[論文レビュー] Storage or No Storage: Duopoly Competition Between Renewable Energy Suppliers in a Local Energy Market

Dongwei Zhao, Hao Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2019

Smart Grid Energy Management参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、地域エネルギー市場における再生可能エネルギー供給業者のデュポリ競争を、三段階のゲーム理論的枠組みでモデル化し、供給業者がエネルギー貯蔵に投資すべきかどうかを分析している。驚くべきことに、貯蔵に投資しないことで生じる高い不確実性が、市場競争の低減により利益を増加させることがあることが判明しており、また、最初に貯蔵に投資する供給業者は、貯蔵コストを回避するフリーライダーである競合他社に比べて利益が低くなることがある。

ABSTRACT

This paper studies the duopoly competition between renewable energy suppliers with or without energy storage in a local energy market. The storage investment brings the benefits of stabilizing renewable energy suppliers' outputs, but it also leads to substantial investment costs as well as some surprising changes in the market outcome. To study the equilibrium decisions of storage investment in the renewable energy suppliers' competition, we model the interactions between suppliers and consumers using a three-stage game-theoretic model. In Stage I, at the beginning of the investment horizon, suppliers decide whether to invest in storage. Once such decisions have been made, in the day-ahead market of each day, suppliers decide on their bidding prices and quantities in Stage II, based on which consumers decide the electricity quantity purchased from each supplier in Stage III. In the real-time market, a supplier is penalized if his actual generation falls short of his commitment. We characterize a price-quantity competition equilibrium of Stage II, and we further characterize a storage-investment equilibrium in Stage I incorporating electricity-selling revenue and storage cost. Counter-intuitively, we show that the uncertainty of renewable energy without storage investment can lead to higher supplier profits compared with the stable generations with storage investment due to the reduced market competition under random energy generation. Simulations further illustrate results due to the market competition. For example, a higher penalty for not meeting the commitment, a higher storage cost, or a lower consumer demand can sometimes increase a supplier's profit. We also show that although storage investment can increase a supplier 's profit, the first-mover supplier who invests in storage may benefit less than the free-rider competitor who chooses not to invest.

研究の動機と目的

• 競合する再生可能エネルギー供給業者が参加する地域エネルギー市場におけるエネルギー貯蔵投資の戦略的意思決定を研究すること。
• 貯蔵投資が二段階決済市場構造における市場均衡、価格、数量入札に与える影響を分析すること。
• 高コストにもかかわらず、貯蔵投資が利益を高めるか低めるかの条件を特定すること。
• 貯蔵なしの供給業者が貯蔵ありの供給業者を上回るという逆説的結果が生じる理由を調査すること。

提案手法

• 市場を三段階のスタックルベルクに類似したゲームとしてモデル化：第I段階は貯蔵投資意思決定、第II段階は価格と数量の前日入札、第III段階は入札に基づく消費者配分。
• 第I段階で、貯蔵コストと期待収益を組み込んだ、二行列ゲームを用いて貯蔵投資均衡をモデル化。
• 第II段階で、容量および義務遵守制約下での価格・数量競争を捉えるためにベルトラン・エジワースモデルを適用。
• 前日約束に違反した場合のリアルタイムペナルティを組み込み、市場リスクをモデル化。
• 再生可能エネルギー発電の確率分布に基づいた期待収益計算を実施し、均衡数量および利益の閉形式表現を導出。
• 純粋な貯蔵投資均衡が存在する条件を、背理による証明および需要・コストパラメータの比較静的分析を用いて導出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再生可能エネルギー供給業者が、競争的な地域市場において、どのような条件下でエネルギー貯蔵に投資を決定するか？
• RQ2 貯蔵投資の有無が、前日市場における均衡価格および数量に与える影響は何か？
• RQ3 出力安定化の利点があるにもかかわらず、なぜ貯蔵に投資しないことで利益が高くなることがあるのか？
• RQ4 貯蔵に投資する供給業者が、投資をしない競合他社よりも利益が低くなることはあり得るか？
• RQ5 需要、ペナルティコスト、または貯蔵コストの変化が、利益性および貯蔵投資の戦略的インcentiveに与える影響は何か？

主な発見

• 直感に反して、発電の不確実性によって市場競争が低減されることにより、再生可能エネルギー供給業者は貯蔵なしでも高い利益を上げられることがある。
• 最初に貯蔵に投資する供給業者は、貯蔵コストを回避するフリーライダーの競合他社に比べて利益が低くなることがある。特に需要が低いか、貯蔵コストが高い場合には顕著である。
• 前日約束を果たせなかった場合のペナルティが高くなると、特に貯蔵を避けることで戦略的不確実性の恩恵を受ける供給業者の利益が増加する。
• 高コストの貯蔵や低需要の状況では、競争圧力の低減と戦略的行動の可能性により、供給業者の利益が逆に高くなることがある。
• 需要が十分に高い場合には、供給業者は価格上限で入札し、正の利益を得る。この場合、貯蔵投資は期待収益がコストを上回る場合にのみ利益をもたらす。
• 需要が低く、貯蔵ありの供給業者が負の利益を上げる場合には、純粋な貯蔵投資均衡は存在せず、彼は常に投資しない戦略に逸脱することで報酬を改善できる。