[논문 리뷰] The effect of inhomogeneous carbon prices on the cost-optimal design of a simplified European power system

Markus Schlott, Fabian Hofmann외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 05.

Integrated Energy Systems Optimization참고 문헌 16인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 GDP 인하에 기반한 지역별로 다름 있는 탄소가격이 간소화된 유럽 전력시스템의 비용 최적 설계에 어떤 영향을 미치는지 조사한다. 선형 최적화 모델을 사용하여, 이질적인 탄소가격이 탄소 누출을 야기하며, 저탄소가격으로 인해 동유럽 및 남동유럽에서 코일 발전이 지속됨으로써 EU 전역의 탈탄소화 목표를 약화시킨다는 것을 발견했다.

ABSTRACT

Carbon prices are one of the most prominent methods to reduce global greenhouse gas emissions and have been adopted by several countries around the world. However, regionally different carbon prices can lead to carbon leakage. We investigate a simplified European power system where carbon prices are varied with respect to GDP per capita and find that inhomogeneous carbon prices lead to significant carbon leakage due to coal-fired generation remaining a major source of power in Eastern Europe.

연구 동기 및 목표

• 지역별로 다름 있는 탄소가격이 유럽 전력시스템의 비용 최적 구성에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 지역별 GDP 인하에 따라 탄소가격이 설정될 경우 탄소 누출이 발생하는지 평가하기 위해.
• 이질적인 탄소가격이 장기적인 EU 탈탄소화 목표를 약화시키는지 평가하기 위해.
• 지역 간 경제 격차와 전체 시스템의 온실가스 감축 간의 상충 관계를 탐색하기 위해.
• 유럽 에너지 전환 과정에서 통합된 탄소가격 정책에 대한 정책적 함의를 규명하기 위해.

제안 방법

• GDP 인하에 따라 지역을 묶은 11개의 노드로 구성된 간소화된 유럽 전력시스템을 모델링하였다.
• 탄소가격은 GDP 인하에 따라 정의되며, 매개변수화된 공식을 사용한다: µCO2(GDP) = α¯µGDP / (ḠDP) + ¯µ − ¯µα, 비음수 가격을 보장한다.
• 노드별 전력 수요 균형 및 발전 제한 조건을 충족시키며 총 시스템 비용을 최소화하는 선형 최적화 모델을 사용하였다.
• 풍력, 태양광 PV, 코일, OCGT, 배터리 저장장치, 수력 등 다양한 기술을 포함하며, 일년 내내 시간대별로 운용한다.
• 송전 제약은 노드 간 연결 행렬을 통해 모델링되며, 전력 흐름은 네트워크 구조에 따라 결정된다.
• 분포 매개변수 α를 변화시켜 민감도 분석을 수행하였으며, 이는 탄소가격 이질성의 정도를 제어한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GDP 인하에 기반한 지역별 탄소가격의 변동이, 유럽의 전력 발전 기술 조합의 비용 최적화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 이질적인 탄소가격이 얼마나 심각한 탄소 누출을 유발하는가? 특히 저가격 지역에서의 지속적인 코일 발전을 통해.
• RQ3 탄소가격의 차별화가 전체 시스템 비용과 재생에너지 배치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 송전 제약과 관련된 재생에너지 공급이, 저탄소가격 지역에서 재생에너지 배치 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 지역별로 다름 있는 탄소가격 체계가 여전히 EU 전역의 탈탄소화 목표를 달성하는 데 기여할 수 있는가?

주요 결과

• GDP 인하에 기반한 이질적인 탄소가격은 심각한 탄소 누출을 초래하며, 동유럽 및 남동유럽에서 코일 발전이 여전히 주요한 전력원으로 남아 있다.
• α = 2일 경우, 탄소가격은 9–11번 지역(동유럽 및 남동유럽)에서 0으로 떨어지며, 스칸디나비아 및 알프스 지역과 같은 부유한 지역에서는 150 MU/톤을 초과한다.
• 남동유럽(지역 11)은 태양광 조건이 유리한 데도 불구하고, 고도의 이질성(α = 2)에서는 송전 제약과 관련된 공급의 상관관계로 인해 태양광 PV 배치가 사라진다.
• 지역 11의 MWh당 시스템 비용은 α = 0일 때 0.801 MU/MWh에서 α = 2일 때 1.35 MU/MWh로 증가하여, 가격 이질성 하에서 재생에너지 통합의 비효율성을 보여준다.
• 전체 시스템 비용은 가격 이질성 증가에 따라 항상 증가하지는 않으며, 고가격 지역의 온실가스 감소 효과가 저가격 지역의 증가된 배출 및 비효율성으로 상쇄됨을 시사한다.
• 이러한 결과는 이질적인 가격 체계 하에서 서유럽에서 동유럽으로의 탄소 누출이 장기적인 EU 탈탄소화 목표 달성에 심각한 위협이 된다는 것을 시사한다.