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Essays on power market design : capacity pricing and withholding strategy = 전력거래시장 설계에 관한 연구 : 용량가격방식과 용량철회전략
서명 / 저자 Essays on power market design : capacity pricing and withholding strategy = 전력거래시장 설계에 관한 연구 : 용량가격방식과 용량철회전략 / Dae-Chul Jang.
저자명 Jang, Dae-Chul ; 장대철
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2008].
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초록정보

The introduction of competition in the generation of electricity has raised the fundamental question of whether markets provide the right incentives for the provision of the capacity needed to maintain system reliability. Capacity mechanisms are adopted around the world to guarantee appropriate level of investment in electricity generation capacity. In the first essay, we discuss these approaches and analyze the capacity pricing mechanisms from the adequacy perspective. We show that by compensating capacity, energy price is equal to the marginal cost and social welfare increases. We also find that consumers, paying capacity compensation at progressive rate on capacity, are better off than suppliers and there are cases where social welfare under the progressive rate on capacity is higher than that under the degressive rate when electricity markets are close to Cournot competition. Since the 1990s, an increasing number of countries have implemented wholesale electricity markets. In spite of some apparent successes, a few fundamental problems remain. One of the pending policy problems is suppliers’ market power. There are a number of empirical studies aimed at researching the market power in wholesale power markets. Particularly, empirical evidence of strategic capacity withholding in wholesale electricity markets has been exhibited by several studies in Australia, England and Wales, and California. The second essay is an analytical investigation of the capacity withholding incentives in electricity markets. We confirm that whether suppliers’ capacity withholding incentive increases or decreases in the face of increasing demand uncertainty depends on the characteristics of the demand: the ratio of the minimum demand to the maximum demand. We show that when the ratio is at a medium level, the capacity withholding incentive is more pronounced. We show that increasing the minimum demand could be more effective than decreasing the maximum demand in preventing capacity withholding and that increasing the elasticity of demand could be more effective than decreasing the slope of the cost curve.

