Bidding strategies for energy storage players in 100% renewable electricity market: A game-theoretical approach

전력망을 거대한, 고도의 긴장감이 흐르는 의자 뺏기 게임이라고 상상해 보십시오. 다만 의자 대신 상금은 전자가 됩니다. 과거에 우리가 석탄이나 가스를 태워 전력을 만들던 시절에는, 마치 수도꼭지를 조절하듯 원할 때마다 전등 밝기를 올리거나 내릴 수 있었습니다. 하지만 세상은 모든 전기가 태양과 바람으로부터 오는 미래로 변화하고 있습니다. 이는 지구를 위한 환상적인 아이디어이지만, 까다로운 문제를 야기합니다. 태양은 밤에 빛나지 않고, 바람은 우리가 가장 필요로 할 때 항상 불어주는 것이 아니라는 점입니다. 전력 공급은 날씨만큼이나 변덕스러워지는 반면, 우리의 전력 수요는 완고하게 예측 가능한 상태를 유지합니다. 이 불일치를 해결하기 위해 우리에게는 "에너지 저장 장치(energy storage)"가 필요합니다. 기본적으로 에너지가 넘쳐 흐를 때 추가 전력을 잡아두었다가, 전력이 부족할 때를 대비해 저장해 두는 거대한 배터리 같은 것입니다.

하지만 함정이 있습니다. 자유 시장에서 이 거대한 배터리들을 소유한 사람들은 단순히 도움을 주는 이웃이 아니라, 최대한의 이익을 남기려는 전략적 플레이어들입니다. 만약 몇몇 대기업이 대부분의 배리터리를 통제하게 된다면, 그들은 마치 물 부족 상황을 기다려 물을 팔려는 사재기꾼처럼, 가격이 치솟을 때까지 전력을 아껴두기로 결정할 수도 있습니다. 이 논문은 중요한 질문을 던집니다: 전적으로 재생 에너지로 운영되는 세상에서, 배터리 소유자의 수와 배터리의 크기는 게임의 양상을 어떻게 바꾸는가? 경쟁자가 많아지는 것이 시장을 더 공정하게 만드는가, 아니면 너무 많은 배터리가 그저 돈을 낭비하게 만드는가? 저자들은 컴퓨터 모델을 사용하여 이 미래를 시뮬레이션하며, 배터리 소유자들을 게임 이론 퍼즐의 플레이어처럼 취급하여 그들의 전략이 전기 가격과 관련된 모든 이의 복지에 어떤 영향을 미치는지 살펴봅니다.

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위대한 배터리 게임: 누가 흐름을 통제하는가?

이 논문은 흥ка로운 "만약에" 시나리오를 깊이 있게 파고듭니다. 즉, 오직 거대한 에너지 저장 시스템(배터리) 군단만이 그리드를 균형 있게 조절할 수 있는 유일한 유연한 도구가 되는, 100% 재생 에너지로 구동되는 미래 전력 시장입니다. 덴마크 연구진으로 구성된 저자들은 배터리 소유자들이 이익을 추구할 때 어떻게 행동하는지 알아보기 위해 디지털 놀이터를 구축했습니다. 그들은 **쿠르노 경쟁(Cournot competition)**이라는 개념을 사용했는데, 이는 "나는 네가 얼마나 팔 것인지에 기초하여 내가 얼마나 많은 전력을 팔지 결정하겠다"라는 뜻의 세련된 표현입니다.

이것은 뜨거운 거리 위의 레모네이드 가판대 무리를 생각하면 쉽습니다. 가판대가 하나뿐이라면 주인은 원하는 대로 가격을 매길 수 있습니다. 두 개라면 서로 가격을 낮추며 경쟁할 수도 있습니다. 하지만 여덟 개가 된다면, 가격은 적정 수준으로 떨어지고 모두가 한 잔당 얻는 이익은 줄어들겠지만, 전체 판매량은 늘어납니다. 연구진은 이 논리가 전력 시장에서도 적용되는지, 즉 "레모네이드"가 풍력과 태양광 에너지이고 "가판대"가 배터리 운영사인 경우에도 그러한지를 확인하고 싶었습니다.

설정: 화석 연료가 없는 그리드

연구진은 덴마크의 전력 시장, 특히 DK1 구역을 기반으로 하되 이를 2030년으로 투영한 시뮬레이션을 만들었습니다. 이 미래에는 버팀목이 될 석탄이나 가스 발전소가 없습니다. 그리드는 전적으로 풍력과 태양광에 의존합니다. 태양과 바람은 예측 불가능하기 때문에, 그리드는 충격 흡수제 역할을 할 배터리가 필요합니다. 바람이 강하게 불고 수요가 낮을 때는 배터리를 충전하고(에너지를 낭비하지 않기 위해), 바람이 멈추고 사람들이 퇴근하여 집에 돌아올 때는 전등을 켜기 위해 배터리를 방전합니다.

이 논문은 이 게임의 두 가지 주요 "플레이어"를 모델링합니다:

1. 전략적 플레이어: 이들은 자신의 이익을 극대화하려는 민간 배터리 소 owners입니다. 이들은 가격을 올리기 위해 전력을 아껴두는 선택을 할 수 있습니다.
2. 사회적 계획가(Social Planner): 이들은 모든 배터리를 한꺼번에 제어하는 "착한" 심판입니다. 계획가는 이익에는 관심이 없으며, 오직 모든 사람이 가장 낮은 비용으로 전기를 사용할 수 있도록 하는 데에만 집중합니다. 이는 탐욕스러운 플레이어들이 얼마나 많은 효율성을 잃는지 측정하기 위한 "완벽한 세상"의 기준점이 됩니다.

