전력시장의효율성과리스크에대한小考 - 텍사스순환정전이후다시불거진민영화논쟁과한국전력시장의구조적문제관점에서 2021. 3. 8 건국대학교전기전자공학부교수노재형
Texas 전력시장의특징 텍사스전력시장은 Energy Only Market 구조 공급용량부족시전력시장가격이 $9,000/MWh 까지상승하는것을허용하는 Scarcity pricing 메커니즘을통해신뢰도확보 Energy only market 은이론적으로가장효율적이며최적자원배분 ( 최적설비투자 ] 를유도 시장참여자의합리적행위에대한기대에기반 타전력시장에비해낮은예비율로운영 Since 2010, a downward trend in ERCOT s reserve margins has led to scarce resources during the peak and less operating flexibility. To some extent, this is an expected outcome of managing resource adequacy through an energy-only market construct. In Texas, regulators ensure reliability through a mechanism called scarcity pricing, allowing real-time electricity prices to reach as high as $9,000/megawatt hour (MWh) in response to capacity shortage conditions. Recent performance over the last several years has proven the ERCOT market and system operations to be successful with no load shedding events.. 출처 : 2019 Long-Term Reliability Assessment, NERC 2
Texas 전력시장의특징 텍사스예비율동향과전망 예비율이하락하는경향을보이고있으나, NERC( 북미신뢰도관리기구 ) 는 ERCOT 이수요반응자원등을활용하여성공적으로전력시스템을운영하고있다고평가하면서도신뢰도리스크가높아지고있음을경고한바있음. 3
전력시장비교 효율성 Texas Energy Only market $9,000/MWh 가격상한 Korea Energy market + 용량요금약 $100~$200/MWh 가격상한 PJM Energy & Capacity market $1,000/MWh 가격상한 리스크 ( 가격변동, 신뢰도 ) Capacity market 또는용량요금 : 공급용량에대한별도보상을통해투자비의일부를보장함으로써설비에대한투자를유도하고예비력을확보하는메커니즘. 4
전력시장비교 가격 가격 $9000 $1000 가격변동 수요변동 용량의무 양 양 Energy Market + Capacity Mechanism Energy only Market 5
Texas 순환정전이후논쟁 대규모정전사태의근본원인은전기시장의민영화? 미국의대부분주는전력시장자유화 ( 규제완화 ) 이전에도민영전력회사가지역독점으로전력공급 독점민영전력회사는주정부의규제를받았음 따라서, 전기시장의민영화 가아닌 전력시장자유화 또는 전력산업규제완화 가정확한표현임. 전력시장자유화 가정전의근본원인인가? NO 시장경쟁에노출된민간전력회사들이비용절감을위해한파를대비한유지 보수에거의투자하지않아서정전이발생했는가? NO 시장경쟁에노출된민간전력회사들이이윤극대화를위해발전소에대한투자를하지않아전력예비율이목표치 (13.45%) 를밑돌았으며, 금번정전의원인이되었는가? NO 소비자전기요금폭등은시장자유화때문인가? Yes but 폭등정도는시장설계에기인. 폭등가능성이없는규제독점이낫지않나? 6
왜시장자유화? 경쟁은 가격을한계비용수준으로낮춘다 그리고 비용최소화에대한강한인센티브를제공한다. 반면규제는둘다를동시에달성할수없다. ( 출처 : Power System Economics, Stoft, 2002) 완벽한투자보수율규제는가격을장기한계비용수준으로유지할수있지만, 비용최소화인센티브를제공하지못한다. 완벽한가격상한규제는비용최소화인센티브를제공할수있지만가격은장기한계비용보다높은수준에서결정된다. 경쟁이가능한상품이라면시장자유화가바람직하다. 7
왜시장자유화? 전력은경쟁이가능한상품인가? Demand-Side Flaw 1: Lack of Metering and Real-Time Billing Demand-Side Flaw 2: Lack of Real-Time Control of Power Flow to Specific Customers 첫번째결함은수요가가격에반응하는것을어렵게만든다. 즉수요의가격탄력성이매우낮게만든다. -> AMI, EMS, AI 등기술발전으로극복 두번째결함은물리적인쌍무계약을어렵게만든다. 계통운영자가실시간에서는디폴트공급자가된다. -> 시장규칙과재무계약으로보완 수요과잉 가격 공급과잉 수요곡선과공급곡선이일반적인상품시장에서의수요공급곡선과상이하여가격은급등급락할가능성이높음 양 8
Problems with Private Monopolies Monopolies are inefficient No competition No need to be efficient to survive No incentive to be efficient: Utility earns more if it invests more No penalty for building white elephants High costs passed on to consumers as high prices of electricity A bankrupt utility is in nobody s interest Rates are higher than they should be 2018 D. Kirschen & University of Washington 9
