A Tax-Subsidy Scheme for Efficient Investment in Renewable Generation Capacity

Sintesi Tecnica: Uno schema di tassazione e sussidio per un investimento efficiente nella capacità di generazione rinnovabile

Problematica
Il documento affronta due inefficienze distinte ma correlate nei mercati elettrici all'ingrosso (WEM), che ostacolano la transizione verso un sistema elettrico decarbonizzato.

1. Inefficienza del dispacciamento a breve termine: Il normale clearing competitivo del mercato, basato sul dispatch secondo l'ordine di merito, minimizza i costi operativi ma ignora i danni da inquinamento (ad esempio, le emissioni di carbonio). Ciò porta a un dispatch socialmente inefficiente in cui i generatori inquinanti sono utilizzati più del livello ottimale, con conseguenti eccessive esternalità ambientali.
2. Distorsione degli investimenti a lungo termine: Sebbene le tecnologie rinnovabili abbiano spesso bassi costi operativi, la loro espansione può deprimere i futuri prezzi spot all'ingrosso. I produttori, anticipando questo effetto sui prezzi, possono distorcere strategicamente le proprie decisioni di investimento nella capacità a lungo termine. Nello specifico, i produttori possono alterare i propri livelli di investimento per manipolare i futuri prezzi di equilibrio del mercato, portando a una divergenza tra gli incentivi di investimento privati e l'ottimo del benessere sociale. A seconda del segno e dell'entità dell'effetto sul prezzo, questa distorsione può risultare in un investimento eccessivo o insufficiente rispetto all'ottimo sociale.

La letteratura esistente affronta tipicamente questi problemi separatamente — concentrandosi o sulla tassazione dell'inquinamento (tasse pigouviane) per il dispatch a breve termine o analizzando l'espansione strategica della capacità senza correggere congiuntamente sia l'esternalità dell'inquinamento che l'effetto di distorsione del prezzo dell'investimento.

Metodologia
Gli autori propongono un quadro unificato in due fasi che prevede una tassa pigouviana specifica per ogni generatore e un sussidio all'investimento specifico per ogni generatore. L'analisi si basa su un benchmark comportamentale in cui l'Operatore di Sistema Indipendente (ISO) clearing il mercato spot in modo competitivo (comportamento price-taker nel dispatch), mentre i produttori agiscono strategicamente nella fase di investimento a lungo termine, anticipando come le loro decisioni di capacità influenzino i futuri prezzi spot.

1. Derivazione della tassa pigouviana:

   • Gli autori formulano il problema di un pianificatore sociale che massimizza l'utilità totale meno i costi operativi e i danni da inquinamento.
   • Confrontano le condizioni di Karush–Kuhn–Tucker (KKT) dell'ottimo sociale con quelle del clearing competitivo del mercato (che omette i danni).
   • Il termine mancante è il danno marginale dell'inquinamento. Gli autori derivano una tassa $\Phi_{g,t}$ addebitata al generatore $g$ nell'intervallo $t$, pari al contributo marginale di quel generatore ai danni totali da inquinamento. Ciò allinea il costo marginale privato del generatore con il costo marginale sociale, garantendo che l'esito del dispatch competitivo corrisponda all'ottimo sociale.

2. Derivazione del sussidio all'investimento:

   • Gli autori analizzano la fase di investimento, in cui i produttori scelgono la capacità $\Delta \bar{P}^G_g$ per massimizzare il profitto netto dei costi di investimento.
   • Anche con l'applicazione della tassa pigouviana, il profitto di un produttore dipende da come la propria capacità influenza il prezzo spot di equilibrio ($\Theta^*_{g,t}$). L'obiettivo privato include un termine che rappresenta l'effetto della capacità sul prezzo ($P^*_{g,t} \frac{\partial \Theta^*_{g,t}}{\partial \bar{P}^G_g}$), che non esiste nella funzione del benessere sociale.
   • Per correggere questo, gli autori derivano un sussidio $\Psi_{g,t}$ che rimuove il profitto derivante dall'effetto sul prezzo. Il sussidio è calcolato sulla base del contributo del generatore all'utilità aggregata (surplus del consumatore).
   • Nello specifico, il sussidio è definito come la differenza tra l'utilità aggregata dell'esito del mercato e l'utilità di uno scenario controfattuale in cui il generatore $g$ è fissato a zero output, meno i ricavi di mercato del generatore. Ciò allinea il rendimento marginale privato sull'investimento con il guadagno marginale di benessere sociale.

