1.1 연구의 배경

일반 상품처럼 전력도 공급과 수요의 시장 원리에 의해서 가격이 결정될 수 있다. 소비자는 가격에 반응하여 전력 소비를 조절할 수 있으며, 그 반응의 정도는 수요에 대한 가격탄력성에 따라서 좌우된다. 전력은 일반 상품과 다르게 현재의 기술로는 경제적인 방법으로 저장할 수 없으므로 생산과 소비가 동시에 이루어져야 한다. 전력의 가치를 실시간으로 제공하여 주는 실시간 시장가격은 시장의 균형이 발전 설비뿐만 아니라 소비자의 반응으로 달성되도록 하는 데 이바지한다. 그 결과 실시간 시장가격은 단기적으로 전기에너지를 효율적으로 배분하는 역할을 하고, 장기적으로는 전력공급 설비의 규모와 구성에 영향을 미친다.

실시간 시장가격 제도의 효용이 높음에도 불구하고 한국의 전력시장을 대상으로 실증적 자료를 바탕으로 실시간 시장가격의 경제적 효용성에 대한 계량화된 분석은 다소 미진한 측면이 있다. 한국전력거래소가 도매전력 시장가격 제도를 대상으로 하여 실시간 전력시장의 도입 효과를 계량화하여 제시한 사례가 있지만, 실시간 전력시장의 장기 설비구성에 미치는 영향에 대한 분석은 다소 미진하다⁽¹⁾. 소매전력 시장가격 제도에 관하여서는 단기적 관점에서 소비자 잉여에 미치는 영향을 계량경제학적 방법을 통하여 분석한 사례가 있으나 주어진 전력설비를 대상으로 단기적인 관점에서 분석하였다⁽²⁾.

저자들은 한국 전력시장에 실시간 시장가격이 도입되었을 때 장기 전력설비 구성에 미치는 영향을 분석하고, 총 전력요금 대비 소비자 잉여 변동량의 크기를 계량적 수치로 제시하여 실시간 전력시장 또는 소매경쟁 도입의 효용성을 보임으로써 한국에서 실시간 전력시장 또는 소매경쟁 도입에 대한 논의의 실마리를 제공하고자 한다.

1.2 한국 전력 시장 현황과 실시간 시장가격 제도

실시간 시장가격은 한국의 전력시장 구조의 관점에서 두 가지로 구분할 필요가 있다.

첫째는 도매시장 관점에서 바라보는 실시간 시장가격이다. 즉, 한국은 현재 하루전 시장만 운영하고 있는데 앞으로 실시간 도매시장이 도입되었을 때 형성되는 실시간 시장가격 제도를 의미할 수 있다. 한국의 도매시장에서는 하루전 시장에서 시장이 청산된 후에 실시간 급전에 이르기까지 시장참여자의 참여가 없는 상태에서 계통운영자가 시장참여자의 역할을 대신하고 있다. 따라서 수요자 측이 전력의 실시간 수급균형 또는 장기적으로 전력설비의 구성에 영향을 미치는 것은 제한적이다.

두 번째는 소매시장 관점에서 바라보는 실시간 시장가격이다. 소매요금제도는 균일요금, 계시별 요금, 첨두부하 요금, 실시간 요금 등으로 구분할 수 있다. 소매시장에서 균일 소매요금제도를 고객에게 적용하는 것에 대한 대응 개념으로서 고객에게 적용되는 실시간 - 예를 들어 1시간 단위 - 소매요금제도가 있다. 가격을 부과하는 빈도가 계절 또는 주·야간 단위인 계시별 요금제는 두 제도의 사이에 위치한다고 할 수 있다. 2021년 1월 1일 이후 한국에서는 소매시장에서 계시별 요금제도가 확대 시행되고 있다. 그러나 도매시장의 가격이 하루전에서 결정되고 실시간 도매시장 가격이 없으므로 실시간 소매가격도 역시 형성되지 못하고 있다.

1.3 선행 연구 분석

경쟁적 전력시장 체제에서 수요의 가격탄력성 등 시장 수요곡선을 고려하여 전력시장의 균형 모형을 도출하고, 이러한 균형 모형을 통하여 실시간 소매요금 등 수요 측면의 제도 변화가 소비자 잉여에 미치는 영향을 다룬 문헌을 살펴보고자 한다.

이정인은 계량경제학적인 방법으로 수요함수를 추정하여 균일 소매요금제도에서 실시간 소매요금제도로 요금체계가 바뀔 경우의 소비자 잉여의 변화를 분석하였다⁽²⁾. 그는 한국의 전력시장을 대상으로 주어진 발전 설비의 구성에 대하여 실시간 가격제도나 계시별 요금제도를 통해 어느 정도 소비자 잉여가 증대되는지를 단기적 관점에서 추정하였다.

