[논문 리뷰] Renewable Energy Expansion under Taxes and Subsidies: A Transmission Operator's Perspective

Nikita Belyak, Steven A. Gabriel외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 21.

Renewable energy and sustainable power systemsEnergy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 복잡한 탄소세와 재생에너지 인cent리브 하에서 수요가 가격 수용자인 발전자들의 발전 능력 투자 결정을 예측하면서 복지 최대화를 추구하는 전력망 운영자(TSO)가 전력망 확장을 계획하는 이중 최적화 모델을 제안한다. 결과적으로, 높은 전력망 투자 예산과 재생에너지 인센티브를 동시에 적용할 경우 재생에너지 비중과 시스템 복지가 크게 증가하는 것으로 나타났으며, 탄소세만 적용할 경우 예측 가능하지만 영향력은 더 약한 효과를 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자유화된 전력시장에서 전력망 확장, 탄소세, 재생에너지 발전 인센티브가 함께 작용할 때 발전 믹스에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 재생에너지 통합을 촉진하기 위해 개별 및 병합된 정책 수단의 효율성을 평가하기 위해.
• 완전 경쟁 조건 하에서 복지 최대화를 추구하는 TSO와 이윤 최대화를 추구하는 발전자 간의 전략적 상호작용을 모델링하기 위해.
• 이중 최적화 프레임워크를 사용하여 재생에너지 비중, 시스템 복지, 총 발전 능력에 미치는 정책의 영향을 평가하기 위해.
• 계산의 실현 가능성을 확보하기 위해 현실적인 단순화를 가한 상황에서 노르딕 및 발트 해안 에너지 시스템에 정책적으로 유용한 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 상위 수준에서 사회 복지를 최대화하기 위해 전력망 투자 결정을 내리는 TSO를 포함한 이중 최적화 모델을 수립한다.
• 하위 수준에서 발전자는 완전 경쟁 환경에서 가격 수용자로 간주되며, 시장 정산 결과에 기반해 능력 투자 결정을 내린다.
• 세 가지 정책 수단을 통합한다: 전력망 확장 예산(TEB), 탄소세, 재생에너지 발전 인센티브.
• 해결기 제약로 인해 상위 수준의 결정을 이산적 방법으로 열거하여, 삼노드 사례와 단순화된 노르딕-발트 에너지 시스템에 모델을 적용한다.
• 가능한 전력망 투자 포트폴리오를 열거하고 복지를 최대화하는 조합을 선택함으로써 이중 문제를 해결하기 위해 분해 기법을 사용한다.
• 계산의 실현 가능성을 확보하기 위해 키르히호프 전압 법칙을 적용하고 TSO 수익 흐름을 생략하며 계획 기간을 단축시켜 시스템을 단순화한다.

Fig. 1: Illustrative energy system structure.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 발전자가 가격 수용자일 때, 전력망 확장 예산을 늘릴 경우 재생에너지 발전 비중과 시스템 복지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 탄소세와 재생에너지 인센티브의 개별적 및 병합적 영향은 발전 믹스 내 변동형 재생에너지(VRE) 비중에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 전력망 투자 결정이 재생에너지 인센티브와 탄소가격 정책의 효과성을 증폭하거나 감소시키는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 낮음 vs. 높음 수준의 정책 수단 조합이 VRE 비중, 복지, 총 발전 능력 등의 종합적 시스템 결과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 시장 신호가 불완전하거나 부족한 상황에서 TSO는 재생에너지 통합을 어떻게 조율하는가?

주요 결과

• 개별적으로 볼 때 탄소세, 전력망 확장 예산, 재생에너지 인센티브는 재생에너지 비중 또는 시스템 복지 향상에 한계가 있는 효율성을 보였다.
• 높은 전력망 확장 예산과 높은 재생에너지 인센티브의 조합이, 발전 능력 투자 예산 수준에 관계없이 재생에너지 발전 비중과 시스템 복지 향상에 가장 큰 영향을 미쳤다.
• 탄소세만 적용할 경우, 기존 발전의 마진 비용이 경쟁력이 떨어지기 시작하면서 VRE 비중이 명확하고 직접적으로 증가하는 경향을 보였다.
• 전력망 투자 수준과 인센티브 수준을 '낮음'에서 '높음'으로 올릴 경우의 영향은 발전 능력 확장 예산에 따라 크게 달라지며, 강한 상호작용 효과가 있음을 시사한다.
• 특히 강력한 정책 신호와 함께 제공될 경우, TSO의 전략적 투자 결정이 재생에너지 전환 성공에 핵심적인 역할을 한다.
• 단순화에도 불구하고 모델의 정책 통찰은 유의미하게 강건하며, 특히 전력망 확장과 재생에너지 인센티브의 상호보완적 효과에 대해 강력한 통찰을 제공한다.

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