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김영창의 전력사업의 이해<33>

전력공급의 적정성(3)

2012년 06월 22일 (금) 16:46:41

전력경제

epetimes@epetimes.com

- 발전기의 시장진입 과정
첫째 단계는 공급지장의 지속시간이 얼마인가를 평가하는 것이다. 이에 대한 답변은 첨두부하발전기의 수익성판단과 관계한다. 첨두부하용 발전기는 시장에 진입하려는 유인을 가질 것이며 고정비와 변동비를 회수할 수 있는 가격수준에서 발전을 하여 공급지장을 줄일 것이며 이 때 초과이윤은 0으로 될 것이다. 초과이윤이란 사업을 하기 위한 수입의 최저한도를 뜻하며 이것이 0이라고 하여 사업자가 파산하는 것은 아니다.
P∙(공급지장지속시간) ≥ FA + VA∙(공급지장지속시간)
여기에서,
P : 가격
FA : 첨두부하용 발전기의 고정비
VA : 첨두부하용 발전기의 변동비

공급지장이 발생할 때의 전력가격은 공급지장이 얼마동안 지속할 것인가를 결정짓는 중요한 요소이다. 만약 가격결정규칙(pricing rule)에 의하여 공급지장시간 동안의 가격이 소비자가 평가한 VOLL에 도달하면 다음 식에 의하여 공급지장비용과 첨두부하발전기 공급지장시간이 결정될 것이다.
VOLL∙(공급지장지속시간) ≥ FA + VA∙(공급지장지속시간)
이때 진입하는 첨두부하용 발전기가 얻을 수 있는 초과이윤은 얼마인가? 첨두부하용 발전기는 첫번째 투입되는 1 MW 로서 공급지장시간 동안 변동비를 초과하는 수입을 얻으며
P ∙ (공급지장지속시간) = FA + VA ∙ (공급지장지속시간)
를 만족시키면서 고정비를 회수한다. 같은 시간 동안에 첨두부하용 발전기의 나머지 용량도 이와 같이 고정비를 회수할 것이다. 공급지장이 발생하지 않는 시간동안, 즉 첨두부하용 발전기가 운전되는 시간대에 이 발전기는 가격결정자(price setter)로 작용하여 자신의 한계비용 VA와 같은 가격을 벌어들이며 초과이윤은 0이다.

<그림 2> 공급지장 지속시간의 평가

둘째 단계는 첨두부하용 발전기가 얼마만큼 진입할 것인가이다.

얼마만큼 건설될 것인가에 대한 답변은 중간부하용 발전기의 수익성 판단과 관련이 있다. <그림 3>에서 중간부하용 발전기는 운전시간이 X 시간 이상으로 되면 첨두부하용 발전기보다 낮은 가격으로 발전할 수 있으므로 X 시간부터 처음으로 고정비와 변동비를 모두 회수한다. 즉 X 시간 동안의 수입이 처음으로 FB + X∙VB를 초과하거나 같게 된다. X 시간 동안에 첨두부하용 발전기가 얻는 수입은 FA + X∙VA 이므로 교차점은 FA + X∙VA = FB + X∙VB 를 만족하는 X가 된다. (<그림 3>)

<그림 3> 첨두부하용 발전기의 용량 평가

진입하는 중간부하용 발전기는 얼마만큼의 초과이윤을 얻는가? 중간부하용 발전기는 첫 번째 투입되는 1 MW로부터 X 시간 동안 변동비를 초과하는 충분한 이윤을 얻으므로 FB + X∙VB의 수입을 얻고 고정비를 회수한다. 중간부하용 발전기의 나머지 용량도 X 시간 동안 고정비를 회수한다. X 시간 이상으로 운전하는 시간동안에 중간부하용 발전기는 가격결정자(price setter)이고 한계비용 VB와 같은 가격을 받으며 초과이윤은 0이다. X 시간 이상에서는 첨두부하용 발전기가 운전하지 않으므로 첨두부하용 발전기의 초과이윤도 0이다.