Could the regulators do better? Regulation is difficult Little basis for comparison Each regulator oversees a small number of utilities Each utility has a territory with different characteristics Difficult to evaluate the utilities decisions Regulator does not have as much staff as the utility Information imbalance 2018 D. Kirschen & University of Washington 10
Problems with Public Monopolies A good government will run its utilities in an efficient and far-sighted manner This is not always the case Conflicts can arise between the objectives of the gove rnment and the objectives of the utility Government monopolies are inefficient too! 2018 D. Kirschen & University of Washington 11
Things bad governments do Keep rates low to please the voters Utility does not have enough money for investments Keep rates high and use the surplus money for othe r programs Inefficient taxation Discourage consumption of electricity Force the utility to make unnecessary investments t o create jobs 2018 D. Kirschen & University of Washington 12
Expected benefits of privatization Utility can focus on its mission If markets function properly: Utility gets the revenues it needs Price of electricity reflects its true cost Optimal allocation of economic resources Access to private sector capital Important in developing countries when government is s hort of money for investments Revenue from the sale of privatized assets Short term only 2018 D. Kirschen & University of Washington 13
에너지전환과시장자유화 AMI, EMS, IoT, AI 등기술발전은전기라는상품의수요측결함 ( 가격비탄력성 ) 을해소함으로써시장경쟁을통해공급가능한상품으로전환시키고있음 시장경쟁을통한비용최소화및가격한계비용유지가능 가격 가격 AMI EMS AI 양 양 14
에너지전환과시장자유화 간헐성이높은재생에너지원의비중확대는더많은소비자참여 ( 수요반응, 가격탄력성 ) 를필요로함 소비자가반응하기위해서는가격신호가필요 독점사업자도요금신호제공가능하지만한계가있음 재생 E 로인한공급변동성증가 가격 가격 AMI EMS AI 양 양 15
에너지전환과시장자유화 에너지전환에따라자원이다양화, 분산화됨에따라더이상중앙계획및제어 (Central Planning and Scheduling) 불가능 효율적에너지전환 ( 비용최소화 ) 을위해서는시장가격신호를통한분산계획, 제어가요구됨 목적함수 제어대상 과거 대형발전소건설비 + 대형발전소운영비 에너지전환이후 대형발전소건설비 + 대형발전소운영비 + 분산전원건설비및운영비 +ESS 건설비및운영비 +DR 장치설치비및운영비 100~200 개대형발전소 100~200 개대형발전소 1000 개이상분산발전기 (& 프로슈머 ) 수백만수용가수요수백만 ESS 수학적타당성수학적으로최적화가능수학적으로최적화불가능 전력시장자유화는독일에너지전환의숨은일등공신이다. 펠릭스마테스 (Fellix Matthes) 오에코환경연구소에너지 기후정책연구위원 https://www.edaily.co.kr/news/read?newsid=01282486625635424&mediacodeno=257&outlnkchk=y 16
에너지전환과시장자유화 에너지전환에따른가스, 전력, 수송, 열등부문간융합역시중앙계획및제어 (Central Planning and Scheduling) 불가능하게함 효율적부문간융합, 부문간소통을위해서는시장가격신호필요 재생 E 시장, 배출권시장존재하에서전력만규제독점? 17