Borenstein과 Holland는 수요의 가격탄력성에 대한 추정은 논란이 있을 수 있는 영역이므로 수요의 가격탄력성을 추정하는 대신에 수요의 가격탄력성과 실시간 시장참여율을 외생변수로 하여 실시간 가격제도가 단기 균형가격과 장기 균형가격에 미치는 영향을 분석하기 위한 모형을 제시하였다⁽³⁾.

Borenstein은 미국 PJM 전력시장을 대상으로 실시간 시장참여율과 수요의 가격탄력성 조합에 의해 만들어진 다수의 시나리오별로 장기 균형점에서 기저부하용 발전설비, 중간부하용 발전설비, 첨두부하용 발전설비의 용량을 산출하고 소비자 잉여의 변화를 산출하였다. 그는 균일 소매요금제도에 대비하여 실시간 소매요금제도가 총 에너지 비용의 최소 약 5∼10% 정도의 효율성을 증가시킨다고 추정하였다⁽⁴⁾.

Kopsakanngas Savolainen과 Svento는 수력, 원자력, 재래 발전설비 등 다양한 발전설비로 구성된 북유럽 전력시장을 대상으로 실시간시장 참여율과 수요의 가격탄력성을 기준으로 실시간 가격제도가 발전용량의 장기적 구성과 소비자 잉여에 미치는 영향을 배출권거래제를 고려한 경우와 그렇지 않은 경우로 구별하여 분석하였다⁽⁵⁾.

미국 뉴욕주는 이미 시행 중인 배출권거래제(Regional Greenhouse Gas Initiative)에 더하여 2050년까지 경제 전반에 걸쳐서 온실가스를 1990년 대비 80%까지 감축하기 위해서 온실가스의 사회적 비용을 발전설비 변동비용에 포함해서 온실가스감축을 더욱 촉진할 계획을 추진하고 있다⁽⁶⁾. 온실가스의 사회적 비용을 전력시장에 반영하는 방법은 미국 뉴욕주의 경우처럼 항후 수년간의 온실가스의 사회적 비용을 미리 공표하여 시장참여자가 입찰시에 이를 반영하도록 하거나, 시장 균형을 산출할 때 온실가스 감축목표를 제약조건으로 추가하여 온실가스의 사회적 비용을 제약조건에 대한 잠재가격(shadow price)으로 반영하도록 하는 방법이 있을 수 있는데 미국 뉴욕주는 전자의 방법을 활용한 사례라고 할 수 있다.

Matar는 가정용 전력수요가 50% 이상을 차지하는 사우디아라비아의 전력계통을 대상으로 실시간 소매요금제도를 시행할 때 태양광 발전설비와 가스복합 발전설비에 대한 투자 수요가 각각 50%, 20% 정도 감소하고, 전력 부문에서 한계비용의 변동성이 완화됨을 보였다⁽⁷⁾.

2.1 실시간 시장가격 제도에 따른 전력시장 균형 모형

실시간 시장가격 제도가 소비자 잉여에 미치는 영향은 Borenstein과 Holland가 제안하였고⁽³⁾, Kopsakanngas Savolainen과 Svento는 배출권거래 비용을 그 모형에 추가하였다⁽⁵⁾. 이들은 수요를 실시간 소매요금제 하의 부분 수요와 균일소매요금제 하의 부분 수요의 합으로 식(1)과 같이 표현하였다. 여기에서 $h$는 시간, $\alpha$는 실시간 소매요금제도 참여 비율 $(0<\alpha \leq 1)$, $\epsilon$은 수요의 가격탄력성 $(\epsilon\le 0)$, $p_{h}$는 시간 $h$에서 실시간 소매요금, $\bar{p}$는 균일소매요금, $A_{h}$는 모형의 수요를 전력계통의 실제 수요에 맞게 조정하는 매개 변수, $D_{h}(p_{h},$\bar{p}$)$는 $h$에서 $p_{h}$와 $\bar{p}$일 경우의 도매시장 총 수요를 각각 나타낸다.

경쟁적 전력시장에서 발전사업자의 이익 $\pi_{G_{i}}$와 소매사업자의 이익 $\pi_{R}$은 식(2)와 식(3)으로 표현된다. 여기에서 $i$는 발전기술 종류, $r_{i}$는 발전기술 $i$의 연간 자본비용, $K_{i}$는 발전기술 $i$의 설비용량이다.

수요 전체를 발전기술 $i$가 공급할 경우, 발전기술 $i$에 대한 단기 이익 $\pi_{G_{i}}^{SR}$은 식(2)의 첫 번째 항인 $\pi_{G_{i}}^{SR}=(w_{h}-c_{i})D_{h}(p_{h},\bar{p})$이며, 발전기술 $i$가 한계 발전기일 때 도매시장가격 $w_{h}$는 단기 이익 함수 $\pi_{G_{i}}^{SR}$를 수요 변수에 대한 1계 미분 조건을 통하여 $w_{h}= c_{i}$로 구해진다. 그런데 수요가 단기 설비용량보다 적으면 이러한 등식이 성립하나 수요가 단기 설비용량보다 크면 즉, $\left[\alpha p_{s}^{\epsilon}+(1-\alpha)^{-\epsilon}\right] A_{h}, K^{S R}$보다 클 때 가격은 Kopsakanngas Savolainen과 Svento와는 다른 $p_{S}=e^{\ln \left(\left(K^{-R}-(1-\alpha) A_{h}^{-\epsilon}\right) /\left(\alpha A_{h}\right)\right) / \epsilon}$ 로 표현된다. 즉 발전 설비가 부족한 경우 수요가 반응하여 도매시장가격이 발전기의 변동비 이상으로 상승하게 된다. 여기에서 $K^{SR}$은 $K_{i}$의 합으로 단기 설비용량이다.