세 번째 단계는 중간부하용 발전기가 얼마만큼 건설되는가이다. 중간부하용 발전기가 얼마만큼 건설될 것인가에 대한 답변은 기저부하용 발전기의 수익성 판단과 관련이 있다. 운전시간이 Y가 되면 기저부하용 발전기의 비용이 중간부하용 발전기 보다 낮아져서 처음으로 FC + Y ∙ VC 가 된다. 그런데 Y 시간 동안의 수입은 FB + Y∙VB 이므로 기저부하용 발전기와 중간부하용 발전기의 교차점은 FB + Y∙VB = FC + Y∙VC 를 만족하는 Y가 된다.

<그림 4> 중간부하용 발전기의 용량 평가

진입하는 기저부하용 발전기는 얼마만큼의 초과이윤을 얻는가? 기저부하용 발전기는 첫 번째 투입되는 1 MW로부터 Y 시간 동안 변동비를 초과하는 margin을 얻으며 이 시간동안 고정비를 회수한다. 왜냐하면 Y 시간 동안의 수입은 FC + Y∙VC 이기 때문이다. 기저부하용 발전기의 나머지 용량도 같은 시간동안 고정비를 회수한다. Y보다 큰 시간대에 있어서 기저부하용 발전기는 가격결정자로 작용하여 한계비용 VC와 같은 가격을 받으므로 초과이윤은 0이다. 나머지 발전기의 초과이윤도 모두 0이다.

네 번째 단계는 기저부하용 발전기가 얼마만큼 투입되는 가이다. 기저부하용 발전기는 첨두부하용 발전기와 중간부하용 발전기가 담당하지 않는 나머지 부하를 담당한다.

교차점 분석을 통해 보면 수직통합체제의 계획(central planning)과 유사한 발전기 구성, 공급지장시간 등을 얻는다. 그러나 경쟁시장모형에서는 분산된 의사결정과 가격의 확인, 수익성 판단이 작용한다. 또한 VOLL과 공급지장 지속시간, 첨두부하용 발전기의 고정비와 변동비 등이 중요한 역할을 하는 것을 알 수 있디. 만약 어떤 이유에 의하여 적정한 발전기 구성이 되어 있지 않으면 시장참여자는 수익성 판단을 하여 자기수정(self-correction)을 할 것으로 예상된다. 예를 들어, 첨두부하용 발전기가 너무 많다면 중간부하용 발전기의 초과이윤이 보다 커지며 중간부하용 발전기가 진입할 것이다. 그렇다면 중간부하용 발전기의 초과이윤이 하락하여 더 이상 진입하지 않을 것이다. 이와 같은 방법에 의하여 시장참여자는 올바른 투자유인을 가질 것이며 적정한 발전기 구성이 이루어 질 것이며 공급의 적정성이 이루어질 것이다.

결언
경쟁시장에서의 발전기 건설의 가장 중요한 고려 요소는 시간대 별 전력가격이다. 시장참여자는 발전기의 투자를 결정할 때, 미래의 전력가격의 기대치에 근거하여 투자를 결정한다. 경쟁시장의 모델은 가격에 크게 의존하기 때문에 가격결정원칙(pricing rule)이 올바르게 되어야 한다는 것은 매우 중요하다. 전력의 시간대별 가격은 발전설비용량의 규모, 공급지장을 일으키는 시간, 발전기의 구성 등을 결정한다. 모선별 가격제도를 사용한다면 전력가격은 발전기를 어디에 건설하면 유리한가도 알려준다. 만약 기저부하가 너무 많이 건설되었다면 비첨두 시간대(off-peak hours)의 시간대별 전력가격은 하락할 것이다. 또한 송전선로의 용량제약이 있는 곳의 발전기가 부족하면 그곳의 가격은 높아질 것이다.

경쟁시장의 전력가격이 수직통합체제의 발전설비확장계획과 같은 수준의 발전설비용량과 최적의 발전기 구성을 유도할 것인지는 직관적으로 분명하지는 않다. 그러나 이론은 상대적으로 단순하다. 즉 시장이 생산자로 하여금 비용이 최소화 되도록 만든다는 것이다. 경쟁시장에서 참여자는 수직통합회사가 비용최소화에 의하여 발전설비용량과 발전기 구성을 하는 것과 유사한 투자결정을 할 것이다.