전력 산업은 전통적으로 대규모 투자를 필요로 자연 독점 사업으로 인식되어 많은 나라에서 발전, 송전, 배전, 그리고 판매 부문이 수직적으로 통합된 독점 공기업 혹은 독점 민간기업 체제로 운영되어 왔다. 이는 각각의 기능 부문에 대해 규모 및 범위의 경제성이 있으므로 단일 기업에 의한 생산 비용이 둘 이상의 기업이 경쟁하는 경우의 생산 비용보다 적다고 여겨졌기 때문이다. 그러나 이와 같은 독점이나 수직적 통합 방식의 비효율성이 지속적으로 제기되어 왔으며, 최근에는 발전 부문에서 소규모 투자로도 효율적 생산이 가능하게 되었다. 이에 따라 많은 나라에서 경제적 효율성을 높이기 위한 전력 산업 구조 개편과 민영화를 추진하였다. 전력 산업 구조 개편은 일반적으로 두 가지 변화를 수반한다. 그 하나는 수직적으로 통합된 전력 산업 구조 또는 전력 기업 구조를 분리하는 것이며, 다른 하나는 수직적으로 분리된 각 부문에 경쟁을 도입하는 것이다. 전자는 수직적 통합에 따른 문제점을 해소하고자 하는 목적에서 이루어지는 것이며, 후자는 수직적으로 분리된다 할지라도 독점기업이 됨으로써 각 부문이 지니게 되는 시장지배력을 해소하고자 하는 목적에서 이루어지는 것이다. 이와 같은 변화를 거쳐 탄생한 새로운 전력 시장을 경쟁적 전력 시장이라 하는데 2006 년 6 월 현재 총 74 개국에서 전력산업 구조개편을 추진 중에 있는 데 이중에서 14 개국은 이미 완료하였고 나머지 60 개국은 진행 중에 있다. 한국은 현재 발전부문만을 분할 하였는데 아직 한국전력의 자회사이다. 또한 전력거래시장에서는 발전부문만 입찰하고 있으며 발전비용에 기반한 가격책정방식(CBP)을 적용하고 있기 때문에 본격적인 전력거래시장 체제로 들어서지 못하고 있다. 이러한 경쟁적 전력 시장의 형성에 있어 가장 중요한 요소는 시장 구조와 전력 거래 체제를 어떻게 설계하는가 이다. 기존의 독점적 전력 시장에서 전력 가격이 규제에 의해 시장 밖에서 결정되었던 것과 달리, 경쟁적 전력 시장에서는 전력 가격이 시장 내에서 - 혹은 시장의 힘에 의해 - 결정된다. 시장에 의한 전력 가격 결정 과정이 효율적이기 위해서는 시장의 특성을 잘 반영한 전력 거래 체제가 필요하다. 전력 거래 체제가 잘못 설계될 경우 전력 시장은 비경쟁적이 되거나 또는 비효율적이 될 수 밖에 없으며, 시장에서 결정되는 전력 가격과 경쟁적 전력 가격 수준의 사이에는 괴리가 존재하게 발생하고 자원 배분의 왜곡 및 사회적 후생의 감소를 초래하게 된다. 따라서 전력 거래 체제를 어떻게 설계하는가가 전력 산업 구조 개편의 성공 여부를 판가름한다고 보아도 좋을 것이다. 경쟁적 전력 시장이 효율적이기 위하여 전력 거래 체제는 다음과 같은 두 가지 요건을 동시에 충족시켜야 한다. 첫째, 전력이 여타 상품처럼 시장에서 자유롭게 거래될 수 있도록 설계되어야 한다. 둘째, 급전에 있어 과거 중앙 집중화된 통제가 달성했던 효율성 수준에 못지 않은 효율성을 달성해야 한다. 전자는 전력 가격 및 전력 수급량이 시장 메커니즘에 의해 결정되도록 하기 위한 전제 조건이다. 그리고 후자는 이와 같은 시장 메커니즘에 의한 전력 수급에도 불구하고 전력의 특성에 기인하는 독특한 기술적, 경제적 효율성 조건들을 충족시켜야 함을 의미한다. 전력의 특성과 관련한 기술적, 경제적 효율성 조건들을 충족시키는 것이 중요한 이유는 전력 시스템이 순간적인 수급 불균형에 매우 취약하기 때문이다. 이러한 어려움은 전력이 다른 재화와 다른 특징을 가지고 있기 때문인데 가장 중요한 것은 1) 전력의 저장은 기술적인 어려움으로 인해 막대한 비용이 들기 때문에 실제로 전력을 저장하여 사용하기보다 생산과 동시에 소비한다는 점과, 2) 초과 수요가 발생하는 경우가 초과 공급의 경우에 비해 막대한 사회적, 경제적 피해를 초래하기 때문에 계절적, 시간적으로 변하는 수요에 대해 공급이 항상 대응할 수 있어야 한다는 점이다. 이와 같이 전력은 저장되기 어렵기 때문에 서로 다른 시점 혹은 동일한 시점에서 다른 장소에 위치하는 전력들은 서로 대체재가 될 수 없다. 그리고 전력 산업은 자본집약적 설비 산업으로써 발전 및 수송설비에 거액의 고정 투자가 요구되며, 생산에 있어 변동 비용에 비해 고정 비용의 비중이 매우 크다는 특징을 갖고 있다. 전력 공급과 수요의 불확실성과 이에 따른 위험을 증가시키게 되는 것이다. 전력거래시장 설계는 이러한 전력의 특성을 반영하면서 효율성을 달성해야 하는데 가장 중요한 이슈는 시장지배력의 행사를 막고 전력 공급 안정성을 확보하는 것이다. 시장지배력 행사의 한 형태가 본 논문에서 다루는 용량 철회로 나타나게 된다. 또한 용량에 대해서 보상을 해 줌으로서 이러한 문제를 해결할 수 있다는 측면에서 용량 메커니즘에 대한 연구의 필요성이 제기되는 것이다. 따라서 본 논문의 첫 번째 부분에서 용량 메커니즘에 대해서 다루었고 두 번째 부분에서 용량 철회 이슈에 대해서 자세하게 다루었다. 특히 용량 철회와 수요 불확실성과의 관계에 중점을 두었다. 2장에서 다룬 용량 메커니즘에 대한 연구에서의 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 용량가치를 보상함에 따라서 현물시장 전력가격이 낮아지고 전력생산량이 많아져서 사회후생이 증가하게 된다. 그리고 최적의 용량가치 보상 메커니즘에 의해서 현물시장의 전력가격은 전력공급의 한계비용과 같아지게 되는데 이러한 결과는 용량 메커니즘을 도입하더라도 현물시장이 경쟁적으로 작동할 수 있게 된다는 것을 의미한다. 