3. Requisiti di implementazione:

   • Il meccanismo non richiede ai produttori di dichiarare funzioni di costo privato complete oltre alle normali offerte di mercato.
   • Richiede dati sulle emissioni verificati, vincoli tecnici, funzioni di danno da inquinamento specificate dal regolatore e la capacità di eseguire il re-clearing del mercato controfattuale specifico per generatore (ri-ottimizzazione del mercato con il generatore rimosso).

Risultati Chiave

• Esempio Analitico: Un modello a singolo bus e due generatori dimostra che, senza intervento, il dispatch competitivo favorisce un'unità più economica ma inquinante, portando a un benessere sociale negativo quando vengono considerati i danni. La tassa pigouviana corregge l'ordine di dispatch. Inoltre, l'esempio mostra che senza un sussidio, un generatore pulito potrebbe sotto-investire perché la capacità aggiuntiva abbassa il prezzo spot negli intervalli di alta domanda, riducendo i ricavi. Il sussidio proposto ripristina il livello di investimento socialmente ottimale.
• Esperimenti Numerici (Sistema IEEE a 24 Bus):
  • Dispatch: L'internalizzazione dei danni da inquinamento tramite la tassa produce un modesto miglioramento del benessere (~0,10%) nel breve periodo, poiché il sistema contiene già una parte significativa di generazione a basse emissioni, ma l'effetto è persistente.
  • Investimento: Il modello di investimento strategico (senza sussidio) porta a un investimento eccessivo significativo (1.835 MW rispetto ai 66 MW del caso ottimale) e a una perdita di benessere del 4,25%. Questo sovra-investimento è caratterizzato da tassi di utilizzo bassi (60,78% rispetto all'84,84%) e costi di investimento elevati che superano i benefici della riduzione dei costi operativi e dell'inquinamento. Il caso strategico ha prodotto investimenti in tutte le tecnologie, mentre il caso ottimale ha aggiunto solo capacità nucleare e a olio combustibile.
  • Sensibilità: Il meccanismo è robusto a errori moderati nei coefficienti di emissioni e nelle offerte di costo operativo. Tuttavia, è altamente sensibile a informazioni imprecise sulla capacità disponibile; la sottostima della capacità porta a un sovra-investimento significativo e a perdite di benessere.
  • Bilancio: Il meccanismo non è intrinsecamente in pareggio di bilancio. Nella simulazione di base, le entrate fiscali hanno coperto circa il 77% dei pagamenti dei sussidi, lasciando un deficit che richiede un finanziamento esterno o una regola di allocazione del surplus.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento sostiene di colmare una lacuna nella ricerca progettando un singolo meccanismo che corregga simultaneamente l'esternalità dell'inquinamento nel dispatch a breve termine e la distorsione dell'investimento della capacità sui prezzi di mercato nella pianificazione a lungo termine.

• Contributo Teorico: Gli autori derivano la tassa e il sussidio analiticamente da un confronto comune tra le condizioni di ottimalità del benessere sociale e quelle del sistema decentralizzato. La novità non risiede semplicemente nell'uso di entrambi gli strumenti, ma nel derivare il sussidio all'investimento specifico per ogni generatore che mira precisamente al termine dell'effetto sul prezzo derivante dall'espansione strategica della capacità.
• Implicazioni Pratiche: Il meccanismo allinea le decisioni di massimizzazione del profitto decentralizzate con il benchmark del benessere sociale senza richiedere una nuova e intrusiva segnalazione delle funzioni di costo privato. Si basa su dati di mercato esistenti, emissioni verificate e analisi controfattuali.
• Limitazioni e Ambito: Gli autori dichiarano esplicitamente che l'allineamento è condizionato al dispatch competitivo (assenza di withholding strategico o segnalazione errata nel breve periodo). Il meccanismo non affronta il potere di mercato operativo, che è lasciato alla ricerca futura. Inoltre, il documento riconosce che il pareggio di bilancio non è garantito e che l'impegno regolatorio verso le regole nell'orizzonte temporale dell'investimento è un prerequisito per l'efficacia. Lo studio non modella lo stoccaggio energetico, indicandolo come una direzione per lavori futuri.

In sintesi, il documento sostiene che l'investimento strategico della capacità può portare a un sovra-investimento e a un sotto-utilizzo socialmente costosi, e che uno schema combinato di tassazione e sussidio è un metodo teoricamente solido per correggere queste specifiche fallacie di mercato rispettando i vincoli operativi.