[论文解读] Decreasing market value of variable renewables can be avoided by policy action

Tom Brown, Lina Reichenberg|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2020

Integrated Energy Systems Optimization参考文献 73被引用 109

一句话总结

本文表明，可变可再生能源（VRE）市场价值的下降并非市场固有的失败，而是政策设计的结果：当通过补贴或配额制度强制推广VRE时，收入会相互侵蚀；然而，若以二氧化碳（CO2）税为主要政策工具，即使VRE渗透率超过80%，VRE的收入仍足以覆盖成本。关键洞见在于，CO2定价可实现高效系统整合，同时不损害VRE的市场价值。

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.

研究动机与目标

• 解决现有研究中关于高比例VRE整合具有成本效益与市场价值下降限制VRE部署之间矛盾的问题。
• 探究不同政策工具（特别是VRE补贴与CO2定价）对风能与太阳能长期市场价值的影响。
• 证明在VRE支持政策下市场价值下降是政策设计的产物，而非可变可再生能源本身固有的局限。
• 表明在CO2税制度下，即使VRE渗透率超过80%，风能与太阳能也能实现完全成本回收，避免收入侵蚀。
• 强调在未考虑底层政策机制的情况下，不应将市场价值单独用作评估系统整合挑战的指标。

提出的方法

• 在完全竞争、零利润规则和线性成本函数假设下，对长期市场均衡进行理论分析。
• 利用PyPSA框架对电力系统投资与运行进行建模，重新实现先前文献中的EMMA能源系统模型。
• 模拟两种政策制度：(1) 风光发电的溢价补贴（FiP）；(2) 作为主要政策工具的逐步提高的CO2税。
• 分析系统层面的结果，包括电价、市场价值、平准化度电成本（LCOE）和CO2排放，覆盖不同VRE渗透率水平。
• 使用价格持续曲线和相对市场价值（RMV）评估收入分配与系统成本分摊。
• 通过输电网络强化、电池储能和氢储能提升系统灵活性，以检验结果的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高渗透率水平下，可变可再生能源市场价值的下降是源于内在市场动态，还是特定政策工具？
• RQ2 与CO2定价相比，VRE溢价补贴在长期收入稳定性与风能、太阳能发电机组成本回收方面表现如何？
• RQ3 在CO2税制度下，VRE渗透率能否超过80%的同时，仍保持足够市场收入以覆盖发电成本？
• RQ4 政策机制（如补贴与碳定价）在多大程度上决定了长期系统均衡中可再生能源的市场价值？
• RQ5 为何一些研究报告VRE市场价值下降，而另一些研究则显示高渗透率情景下具有成本效益——这一矛盾的根源是什么？

主要发现

• 在溢价补贴政策下，风能与太阳能的市场价值在高渗透率水平下下降至零，甚至转为负值，原因在于无论系统效率如何，VRE都强制进入市场。
• 当CO2税作为主要政策工具时，风能与太阳能的市场价值保持稳定，且在100% VRE渗透率下仍足以覆盖其LCOE，未出现收入侵蚀。
• 在风能与太阳能渗透率达80%时，CO2定价下其市场价值仍等于其LCOE，表明实现了完全成本回收。
• 在CO2定价下的相对市场价值（RMV）仅呈现轻微下降，反映的是VRE在总系统成本中的占比（例如，全VRE渗透率下RMV为0.62），而非收入效率的损失。
• 在相同CO2减排水平下，尤其在高渗透率时，CO2定价下的系统成本低于VRE支持政策，原因在于更高效的调度与投资信号。
• 在CO2定价下，价格持续曲线显示收入在时间上分布均衡，未集中于少数高收入时段，且即使在100% VRE和增加灵活性的条件下，系统也不会陷入零价或极端价格状态。