ESS를 이용한 에너지 차익거래가 시장참여자 후생과 투자전략에 미치는 단기영향 분석

Abstract

전통적으로 전력계통은 시시각각 변화하는 수요를 공급이 맞추는 형태로 운영되어 왔으며 이를 위해 피크수요보다 높은 수준의 공급설비를 갖추어야 했다. 하지만 최근 연구들은 수요 측의 적절한 변화가 공급 측의 변화보다 더욱 경제적일 수 있음을 증명하였고, 수요의 평탄화는 단기적으로 운영비용의 절감의 효과가, 장기적으론 설비 증설의 지연 및 회피의 효과가 있는 것으로 알려져 왔다. 이와 같은 긍정적인 효과에도 불구하고 아직 수요 측의 변화는 활발히 이뤄지지 못하고 있는 실정인데 이는 수요 변화의 유인이 소비자의 효용변화보다 혹은 저장비용보다 크지 않았기 때문이다. 그에 반해, 최근 에너지 저장장치의 가격은 점차 낮아지고 있고, 또한 신재생 에너지원과 같은 간헐적 전원의 증가로 전력가격의 변동성이 증가함에 따라 에너지 저장장치를 이용한 수요의 변화가 주목받고 있다. 그럼에도 불구하고 아직까지 에너지 저장장치를 이용한 에너지 차익거래의 운영과 투자에 관한 연구들은 충분히 이뤄지지 않고 있으며, 특히 에너지 차익거래로 인한 전력시장의 가격변화가 에너지 차익거래의 가치와 시장참여자의 후생에 미치는 영향 분석 및 이에 따른 시장참여자별 저장장치 투자전략에 대한 연구가 부족하였다. 본 연구에서는 현재 저장장치 소유자가 수요변화를 위해 어떤 유인을 받고 있는지를 확인하고, 그 유인에 대한 에너지 저장장치의 운영전략이 경제성을 확보하였는지 평가하였다. 또한 무위험거래와 저장비용을 고려한 에너지 차익거래의 두 기간 모델을 이용한 단기분석을 통해 다양한 시장 환경에서 시장참여자들의 최적 저장장치 투자전략을 도출하였다. 사회후생을 최대로 하는 저장장치 투자량과 비교하여 소비자는 더 많은 양을, 생산자와 상업저장장치소유자는 더 적은 양의 저장장치를 투자하려는 경향이 있음을 확인하였다. 뿐만 아니라 자유로운 투자가 가능한 환경에서는 오직 소비자만이 저장장치에 투자하는 것을 다중 에이전트 비협조게임의 내쉬균형 도출을 통해 확인하였다. 이로 인해 독과점의 판매사업자가 도매시장의 수요 측에서 에너지 저장장치를 이용하여 불합리한 시장지배력을 발휘할 가능성이 있는데, 이를 완화시키는 방안으로 판매부문의 경쟁 도입 및 무위험거래 비율 증가가 효과가 있음을 확인하였다.

In contrast to traditional philosophy that electricity demands should be fully supplied only by controlling generation units, many previous studies show that appropriate changes of demand are more efficient. System load flattening provides system-wide benefits, which reduce operational costs in the short-term, and defer the construction of additional supply units in the long-term. Nonetheless, power demand is generally inelastic in terms of price and thus not effectively responsive to price incentives. In contrast, by owning energy storage systems (ESSs), every energy storage owner (ESO) is able to be price-elastic and demand can be changed without reduction of the customers utility because the amount of power actually consumed by customers does not change. Furthermore, as the costs of ESS have decreased and the price volatility of the electricity market has increased, many studies have been conducted on energy arbitrage using ESSs. However, there is a lack of research on welfare analysis by market participants, especially in relation to ESS investment strategy. In this study, the existing two-period model which can analyze effects of energy arbitrage with ESS is modified in consideration of the ESS cost and risk-free contracts. We analyze the impacts of ESS for energy arbitrage on the changes in the welfare of market participants and determined the optimal amount of ESS investment for three types of ESS investors in different market structures. When the prices of electricity begin to change by energy arbitrage using ESS, the value of energy arbitrage is reduced, and the welfare of market participants changes due to the external effects of energy arbitrage. Thus, each market participant is incentivized differently to invest in ESS. The optimal amounts of ESS investment are determined by the ratio of risk-free contracts to total demand and the costs of storing. When more than two players exist in the same sector, the players non-cooperatively compete. Compared with the case that maximizes social welfare, the case when the players in only one sector are allowed to invest in ESS, the customers tend to over-invest in ESS, whereas the MSOs and producers under-invest in ESS. In addition, when every player can invest in ESS at the same time in the competitive wholesale market structure (which is simulated reflecting Korean circumstances), only the customers are willing to invest in ESS. This study confirms that significant welfare is transferred from the producers to the customers, and customers are able to to exercise market power by operating ESS. We conclude that an increase in the number of customers and/or risk-free contracts encourages other market participants to invest in ESS, which reduce customers market power.