해외전력산업구조 경쟁부문 : 발전과판매 해외주요국은모두소매시장개방 발전부문과판매부분간겸업허용 전력산업의활발한수평, 수직통합, 글로벌사업화 출처 : The structure of an electricity market, Mikael Amelin, KTH 가스, 전력, 열, IT 등의급격한융복합사업화 비경쟁부문 : 송배전, 계통운영 거래형태 출처 : 에너지경제연구원 에너지시장쌍무계약중심시장으로급격히진화 ( 현물시장노출최소화및발전판매계약시장활성화 ) 출처 : Singapore EMA 18
해외전력시장구성 Timeline Year or Month Ahead Day Ahead Markets Intra-Day Real time 계통운영자 전력계통예비력확보 Price spike 축소 전력계통안정성확보전력계통안정성확보수급균형 시장참여자 설비투자리스크관리 가격, 연료리스크관리 발전기기동정지, 가격리스크관리 판매사가격리스크관리 고장, 수요변동, 기상변화등에 따른포지션조정 imbalance 해소 출처 : Nord Pool, How and why did the Nord Pool model become the model for the integrated European energy market?, 2017 출처 : Wholesale Electricity Market Design Initiatives in the United States (EPRI, 2016) 19
해외전력시장구성 Products & Timeline Years or Month Ahead Day Ahead Markets Intra-Day Real time Energy Power Purchase Agreement Derivatives Energy Market Energy Market Energy Market 북미 전력 시장 Ancillary Service Forward Reserve Market (ISO-NE) Regulation Market Synchronized Reserve Market Non-Synchronized Reserve Market Ramp Market (MISO) Regulation Market Spinning Reserve Market Non-spinning Reserve Market Ramp Market (CAISO,MISO) Capacity Forward Capacity Market Seasonal Capacity Market - - - Energy ( 차액계약 ) Energy Market - - 우리나라전력시장 Ancillary Service - - - - Capacity - 용량요금 - - 에너지시장과보조서비스모두지역가격신호제공 ISO-NE s forward reserve market 은퀵스타트발전기확보를목적으로개설우리나라차액계약은부생가스이외발전기에대해체결된바없음 20
보조서비스시장비교 보조서비스시장효과 서비스구분 북미전력시장확보방식 우리나라전력시장 계통운영자 : 비용효율적으로안정적인계통운영도모 시장참여자 : 가장경쟁력있는시장에서수익창출기회확보 무효전력및전압제어블랙스타트주파수조정 발전기의무효전력공급및제어서비스 고정비용기반요금제 (staticcost-basedservice) 로처리 정정발생시계통을복구하는데필요한자원 고정비용기반요금제 (staticcost-basedservice) 로처리 평상시주파수를60Hz로유지하기위한서비스 제어편차 (areacontrolerror) 를줄이는데사용 주파수조정시장 을통해상품공급, 시장가격으로지불 고정요금고정요금고정요금 주파수에자체적으로반응하는조속기를통한주파수 주파수응답 의급격한저하또는상승저지에기여하는서비스 의무사항 ( 서비스제공에대한별도의비용지불없음 ) ( 단,ERCOT 은주파수응답및관성을보조서비스상품 ) 고정요금 하루전에너지시장과실시간사이에발생하는에너지의 에너지임밸런스 임밸런스를수정하기위한서비스 실시간시장 을통해에너지를추가또는감소확보 보조서비스시장에해당되지않음 ( 에너지시장에해당 ) 시장기반 (CON/COFF) 운전예비력 (Synchronized Reserve) 상정고장발생시실시간수급균형을맞추기위해운전중인발전기가사용하지않고남겨둔발전력 운전예비력시장 을통해상풍공급, 시장가격지불 COFF 로일부보상 대체예비력 (Supplemental Reserve) 예비력소진시소진된예비력을대체하기위함. 대체예비력시장 을통해상풍공급, 시장가격지불 고정요금 21
국내외시장비교 구분미국영국프랑스호주일본한국 경쟁도입모델 시장개방 ( 구조개편 ) 구조개편 시장개방 구조개편시장개방 시장개방 구조개편 구조개편 수평분할 수직분리 겸업규제발판겸업 독립규제 (FERC) (OFGEM) (CRE) (AER) 발전 : 판매 : 발전 : 송배전판매 : 기관구조 계통운영 ISO 다수송전사 TSO 단일송전사 TSO 단일송전사 ISO 다수송전사 ISO 다수송전사 ISO 단일송전사 현물시장 ISO 전력거래소전력거래소 ISO 전력거래소 ISO 선물거래선물거래소전력거래소전력거래소선물거래소전력거래소 도매경쟁 소매경쟁 거래플랫폼전력풀쌍무계약쌍무계약전력풀쌍무계약전력풀 장기계약 전력시장 ( 주별 ) 가스시장 ( 주별 ) 출처 : 전력거래소 1) 판매경쟁 ( 소비자선택권 ) 이없는유일한시장 2) 쌍무계약제도가없는유일한시장 3) 실시간수급균형시장이없는유일한시장 22
