[論文レビュー] On the Dynamics of Distributed Energy Adoption: Equilibrium, Stability, and Limiting Capacity

Tao Sun, Lang Tong+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2018

Innovation Diffusion and Forecasting参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、電力会社の料金体系が影響を与える非線形力学系として、分散型太陽光発電の導入をモデル化している。線形料金体系では、固定費用が上昇する状況で「死のスパイラル」が発生するが、最適化された接続料金を含むラムゼー二部料金制度では、安定した導入と高い長期的消費者余剰を確保できる。主な貢献は、異なる料金制度下での再生可能エネルギー導入の均衡、安定性、限界容量を分析する枠組みを提供することにある。

ABSTRACT

The death spiral hypothesis in electric utility represents a positive feedback phenomenon in which a regulated utility is driven to financial instability by rising prices and declining demand. We establish conditions for the existence of death spiral and conditions of stable adoption of distributed energy resources. We show in particular that linear tariffs always induce death spiral when the fixed operating cost of the utility rises beyond a certain threshold. For two-part tariffs with connection and volumetric charges, the Ramsey pricing that optimizes myopically social welfare subject to the revenue adequacy constraint induces a stable equilibrium. The Ramsey pricing, however, inhibits renewable adoption with a high connection charge. In contrast, a two-part tariff with a small connection charge results in a stable adoption process with a higher level of renewable adoption and greater long-term total consumer surplus. Market data are used to illustrate various solar adoption scenarios.

研究の動機と目的

• 電力会社の料金体系と消費者行動が影響を与える非線形力学系として、分散型エネルギー資源の導入プロセスを解析的にモデル化すること。
• 規制された電力市場において、価格上昇と需要減少の自己強化的サイクルである「死のスパイラル」が発生する条件を特定すること。
• 特に接続料金と量的料金を含む二部料金制度が、導入の安定性および長期的な再生可能エネルギー統合容量に与える影響を評価すること。
• 安定した太陽光発電導入の限界容量を数量的に特定し、異なるコストおよび料金条件下での社会的厚生への影響を評価すること。

提案手法

• 導入プロセスを、電力会社の料金体系と既に導入された太陽光発電容量を状態変数とする非線形力学系としてモデル化する。
• ネットメーター制度下での個人の導入意思決定を、消費者余剰の最大化とリターン期間の計算に基づいて決定する。
• 安定性理論と均衡解析を用いて、死のスパイラル（定理1）および安定した導入（定理2）の条件を導出する。
• ラムゼー価格設定を用いて、収支充足および社会的厚生の制約下で二部料金を最適化し、その導入ダイナミクスに与える影響を分析する。
• 市場データと数値シミュレーションを統合し、太陽光発電コスト、電力会社の固定コスト、料金パラメータが変化する状況下での長期的導入軌道を評価する。
• 長期的な効率性を評価するため、累積的消費者余剰からPV投資コストを差し引いた狭義の社会的厚生指標を定義する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定費用が上昇する規制された電力市場において、線形料金がどのような条件下で「死のスパイラル」を引き起こすか。
• RQ2 分散型太陽光発電の安定的かつ長期的導入を保証し、死のスパイラルを引き起こさない料金体系は何か。
• RQ3 二部料金における接続料金が、太陽光発電導入の速度と最終的な容量にどのように影響するか。
• RQ4 安定した導入ダイナミクス下で達成可能な最大持続的太陽光容量（限界容量）は何か。
• RQ5 再生可能エネルギーの導入率が上昇することで長期的な社会的厚生が向上するか。その要因はPVコストと料金設計にどのように依存するか。

主な発見

• 電力会社の固定運営コストが臨界閾値を超えると、線形料金体系では、価格上昇と需要減少の自己強化的サイクルである「死のスパイラル」が発生する。
• 最適化された量的料金と接続料金を含むラムゼー二部料金制度では、導入プロセスにおける安定均衡が保証され、死のスパイラルを回避できる。
• ラムゼー価格設定における高い接続料金は、太陽光発電の導入を抑制し、長期的消費者余剰を低下させ、再生可能エネルギー統合の限界を狭める。
• 小規模で最適化された接続料金を含む二部料金制度では、高額な接続料金を課すラムゼー価格設定よりも、より高い限界容量と長期的合計消費者余剰が達成できる。
• 数値シミュレーションでは、小売業者のコスト上昇や太陽光発電コストの低下に伴い、死のスパイラルがより速やかに発生するが、限界接続料金を設定することでこれを防げる。
• 20年間のシミュレーションで最も高い社会的厚生が観察されたのは、太陽光発電コストが1日あたり2.74ドルのときであり、この期間中にPVによる消費者余剰の増加が、PV投資コストを完全に相殺しないことが示された。