또한 이러한 결과는 발전사업자의 수와는 관계가 없기 때문에 과점적 상태의 전력시장에서도 적용될 수 있음을 뜻한다. 둘째, 용량 가격의 기울기(요율)을 증가시킬수록 소비자 잉여가 증가함을 보였다. 전력 산업과 같이 수요 탄력성이 낮은 산업에서는 발전용량(생산량) 감소에 의해서 발생하는 자중손실의 크기보다 소비자로부터 발전사업자로 이전되는 잉여의 크기가 더욱 크기 때문에 소비자 잉여와 생산자 이윤 간의 분배가 중요하다. 또한 발전산업이 급속하게 성장하는 시기에는 발전용량 확보를 위해서 발전사업자의 이윤과 투자가 중요하지만 완만하게 성장하는 시기에는 소비자 후생이 더욱 중요하므로 이러한 결과는 정책적 의미를 지니게 된다. 즉, 소비자 후생을 증진시키려는 정책결정자는 용량 가격의 요율을 증가시키는 것이 바람직하다는 것이다. 이와 함께 전력산업의 구조가 중장기적으로는 쿠르노 경쟁의 형태를 가지기 때문에 기존의 제도에서처럼 용량가격의 기울기(요율)를 0이나 음의 값으로 하는 것보다 양의 값을 가지게 하는 것이 효과적일 수 있음을 보였다. 셋째, 발전사업자의 수가 매우 많거나 버트란드 경쟁 구조를 가지지는 경우에는 용량 메커니즘이 있더라고 에너지 단일 시장과 동일해 진다는 점을 밝혔는데 현실적으로 전력거래시장은 소수의 발전사업자로 이루어져 있고 버트란드 경쟁보다는 쿠르노 경쟁의 가능성이 더욱 높기 때문에 이러한 결과는 본 논문의 결과를 더욱 강화시킬 수 있게 된다. 본 연구는 기존 문헌과는 다르게 용량 가격의 설정 방식에 대해서 명시적으로 고찰하였다. 또한 전력도매현물시장과 용량 메커니즘과의 관계를 명확하게 모형화하였다는 점과 결과적으로, 용량 메커니즘 중 에너지단일시장 방식에 비해서 용량 요금이나 용량 시장을 도입하는 것이 필요하다는 점을 제기하고 시장지배력 행사에 의한 전력가격의 상승이나 발전용량의 감소 문제를 개선할 수 있는 용량 가격 설정 방식을 제안하였다는 데에 의의를 찾을 수 있다. 그리고 사회후생의 분배 문제를 다루면서 소비자 잉여와 생산자 잉여의 분배에 관한 결과를 도출하였다. 3장에서 다룬 용량 철회와 수요 불확실성과의 관계에 대한 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 용량 철회에 의해서 사회후생이 감소하고 수요불확실성이 증가할수록 용량 철회 인센티브(생산량)가 증가(감소)하다가 감소(증가)하게 됨을 보였다. 즉, 수요의 불확실성이 중간 수준인 경우가 크거나 작은 수준인 경우보다 용량 철회 인센티브가 크다는 것을 확인한 것이다. 기존에는 수요불확실성이 증가하면 용량 철회 인센티브가 감소한다는 주장과 감소한다는 주장이 상충되고 있었는데 이러한 결과는 기존의 연구 결과를 통합하여 새롭게 해석하는 이론을 제시하는 것으로 해석될 수 있다. 둘째, 최저 수요를 증가시키는 것이 최대 수요를 감소시키는 것보다 비용 효과적으로 시장 지배력 행사(용량 철회)를 막을 수 있다는 점을 보였는데 이것은 특히 수요불확실성이 중간 수준인 경우에 더욱 잘 적용된다. 또한 이러한 결과는 이 경우에 전력요금 가격의 등급간 차이가 더 커져야 함을 의미하게 된다. 또한 이 구간에서 수요 불확실성이 증가함에 따라서 발전사업자의 이윤이 감소하는 구간이 존재하게 되는데 이러한 구간의 존재는 전략적 용량 철회가 사회후생을 감소시킴과 동시에 발전사업자의 이윤도 감소시키게 되는 죄수의 딜레마를 발생시킬 수 있다는 것을 의미한다. 셋째, 현실의 전력거래시장에서는 수요의 탄력성이 상당히 작은 편이므로 수요함수의 기울기가 증가할수록 용량철회 인센티브가 증가한다는 결과를 통해서 수요 탄력성을 높일 수 있는 적극적인 수요 관리 방안 또는 수요 입찰 제도의 도입이 필요함을 알 수 있다. 특히 국내의 경우에는 아직 양방향 입찰 메커니즘조차 도입하지 못하고 있다. 본 연구는 전략적 용량철회와 관련된 변수를 확장하고 수요 불확실성 하에서 굴절공급함수(kinked supply function)을 적용하여 용량 철회 내쉬 균형을 구하였다는 점에서, 그리고 수요의 불확실성과 전략적 용량 철회 인센티브와의 관계를 규명하였는데 이는 기존의 상충되는 연구 결과를 하나의 틀로 해석할 수 있는 기반을 제공하였다는 점에서 의의가 있다. 결론적으로, 본 학위논문은 전력거래시장의 설계 이슈 중에서 용량 가격 결정 문제와 전략적 용량 철회에 대해서 살펴보았으며 이를 통해서 발전사업자들이 시장지배력을 행사하고자 하는 인센티브를 감소시키고 전력시장에서 적절한 공급 안정성이 확보될 수 있도록 하는 방안을 제시하고 있다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DGSM 08008
형태사항 v, 114 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 장대철
지도교수의 영문표기 : Byong-Hun Ahn
지도교수의 한글표기 : 안병훈
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 경영공학전공,
서지주기 References : p. 111-114
주제 Electricity Market;Capacity Mechanism;Capacity Withholding;Pricing;Market Design
전력 시장;용량 메커니즘;용량 철회;가격 설정;시장 설계
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