[논문 리뷰] Decreasing market value of variable renewables can be avoided by policy action

Tom Brown, Lina Reichenberg|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 07.

Integrated Energy Systems Optimization참고 문헌 73인용 수 109

한 줄 요약

이 논문은 변동형 재생 가능 에너지(VRE)의 시장 가치 하락이 본질적인 시장 실패가 아니라 정책 설계의 결과임을 입증한다. VRE가 보조금이나 할당제를 통해 의무화될 경우 수익이 상호 침식되지만, 이산화탄소(CO2) 세금을 주요 정책 수단으로 사용할 경우, 80% 이상의 침투율에서도 VRE 수익이 비용을 충당할 수 있을 정도로 유지된다. 핵심 통찰은 CO2 가격 책정이 VRE의 효율적 통합을 이끌어내면서도 시장 가치를 약화시키지 않는다는 것이다.

ABSTRACT

Although recent studies have shown that electricity systems with shares of wind and solar above 80% can be affordable, economists have raised concerns about market integration. Correlated generation from variable renewable sources depresses market prices, which can cause wind and solar to cannibalise their own revenues and prevent them from covering their costs from the market. This cannibalisation appears to set limits on the integration of wind and solar, and thus to contradict studies that show that high shares are cost effective. Here we show from theory and with simulation examples how market incentives interact with prices, revenue and costs for renewable electricity systems. The decline in average revenue seen in some recent literature is due to an implicit policy assumption that technologies are forced into the system, whether it be with subsidies or quotas. This decline is mathematically guaranteed regardless of whether the subsidised technology is variable or not. If instead the driving policy is a carbon dioxide cap or tax, wind and solar shares can rise without cannibalising their own market revenue, even at penetrations of wind and solar above 80%. The strong dependence of market value on the policy regime means that market value needs to be used with caution as a measure of market integration. Declining market value is not necessarily a sign of integration problems, but rather a result of policy choices.

연구 동기 및 목표

• 고비율 VRE 통합이 비용 효율적이라는 연구와 VRE 시장 가치 하락이 VRE 확대를 제한한다는 주장 사이의 모순을 해결하기 위해.
• 특히 VRE 보조금과 CO2 가격 책정과 같은 다양한 정책 수단이 풍력 및 태양광의 장기적 시장 가치에 어떤 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• VRE 지원 정책 하에서 시장 가치 하락이 변동형 재생 가능 에너지의 본질적 한계가 아니라 정책 설계의 산물임을 입증하기 위해.
• CO2 세금 제도 하에서 80%를 초과하는 침투율에서도 VRE가 전체 비용을 회수할 수 있으며, 수익 상호 침식 현상이 발생하지 않음을 보여주기 위해.
• 시장 가치가 시스템 통합 과제를 단독 지표로 사용해서는 안 되며, 이는 기초 정책 메커니즘을 고려하지 않을 경우 발생할 수 있음을 강조하기 위해.

제안 방법

• 완전 경쟁 조건, 손익제로, 선형 비용 함수를 전제로 한 장기 시장 균형의 이론적 분석.
• 기존 문헌의 EMMA 에너지 시스템 모델을 재현하기 위해 PyPSA 프레임워크를 활용한 전력 시스템 투자 및 운영 모델링.
• 두 정책 제도의 시뮬레이션: (1) VRE에 대한 피드인 프리미엄(FiP), (2) 점진적 상승하는 CO2 세금을 주요 정책 수단으로.
• 다양한 VRE 침투율에서 전기 요금, 시장 가치, LCOE, CO2 배출량 등의 시스템 수준 결과 분석.
• 수익 분포 및 시스템 비용 배분 평가를 위해 가격 지속곡선과 상대 시장 가치(RMV) 활용.
• 전력망 강화, 배터리 저장, 수소 저장 등을 통한 시스템 유연성 확보로 결과의 탄력성 테스트.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고비율 침투 수준에서 변동형 재생 가능 에너지의 시장 가치 하락은 본질적인 시장 역학 때문인가, 특정 정책 수단 때문인가?
• RQ2 피드인 프리미엄 정책이 VRE에 적용될 경우, CO2 가격 책정과 비교해 장기적으로 풍력 및 태양광 발전기의 수익 안정성과 비용 회수 능력은 어떻게 다를까?
• RQ3 CO2 세금 제도 하에서 80%를 초과하는 VRE 침투율을 달성하면서도, 발전 비용을 충당할 수 있는 충분한 시장 수익을 유지할 수 있는가?
• RQ4 특정 정책 메커니즘(예: 보조금 대비 탄소 가격 책정)이 장기 시스템 균형에서 재생 가능 에너지의 시장 가치에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 어떤 연구는 VRE 시장 가치 하락을 보고하고, 다른 연구는 비용 효율적인 고비율 통합 시나리오를 제시하는데, 이 모순은 무엇에 기인하는가?

주요 결과

• 피드인 프리미엄 정책 하에서는 시장 가치가 고비율 침투 수준에서 0으로 떨어지고, 음수로 전환되며, 이는 시스템 효율성과 관계없이 VRE의 강제 투입 때문이 다.
• CO2 세금을 주요 정책 수단으로 사용할 경우, 풍력 및 태양광의 시장 가치는 100% VRE 침투율에서도 안정적으로 유지되며, LCOE를 충당할 수 있고, 수익 상호 침식 현상이 발생하지 않는다.
• 풍력 및 태양광의 침투율이 80%에 이르면 CO2 가격 책정 하에서 시장 가치가 LCOE와 동일하게 유지되며, 이는 전액 비용 회수를 의미한다.
• CO2 가격 책정 하에서의 상대 시장 가치(RMV)는 얕은 하락을 보이며, 이는 VRE가 전체 시스템 비용에서 차지하는 비중(예: 100% VRE 침투율에서 RMV가 0.62에 도달)을 반영할 뿐, 수익 효율성 저하를 의미하지 않는다.
• 특히 고비율 침투 수준에서 CO2 가격 책정은 동일한 CO2 감축 수준에서 VRE 지원 정책보다 시스템 비용이 낮으며, 이는 더 효율적인 운용 및 투자 신호를 유도하기 때문이다.
• CO2 가격 책정 하에서의 가격 지속곡선은 시간에 따라 균형 잡힌 수익 분포를 보이며, 소수의 고수익 시간에 집중되지 않으며, 100% VRE 및 추가적인 유연성 조치가 적용된 상황에서도 시스템 붕괴나 극단적 가격 폭등이 발생하지 않는다.