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

기술 요약: 재생 가능 발전 용량의 효율적 투자를 위한 세금-보조금 체계

문제 제기
본 논문은 탈탄소화된 전력 시스템으로의 전환을 저해하는 도매 전력 시장(WEM) 내의 두 가지 구별되면서도 연관된 비효율성을 다룬다.

1. 단기 급전 비효율성: 한계 비용 순서(merit-order)에 기반한 표준 경쟁 시장 결제 방식은 운영 비용을 최소화하지만, 오염 피해(예: 탄소 배출)를 무시한다. 이는 오염 유발 발전기가 최적 수준보다 더 많이 활용되는 사회적으로 비효율적인 급전을 초래하며, 결과적으로 과도한 환경 외부성을 발생시킨다.
2. 장기 투자 왜곡: 재생 에너지 기술은 종종 낮은 운영 비용을 갖지만, 이들의 확장은 미래의 도매 현물 가격을 하락시킬 수 있다. 생산자들은 이러한 가격 효과를 예상하여 장기 용량 투자 결정을 전략적으로 왜곡할 수 있다. 구체적으로, 생산자들은 미래 시장 균형 가격을 조작하기 위해 투자 수준을 변경할 수 있으며, 이는 사적 투자 유인과 사회적 후생 최적치 사이의 괴리를 초导致한다. 가격 효과의 부호와 크기에 따라, 이러한 왜곡은 사회적 최적치 대비 과잉 투자 또는 과소 투자를 초래할 수 있다.

기존 문헌은 일반적으로 이러한 문제들을 별개로 다루어 왔다. 즉, 단기 급전을 위한 오염 가격 책정(피구세)에 집중하거나, 오염 외부성과 투자에 따른 가격 왜곡 효과를 동시에 교정하지 않은 채 전략적 용량 확장을 분석하는 데 그쳤다.

방법론
저자들은 발전기별 피구세와 발전기별 투자 보조금을 포함하는 통합된 2단계 프레임워크를 제안한다. 분석은 독립 계통 운영자(ISO)가 현물 시장을 경쟁적으로 결제(급전 시 가격 수용자 행동)하는 반면, 생산자는 자신의 용량 결정이 미래 현물 가격에 미치는 영향을 예상하여 장기 투자 단계에서 전략적으로 행동한다는 행동 벤치마크에 의존한다.

1. 피구세 도출:

   • 저자들은 총 효용에서 운영 비용과 오염 피해를 차감한 값을 최대화하는 사회 계획자의 문제를 정식화한다.
   • 이들은 사회적 최적 조건과 경쟁 시장 결제(오염 피해를 누락함)의 카루시-쿤-터커(KKT) 조건을 비교한다.
   • 누락된 항은 오염의 한계 피해이다. 저자들은 발전기 $g$가 시간 $t$에 전체 오염 피해에 기여하는 한계치를 기준으로 발전기 $g$에게 부과되는 세금 $\Phi_{g,t}$를 도출한다. 이는 발전기의 사적 한계 비용을 사회적 한계 비용과 일치시켜, 경쟁적 급전 결과가 사회적 최적과 일치하도록 보장한다.

2. 투자 보조금 도출:

   • 저자들은 생산자가 투자 비용을 차감한 순이익을 극대화하기 위해 용량 $\Delta \bar{P}^G_g$를 선택하는 투자 단계를 분석한다.
   • 피구세가 적용되더라도, 생산자의 이익은 자신의 용량이 균형 현물 가격($\Theta^*_{g,t}$)에 미치는 영향에 따라 달라진다. 사적 목적 함수에는 사회적 후생 함수에는 존재하지 않는 가격 효과를 나타내는 항($P^*_{g,t} \frac{\partial \Theta^*_{g,t}}{\partial \bar{P}^G_g}$)이 포함된다.
   • 이를 교정하기 위해, 저자들은 가격 효과 이익을 제거하는 보조금 $\Psi_{g,t}$를 도출한다. 보조금은 발전기의 총 효용에 대한 기여도(소비자 잉여)를 기준으로 계산된다.
   • 구체적으로, 보조금은 시장 결과의 총 효용과 발전기 $g$의 출력을 0으로 고정한 가상 시나리오의 총 효용 차이에서 해당 발전기의 시장 수익을 뺀 값으로 정의된다. 이는 발전기의 사적 한계 투자 수익을 사회적 한계 후생 이득과 일치시킨다.

