the part of player one than on the part of player two in order for the project to succeed, the proportion of profit allocated to player one should be greater also.While the extra profitability that will arise from the cooperation will benefit these two players in the short term, it will be transferred to the final consumer by increasing the number of bilateral cooperation in the medium or long term.