[논문 리뷰] Prosumage of solar electricity: tariff design, capacity investments, and power system effects

Claudia Günther, Wolf-Peter Schill외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 23.

Smart Grid Energy Management인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 독일의 2030년까지 주거용 태양광(PV) 및 배터리 투자에 영향을 미치는 소매 및 피드인 보상제 설계를 분석하기 위해 프로슈메이지(생산-소비자) 기업을 포함한 전력 시스템 모델을 사용한다. 연구 결과, 낮은 피드인 보상제는 PV 투자를 감소시키지만 최적의 배터리 규모와 자기소비에 미치는 영향은 제한적이며, 높은 고정형 보상 구성 요소는 둘 다 감소시켜 가구가 에너지 외 시스템 비용에 기여하게 하므로 균형 잡힌 보상제 설계가 재생 가능 에너지 확대와 비용 공유를 위해 필요하다는 점을 시사한다.

ABSTRACT

We analyze how tariff design incentivizes households to invest in residential photovoltaic and battery systems, and explore selected power sector effects. To this end, we apply an open-source power system model featuring prosumage agents to German 2030 scenarios. Results show that lower feed-in tariffs substantially reduce investments in photovoltaics, yet optimal battery sizing and self-generation are relatively robust. With increasing fixed parts of retail tariffs, optimal battery capacities and self-generation are smaller, and households contribute more to non-energy power sector costs. When choosing tariff designs, policy makers should not aim to (dis-)incentivize prosumage as such, but balance effects on renewable capacity expansion and system cost contribution.

연구 동기 및 목표

• 소매 및 피드인 보상제 구조가 주거용 태양광(PV) 및 배터리 저장 시스템 투자 결정에 미치는 영향을 분석한다.
• 재생 가능 에너지 용량 확대, 피크 태양광 피드인 수준, 독일 내 가구가 에너지 외 전력 시스템 비용에 기여하는 정도에 미치는 영향을 평가한다.
• 보상제 설계가 탈탄소화 목표를 지원하고 공정한 비용 공유를 실현하면서도 프로슈메이지 인centives를 왜곡하지 않도록 할 수 있는지 평가한다.
• 자기생산을 장려하고 송전망 부담을 최소화하며 전기 소비자 간 공정한 비용 할당을 달성하기 위한 갈등 요소를 탐색한다.

제안 방법

• 프로슈메이지 가구를 에이전트로 명시적으로 포함한 독일 전력 시스템의 계산 가능한 일반균형 모델을 개발한다.
• 시장 정리 메커니즘을 통해 가구의 투자 결정과 도매 전기 시장 결과 간 상호작용을 통합한다.
• 피드인 보상제(FIT), 소매 보상제 구조(체적 기반 vs. 고정 구성 요소), 기술 비용 가정의 다양한 조합에 따라 2030년 시나리오를 시뮬레이션하기 위해 오픈소스 모델링 도구를 사용한다.
• Schmidt 등(2017)의 예측 기반으로 PV 및 배터리 비용을 校정하고, 보수적인 비용 감소 경로에 대한 민감도 분 析를 수행한다.
• 자기소비 인센티브 및 송전망 연결 제약 조건을 고려한 다양한 보상제 체계 하에서 가구의 최적화 행동을 모델링한다.
• 총 재생 가능 에너지 용량, 피크 피드인 수준, 프로슈메이지 가구가 지불하는 에너지 외 시스템 비용 비율과 같은 체계 수준의 결과를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 수준의 피드인 보상제가 주거용 PV 투자 결정과 최적의 배터리 규모에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 소매 보상제의 고정형 대비 체적 기반 구성 요소가 가구의 자기생산 및 배터리 저장 투자 인센티브에 어떤 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 보상제 설계가 프로슈메이지 가구가 지불하는 에너지 외 전력 시스템 비용(예: 송전망 인프라, 재생 가능 에너지 지원 기금 등) 총 기여도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 피크 태양광 피드인을 보상제 설계를 통해 효과적으로 제한할 수 있는가? 이 경우 프로슈메이지 인센티브를 크게 저해하거나 투자 행동을 왜곡하지는 않는가?
• RQ5 보상제 구조는 프로슈메이지 행동이 시스템 수준의 요구사항(피크 절감 및 곡선 보완)과 얼마나 잘 일치하는가?

주요 결과

• 낮은 피드인 보상제는 가구가 여유 전력에 대한 보상과 시스템 규모 간의 상충 관계를 겪기 때문에 PV 투자를 크게 감소시킨다.
• 최적의 배터리 용량과 자기소비 수준은 피드인 보상제 변화에 상대적으로 뚜렷하게 저항성이 있으며, 이는 주로 태양광 발전과 가구 수요 프로파일 간의 시간적 불일치에 의해 주로 결정되기 때문이다.
• 소매 보상제의 높은 고정 구성 요소는 최적의 배터리 용량과 자기소비 수준을 감소시키며, 이는 가구의 에너지 소비 기여도는 낮추지만 에너지 외 시스템 비용 기여도는 높이는 결과를 낳는다.
• 고정 요금이 높은 가구는 송전망 인프라 및 재생 가능 에너지 부담금 등 에너지 외 시스템 비용에 더 많이 기여하여 분배적 불평등을 초래할 수 있다.
• 최대 피드인 보상제 정책은 프로슈메이지 인센티브를 크게 훼손하지 않으면서도 피크 송전망 혼잡을 효과적으로 줄일 수 있으며, 실현 가능한 송전망 부하 경감 수단이 될 수 있다.
• 높은 피드인 보상제와 고정 요금 구성 요소의 조합은 동시에 높은 PV 배치를 촉진하고 프로슈메이지 가구가 시스템 비용에 공정하게 기여하도록 보장할 수 있어 탈탄소화와 재정 지속 가능성 양측을 지원한다.