3. 구현 요구사항:

   • 이 메커니즘은 생산자가 표준적인 시장 제출물 이상의 완전한 사적 비용 함수를 보고할 것을 요구하지 않는다.
   • 이는 검증된 배출 데이터, 기술적 제약 조건, 규제 기관이 지정한 오염 피해 함수, 그리고 발전기를 제외한 상태에서의 발전기별 가상 시장 재결제(re-optimizing) 수행 능력을 필요로 한다.

주요 결과

• 분석적 예시: 단일 버스, 2세대 발전기 모델은 개입이 없을 경우 경쟁적 급전이 저렴하지만 오염을 유발하는 유닛을 선호하게 되어, 피해를 고려했을 때 음(-)의 사회적 후생을 초래함을 보여준다. 피구세는 급전 순서를 교정한다. 또한, 이 예시는 보조금이 없다면 청정 발전기가 과소 투자를 할 수 있음을 보여주는데, 이는 추가 용량이 수요가 높은 구간에서 현물 가격을 낮추어 수익을 감소시키기 때문이다. 제안된 보조금은 사회적으로 최적화된 투자 수준을 복원한다.
• 수치 실험 (IEEE 24-Bus 시스템):
  • 급전: 세금을 통해 오염 피해를 내부화하면 단기적으로 완만한 후생 개선(~0.10%)을 보이지만, 이는 시스템에 이미 상당한 저배출 발전원이 존재하기 때문이며 그 효과는 지속적이다.
  • 투자: 전략적 투자 모델(보조금 미적용 시)은 상당한 과잉 투자(최적 사례의 66 MW 대비 1,835 MW)와 4.25%의 후생 손실을 초래한다. 이러한 과잉 투자는 낮은 이용률(84.84% 대비 60.78%)과 운영 비용 및 오염 감소 혜택을 상회하는 높은 투자 비용이라는 특징을 갖는다. 전략적 사례에서는 모든 기술에 걸쳐 투자가 발생한 반면, 최적 사례에서는 원자력과 연료유 용량만 추가되었다.
  • 민감도: 메커니즘은 배출 계수 및 운영 비용 입찰의 완만한 오류에는 견고하다. 그러나 가용 용량 정보의 부정확함에는 매우 민감하여, 용량을 과소 보고할 경우 상당한 과잉 투자와 후생 손실이 발생한다.
  • 예산: 이 메커니즘은 본질적으로 예산 균형을 보장하지 않는다. 베이스라인 시뮬레이션에서 세수 수익은 보조금 지급액의 약 77%를 충당하였으며, 나머지는 외부 자금 조달이나 잉여 배분 규칙이 필요한 결손 상태였다.

의의 및 주장
본 논문은 단기 급전에서의 오염 외부성과 장기 계획에서의 시장 가격에 대한 용량 투자의 왜곡을 동시에 교정하는 단일 메커즘을 설계함으로써 연구 공백을 메운다고 주장한다.

• 이론적 기여: 저자들은 분산된 모델과 사회적 후생 최적 조건의 공통된 비교로부터 세금과 보조금을 분석적으로 도출한다. 참신함은 단순히 두 가지 도구를 사용하는 데 있는 것이 아니라, 전략적 용량 확장에서 발생하는 가격 효과 항을 구체적으로 겨냥하는 발전기별 투자 보조금을 도출했다는 점에 있다.
• 실무적 시사점: 이 메커니즘은 사적인 비용 함수의 침해적인 새로운 보고를 요구하지 않으면서도 분산된 이윤 극대화 결정을 사회적 후생 벤치마크와 일치시킨다. 이는 기존의 시장 데이터, 검증된 배출량, 가상 분석에 의존한다.
• 한계 및 범위: 저자들은 이 정렬 결과가 경쟁적 급전(단기적인 전략적 공급 제한이나 허위 보고가 없는 상태)을 전제로 한다는 점을 명시한다. 이 메커니즘은 운영 시장 지배력을 다루지 않으며, 이는 향후 연구 과제로 남겨두었다. 또한, 본 논문은 예산 균형이 보장되지 않음을 인정하며, 투자 기간 동안 규칙에 대한 규제 기관의 헌신이 효과의 전제 조건임을 밝히고 있다. 본 연구는 에너지 저장 장치를 모델링하지 않았으며, 이를 향후 연구 방향으로 언급하였다.

요약하자면, 본 논문은 전략적 용량 투자가 사회적으로 비용이 큰 과잉 투자와 저이용을 초래할 수 있으며, 결합된 세금-보조금 체계가 운영 제약을 준수하면서 이러한 특정 시장 실패를 교정하는 이론적으로 타당한 방법이라고 주장한다.