[논문 리뷰] Zonal vs. Nodal Pricing: An Analysis of Different Pricing Rules in the German Day-Ahead Market

Johannes Knörr, Martin Bichler외 1명|arXiv (Cornell University)|2024. 03. 14.

Merger and Competition AnalysisEconomics, Econometrics and Finance인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 독일의 당일 전력시장에서 존별, 노드별, 비균일 가격 설정 규칙을 유일한 ENTSO-E 자료를 활용해 비교한다. Bidding Zone Review 자료를 기반으로 하며, 노드별 가격 설정이 총 시스템 비용과 재디스패치 비용을 최소화하는 것으로 나타났다. 비균일 규칙 중 Join 가격 설정은 낮은 보상 지급과 함께 강력한 혼잡 신호를 제공하여 존별 가격 설정보다 뛰어나며, 존 구성에 따른 가격 변동이 미미한 것으로 나타났다.

ABSTRACT

The European electricity market is based on large pricing zones with a uniform day-ahead price. The energy transition leads to changes in supply and demand and increasing redispatch costs. In an attempt to ensure efficient market clearing and congestion management, the EU Commission has mandated the Bidding Zone Review (BZR) to reevaluate the configuration of European bidding zones. Based on a unique data set published in the context of the BZR for the target year 2025, we analyze the short-run effects of various pricing rules for the German-Luxembourgish bidding zone. We compare market clearing and pricing for different zonal models, including their generation and redispatch costs. In numerical experiments with this dataset, the differences in the average prices in different zones are low. The total costs across different configurations are similar and the reduction of standard deviations in prices is also small. This might be different with other load and generation scenarios, but the BZR data is important as it was created to make a decision about splits of the existing bidding zones. We can replicate several results from the BZR study, except the large cost savings when moving from one to two price zones in Germany and Luxembourg. In addition to the four zonal configurations analyzed in the BZR study, we compare these against a nodal pricing system. While the total cost savings after introducing zonal splits were less than 1%, nodal pricing led to savings of 5-6%. We also evaluate differences of nodal pricing rules with respect to the necessary uplift payments, which is relevant in the context of the discussion on non-uniform pricing in the EU. While the study focuses on Germany, the analysis is relevant beyond and feeds into the broader discussion about pricing rules in non-convex markets.

연구 동기 및 목표

• 독일의 당일 전력시장에서 존별 대비 노드별 가격 설정의 경제적 효율성과 자원 배분 효율성을 평가하는 것.
• 다양한 입찰 존 구성이 시장 가격, 재디스패치 비용, 시스템 효율성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 비균일 가격 설정 규칙(IP, CH, Join)이 혼잡 신호를 얼마나 정확히 전달하고 보상 지급을 최소화하는지 비교하는 것.
• 독일의 현재 단일 가격 존을 두 개, 세 개, 네 개의 존으로 분할할 경우 시장 결과가 향상되는지 여부를 판단하는 것.
• Euphemia 알고리즘과 다른 가격 설정 메커니즘의 복지 및 계산 효율성 측면에서의 성능 평가

제안 방법

• 연구는 ENTSO-E LMP 연구에서 제공하는 고유한 데이터셋을 활용하여 독일의 다양한 구성에서 노드 수준의 시장 정산 결과를 분석한다.
• 선형화된 단위 기동 모델을 사용하여 현장 마진 가격(LMP)을 적용해 노드 가격과 발전 스케줄을 계산한다.
• 국가 수준, 존별(2, 3, 4 존), 노드별 가격 설정 모델을 주요 지표인 발전 비용(GLOC), 기회비용 상실(LLOC), 시장 복지 손실(MWP)을 기준으로 비교한다.
• 정수계획법(IP), 볼록껍질(CH), Join 가격 설정, 현재의 Euphemia 알고리즘의 네 가지 가격 설정 규칙을 평가하여 효율성 및 보상 비용 영향을 분석한다.
• 재디스패치는 비용 최소화 문제로 모델링되어 발전기의 이탈에 대한 보상 지급을 계산함으로써 총 시스템 비용을 비교할 수 있도록 한다.
• 역사적 자료(2009년 2월 18일)를 사용하여 구성 및 가격 설정 규칙 간의 결과를 테스트하고 비교한다.

(a) 2 Zones (k)

실험 결과

연구 질문

• RQ1 노드별 가격 설정이 독일 전력시장에서 존별 가격 설정보다 낮은 총 시스템 비용을 초래하는가?
• RQ2 다양한 존 구성(2, 3, 4 존)이 가격 분산, 재디스패치 비용, 시장 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 IP, CH, Join 중 비균일 가격 설정 규칙 중에서 혼잡 신호 정확도와 보상 지급 최소화 사이의 균형을 가장 잘 유지하는 것은 무엇인가?
• RQ4 현재의 가격 설정 메커니즘, 예를 들어 Euphemia는 복지 손실이나 비효율적 발전 스케줄링을 얼마나 초래하는가?
• RQ5 노드별 가격 설정을 도입할 경우 재디스패치 비용은 감소시키지만 평균 전기 요금은 크게 상승시키지 않는가?

주요 결과

• 노드별 가격 설정은 가장 낮은 총 시스템 비용을 기록하였으며, GLOC는 1,024.32 백만 유로로, 국가 단일 가격(1,430.45 백만 유로)보다 뚜렷이 낮았다.
• 4존 구성은 GLOC 1,778.31 백만 유로를 기록하여, 노드별 가격 설정 대비 비용 절감 효과가 미미한 것으로 나타났다.
• 재디스패치 비용(LLOC)은 노드별 가격 설정에서 86.48 백만 유로로 상당히 낮았으며, 존별 가격 설정의 경우 구성에 따라 25.13에서 170.36 백만 유로의 범위를 보였다.
• Join 가격 설정은 낮은 MWP(34.68 백만 유로)와 낮은 LLOC(86.48 백만 유로)를 기록하여 강력한 신호 효율성과 최소한의 보조 지급을 보였다.
• IP 가격 설정은 효과적인 혼잡 신호를 제공하지만 높은 MWP(72.94 백만 유로)가 필요하며, CH 가격 설정은 GLOC를 최소화하지만 높은 LLOC(170.36 백만 유로)로 혼잡 신호를 왜곡한다.
• 모든 존 구성에서 존 간 가격 표준편차가 낮았으며, 더 많은 존으로 분할해도 변동성 감소 효과가 없었고, 이는 존 재구성의 유의미한 이점이 없음을 시사한다.

(b) 2 Zones(s)