시장참여자의역무 사업자 해외전력시장 우리나라전력시장 목적 의사결정사항 목적 의사결정사항 발전사업자 수익극대화 What to sell (Energy, AS, Cap.) How to bid How to sell(ppa, Spot, Derivative) How to reduce cost How to manage risk(price, fuel) 수익극대화 How to reduce cost When to overhaul How to manage risk(fuel) (What to sell) (How to bid) 재생에너지 How to reduce cost 수익극대화 How to sell Energy & REC 수익극대화발전사업자 How to sell REC( 계약, 현물 ) How to reduce cost (How to manage risk) How to offer 판매사업자 수익극대화 How to buy (PPA, Spot, Derivative) How to reduce cost 경영평가 How to get high score How to manage risk(price, demand) 계통운영자 수급균형 ( 신뢰도 ) How to operate market and system efficiently and reliably What markets to open 수급균형 ( 신뢰도 ) How to operate market and system reliably What markets to open Who/Which program to choose 소비자 When to use How to reduce usage 비용최소화 비용최소화 ( 수요반응 ) How to reduce usage (How to reduce cost) (How to manage risk) 23
재생에너지확대에따른주요이슈해외시장동향 1) Capacity Payment 용량요금은장기신뢰도확보와신규발전원의충분한수익제공을위해필수적인방안 EU 및북미등다양한국가에서이미적절한용량요금에대한논의가활발히이루어짐 Missing Money Problem, Subsidized Renewable Sources PJM Capacity Performance, PJM Minimum Offer Price Rule Capacity Market in British market 2) Negative Market Price 수요가매우낮을때비유연성자원들에의해발생하는시장가격 비유연성자원이 Negative market price 시에발전을원할경우비용지불 ( 해당비용은유연성자원들에대한 인센티브등으로활용가능 ), 프랑스, 독일, 오스트리아등의국가에서적용중 3) Ancillary Services 보조서비스상품다양화 : 속응성을고려한 Regulation Service 구분, Ramping service 도입등 예비력상한가격상향등 4) Energy Pricing Uplift 비용을제거하거나 Ramping 의가치포함 : ELMP, Multi-period pricing 변동성대응자원지원을위한 Scarcity Pricing 강화 : Price Cap 상향조정 24
재생에너지확대에따른주요이슈시장참여자영향및대응 사업자영향대응방안 발전사업자재생에너지발전사업자판매사업자계통운영자프로슈머 시장가격변동성확대에따른위험증가낮은시장가격에따른고정비회수어려움예측오차페널티 (uninstructed deviation) 위험증가시장가격변동성확대에따른위험증가시장가격변동성확대에따른위험증가재생에너지변동성, 불확실성에따른수급균형유지어려움증가전통적인발전소건설회피에따른신뢰도유지어려움증가요금최소화를위한에너지이용관리필요 에너지저장장치활용파생상품활용한위험회피, 공유신규발전소건설회피에너지저장장치활용파생상품활용한위험회피, 공유에너지저장장치활용수요반응자원활용파생상품활용한위험회피, 공유속응성, 유연성, 정확성을갖춘자원에대한보상을위한시장제도개선전통발전소유지를위한용량시장개설에너지저장장치활용에너지관리시스템설치수요반응자원활용 리스크회피, 공유수요증가 자원소형화분산화 에너지저장수요증가 ICT, AI 기술발전 부문간융합 VPP 수요발생 25
국내전력시장개선사항 시장구조측면 1. 소매시장개방 현독점판매사업자는리스크관리수요없음 소비자참여를위해서는개방필요. 독점판매사업구조하에서도소비자참여가능하지만제한적 소비자참여없이는에너지전환불가능 2. 계약시장도입 발전 / 판매사업자리스크관리수단제공 3. 재생에너지급전도입 ( 안정적계통운영, 공평성 ) 시장구성측면 1. 가격입찰시장도입 ( 규제적비용평가불가능, 리스크관리수요발생 ) 2. 보조서비스시장도입및다양화 효율적이고안정적인계통운영 공정한자원간경쟁의장제공 2. 시간대별시장개설 ( 보다정확한가격신호 ) 3. 지역가격신호제공 ( 보다정확한가격신호 ) 26
국내전력시장개선사항 IEA Korea 2020 Energy Policy Review 권고사항 전체시스템의비용최소화를위해, 전력가격이비용을반영할수있도록하기위해, 효율적인분산전원투자와수요관리가이루어지도록하기위해, 재생 E 고비중전력시스템의효율적인운영을위해시장개선필요 효율적인투자를위해송전망비용과신규재생에너지발전기위치가반영될수있는시장필요 경쟁과투명성이강조되어야함 별도의보조서비스시장도입하여유연하고급전가능한발전기에적절한가격제공, 주파수조정예비력의효율적확보 일간시장, 실시간시장도입을통해재생에너지예측정확도향상을계통운영에반영함으로써소요예비력축소및유연한급전조정허용 극심한이상기후, 기반시설에대한사이버공격등중장기리스크에대한평가와대응필요 최근발생한지진, 태풍등재난에견딜수있는전력망보강이안정적인전력공급을위한중요한요소 재난시공급능력회복을위한비상대응절차마련 스마트미터설치완료이후소매시장개방적극고려필요 정부규제요금이철폐되고, 소비자가다양한공급자가제시하는비용을반영한가격에노출되면, 공급자들은다양한시간별가격으로차별화를도모할것이고더효율적인전기사용을유도할것임 시장이더발전하면더많은스마트그리드의편익들이성과로나타날것임 27