[論文レビュー] Renewable Energy Expansion under Taxes and Subsidies: A Transmission Operator's Perspective

Nikita Belyak, Steven A. Gabriel+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2023

Renewable energy and sustainable power systemsEnergy被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、炭素税および再生可能エネルギーインcentiveを受ける価格受容型発電事業者が発電能力を投資すると予測する、福祉最大化を目的とする送電線システム運用者（TSO）が送電線拡張を計画する二段階最適化モデルを提案する。結果として、高水準の送電線投資予算と再生可能エネルギーインcentiveを併用することで、再生可能エネルギーの割合とシステム福祉が顕著に向上するが、炭素税のみでは効果がより予測可能ではあるが、影響は限定的であることが示された。

ABSTRACT

This paper investigates the role of a transmission system operator within a carbon footprint reduction strategy incorporating carbon taxes and renewable energy generation subsidies in the decentralised energy market. This is achieved via an optimisation bi-level model in which a welfare-maximizing transmission system operator makes investments in transmission lines at the upper level while considering power market dynamics at the lower level. To account for the deregulated energy market structure, this paper assumes that the generation companies at the lower level make capacity investments as price-takers in perfect competition. Considering alternative transmission infrastructure expansion budgets, carbon emission taxes and monetary incentives for renewable energy generation capacity expansion, the impact of alternative compositions of these factors is analysed against three output factors: the share of renewable energy in the generation mix, total generation amount, and social welfare. The proposed modelling assessment is applied to an illustrative three-node instance and a case study considering a simplified representation of the energy system of the Nordic and Baltic countries. The results highlight that, under certain circumstances, renewable energy generation subsidies may lead to an increase of renewable energy in the generation mix followed by a simultaneous fall in the total generation amount. Nevertheless, when applied together, these three measures demonstrated a positive impact on all output factors within Nordics' and Baltics' energy systems. The experiments additionally suggest that considering the high value of the carbon tax does not have an impact on the output factors while the composition of high values of renewable energy generation subsidies and budget for transmission infrastructure expansion has the strongest effect.

研究の動機と目的

• 自由化された電力市場における送電線拡張、炭素税、再生可能エネルギー発電インcentiveが、発電構成に与える影響を分析すること。
• 再生可能エネルギー統合を促進するための、個別の政策ツールおよびそれらの組み合わせの効率性を評価すること。
• 完全競争下での利益最大化を目的とする発電事業者と、福祉最大化を目的とする戦略的TSOとの戦略的相互作用をモデル化すること。
• 二段階最適化フレームワークを用いて、再生可能エネルギーの割合、システム福祉、および総発電能力に対するこれらの政策の影響を評価すること。
• 計算上の実行可能性を確保するための現実的簡略化のもとで、スカンジナビアおよびバルト諸国エネルギー制度に政策関連の知見を提供すること。

提案手法

• 上位層にTSOを置き、社会的福祉を最大化する目的で送電線投資意思決定を行う二段階最適化モデルを構築する。
• 下位層に発電事業者をモデル化し、完全競争市場において価格受容型として、市場清算結果に基づいて能力投資意思決定を行う。
• 送電線拡張予算（TEB）、炭素税、再生可能エネルギー発電インcentiveの3つの政策ツールを統合する。
• 解法上の制限により上位層意思決定の離散的列挙を実施するため、3ノードの模式的ケースおよび簡略化されたスカンジナビア・バルト地域エネルギー制度にモデルを適用する。
• 送電線投資ポートフォリオの妥当な組み合わせを列挙し、福祉を最大化する組み合わせを選択することで、二段階問題を解法するための分解手法を採用する。
• 計算実行可能性を確保するため、キルヒホッフの電圧則を適用し、TSOの収益流を無視し、計画期間を短縮するなど、システムを簡略化する。

Fig. 1: Illustrative energy system structure.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 発電事業者が価格受容型である場合、送電線拡張予算を増加させることは、再生可能エネルギー発電の割合とシステム福祉にどのように影響するか？
• RQ2 炭素税と再生可能エネルギーインcentiveの個別的および併用的影響は、発電構成における可変型再生可能エネルギー（VRE）の割合にどのように現れるか？
• RQ3 送電線投資は、再生可能エネルギーインcentiveおよび炭素価格政策の有効性を高めるか、あるいは低下させるか、その程度はどのようになるか？
• RQ4 政策ツールの水準（低水準対高水準）の異なる組み合わせが、VREの割合、福祉、および総発電能力といった全体的なシステム成果にどのように影響するか？
• RQ5 市場信号が不完全または不十分な場合、TSOは再生可能エネルギー統合を調整するために、どのような役割を果たすのか？

主な発見

• 個別に検討した場合、炭素税、送電線拡張予算、再生可能エネルギーインcentiveは、再生可能エネルギーの割合やシステム福祉の向上に対して、限定的な効率性を示す。
• 高水準の送電線拡張予算と高水準の再生可能エネルギーインcentiveを併用することで、発電能力拡張予算の水準に関わらず、再生可能エネルギー発電の割合とシステム福祉が最大に向上する。
• 炭素税のみでは、伝統的発電の限界コストが競争力を持たなくなると、明確かつ直接的にVREの割合が増加する。
• 送電線投資およびインcentive水準を「低」から「高」に引き上げた際の影響は、発電能力拡張予算の水準によって顕著に異なるため、強い相互作用効果が示唆される。
• TSOの戦略的投資意思決定は、再生可能エネルギーへの移行を成功に導く上で極めて重要であり、特に強い政策信号と併用された場合に顕著である。
• 簡略化が施されたにもかかわらず、モデルの政策的知見は、特に送電線と再生可能エネルギーインcentiveの連携効果に関して、依然として頑健である。

Fig. 2: Sensitivity analysis on the TEB considering the small GEB under centralised and perfect competition settings.