결과: 우리는 얼마나 많은 배터리가 필요한가?

연구진은 배터리 소유자의 수(독점부터 8명의 경쟁자까지)와 전체 배터리 규모를 변경하며 수천 번의 시뮬레이션을 실행했습니다. 그들이 발견한 내용은 다음과 같습니다.

1. 독점은 나쁜 소식이다
배터리 소유자가 단 한 명인 경우(독점), 그들은 영화 속 악당처럼 행동합니다. 그들은 자신이 유일한 유연 전원(flexible power source)을 통제한다는 것을 깨닫고, 전략적으로 에너지를 억제합니다. 그들은 전력이 저렴할 때 충전하지만, 가격이 매우 높을 때까지 기다렸다가 방전합니다.

• 결과: 이는 가격을 높게 유지하고, 일부 사람들에게 전력을 공급하지 못하게 하거나(미충족 수요), 재생 에너지를 낭비하게 만듭니다(커테일먼트/출력 제한). 단일 소유자가 시장을 해소하기 위해 충분한 전력을 방출하지 않기 때문입니다. 이는 마치 마을 사람들이 절박해질 때까지 밸브를 열지 않는 단 하나의 물탱크 소유자와 같습니다.

2. 경쟁은 영웅이다
배터리 소유자가 추가되는 즉시 행동 양식이 변합니다. 두 명 또는 세 명의 경쟁자가 있으면 "악당" 전략은 무너지기 시작합니다. 각 소유자는 만약 자신이 너무 많이 아끼면, 경쟁자가 대신 전력을 팔러 뛰어들 것이라는 사실을 깨닫습니다.

• 결과: 논문은 단 세 명의 경쟁 운영자만 있어도 시장이 "완벽한" 사회적 계획가와 거의 동일하게 작동한다는 것을 발견했습니다. 가격은 내려가고, 미충족 수요는 사라지며, 시스템은 효율적이 됩니다. 세 명 또는 네 명 이상의 소유자를 추가하는 것은 시스템을 훨씬 더 좋게 만들지 못하며, 그저 이익을 더 잘게 쪼갤 뿐입니다.

3. 크다고 항상 좋은 것은 아니다
연구진은 엄청난 양의 배터리 저장 장치를 구축할 경우 어떤 일이 벌어지는지도 테스트했습니다.

• 결과: 여기에는 "최적의 지점(sweet spot)"이 있습니다. 저장 용량이 너무 적으면 그리드가 불안정해집니다. 하지만 너무 많으면(구체적으로 일일 에너지 부족량의 약 1.0~1.5배를 초과하면), 수익 체감의 법칙에 부딪힙니다. 배터리가 너무 가득 차서 충전할 저렴한 전력을 충분히 찾지 못하게 되고, 이익 마진이 사라집니다. 실제로 너무 많은 저장 장치를 구축하는 것은 미래 배터리의 사업성을 해칠 수 있는데, 이는 "저렴한" 시간과 "비싼" 시간 사이의 가격 차이를 평평하게 짓눌러버리기 때문입니다.

4. 겨울 vs 여름
시뮬레이션은 계절에 따라 게임이 다르게 진행됨을 보여주었습니다.

• 겨울: 그리드가 더 스트레스를 받는 시기입니다. 가격 변동성이 크며, 가격이 너무 높게 치솟는 것을 막기 위해 경쟁이 필수적입니다.
• 여름: 태양이 꾸준한 전력을 제공합니다. 시장은 더 여유로우며, 단 한 명의 소유자가 있더라도 겨울만큼 큰 혼란을 일으키지는 않습니다. 그러나 경쟁은 여전히 상황을 완화하는 데 도움이 됩니다.

핵심 요약: 설계가 중요하다

이 논문은 저장 장치가 양날의 검이라고 결론짓습니다. 100% 재생 에너지 그리드가 작동하기 위해서는 시스템을 결합하는 접착제로서 배터리가 절대적으로 필수적입니다. 하지만 시장이 너무 집중되어 있다면(단 하나 또는 두 개의 기업이 통제한다면), 그 소유자들은 일반 사람들의 희생을 바탕으로 막대한 이익을 취하기 위해 시스템을 이용할 수 있습니다.

저자들은 정책 입안자들이 단순히 더 많은 배터리를 짓는 것에만 집중해서는 안 되며, 누가 그것을 소유하는가에도 집중해야 한다고 제안합니다. 충분한 독립적 경쟁자(이 특정 시나리오에서는 약 3명 이상)를 확보하는 것은 총 용량을 확보하는 것만큼이나 중요합니다. 소유 구조를 제대로 갖춘다면, 우리는 안정적이고 저렴하며 친환경적인 그리드를 누릴 수 있습니다. 만약 잘못된다면, 기술적으로는 작동하지만 재정적으로는 조작된 시스템을 갖게 될 수도 있습니다.

요컨대, 이 논문은 태양과 바람이 주도권을 쥐는 미래를 시뮬레이션하며, 배터리가 그 미래를 여는 열쇠이긴 하지만, 단 한 명의 플레이어가 왕국의 열쇠를 독점하게 해서는 안 된다는 것을 증명합니다.