발전기술별 변동비용은 연료비용, 운전유지비용, 탄소의 사회적 비용×배출계수 등의 합으로 표시될 수 있다. Borenstein과 Holland는 배출량에 대하여 명시적으로 다루지 않았으며⁽³⁾, Kopsakanngas Savolainen과 Svento는 배출권거래제 비용을 모형에 포함하였다⁽⁵⁾. 이 논문은 Borenstein과 Holland 모형에 Kopsakanngas Savolainen과 Svento의 방법과는 다르게 온실가스 배출량 제약조건을 시장 균형 산정과정에 직접 추가하였다. 탄소의 사회적 비용을 식(4)와 같이 조절하여 배출량 상한을 만족하게 하는 사회적 탄소 비용을 산정하고 배출계수를 통하여 탄소의 사회적 비용을 발전기의 변동비로 전환하였다. 여기에서 $ir$은 반복계산 회차, $SCC_{ir}$는 $ir$회차 탄소의 사회적 비용, $E_{ir}$은 $ir$회차의 배출량, $ECap$은 배출량 상한을 표시한다.

Borenstein과 Holland에 따르면 도매시장에서 기저부하 전원, 중간부하 전원, 첨두부하 전원 용량의 증감을 통하여 장기 균형 설비용량을 결정하는 절차는 다음과 같다⁽³⁾. 첫째로 첨두수요를 담당하는 첨두부하 전원의 설비용량을 한 단위씩 증가시키면서 수요를 충족시키도록 한다. 발전용량이 수요보다 부족한 경우에는 도매시장가격은 $p_{s}$로 상승하여 첨두부하 전원은 이익을 얻기 때문에 첨두부하 전원 용량이 추가로 시장에 진입한다. 이 과정을 첨두부하 전원의 이익이 0으로 될 때까지 반복한다. 두 번째로 중간부하 전원이 첨두부하 전원의 발전용량(MW)을 한 단위씩 대체하도록 하면서 중간부하 전원의 설비용량을 증가시키면서 중간부하 전원의 이익이 0으로 될 때까지 반복한다. 마지막으로 기저부하 전원이 중간부하 전원의 발전용량(MW)을 한 단위씩 대체하도록 하면서 기저부하 전원의 설비용량을 증가시키면서 기저부하 전원의 이익이 0이 될 때까지 반복한다. 이러한 과정을 통하여 발전설비에 대한 장기 균형과 도매시장가격을 구할 수 있다.

다음으로 소매사업자가 소비자로부터 거두어들이는 이익이 영(零)인지를 점검한다. 소매사업자의 이익은 식(3)과 같이 계산된다. 우선 실시간 소매요금을 적용받는 소비자에 대하여서는 소매시장이 경쟁적 균형 상태라면 그리고 소매사업자들의 거래비용이 고려되지 않는다면 도매시장가격을 그대로 부과한다. 균일소매요금을 적용받는 소비자에 대해서는 가격 경쟁 모형인 Bertrand 경쟁 모형처럼 균일소매요금의 증감을 통하여 경쟁한다. 소매사업자의 이익이 영(零)이 아닌 경우 균일소매요금 $\left[\sum_{h} w_{h} D_{h}(\bar{p}, \bar{p})\right] /\left[\sum_{h} D_{h}(\bar{p}, \bar{p})\right\rceil$에 따라서 조정한다. $\bar{p}$를 기준으로 재조정된 수요함수를 바탕으로 발전사업자의 이익과 소매사업자의 이익이 균형 상태에 이를 때까지 도매시장과 소매시장을 포괄하는 몇 차례의 반복 계산과정을 통하여 도매시장가격, 발전기의 기술 형태별 용량, 균일소매요금 등을 도출한다. 이후 탄소의 사회적 비용을 고려한 도매시장과 소매시장이 균형 상태에 이르렀을 때 시장가격, 수요, 소비자 잉여를 구한다.

실시간 시장가격 제도의 시행에 따른 소비자 잉여의 변동량은 식(5)와 같다. 정부가 세금이나 보조금 등으로 시장에 개입하지 않는다고 할 때 사회 잉여(social surplus) 또는 총 잉여(total surplus)는 소비자 잉여와 생산자 잉여의 합이다. 수요함수가 식(1)과 같이 표현되므로 수요함수는 가격 축과 만나지 않아서 소비자 잉여는 무한대가 되어 정의될 수 없다. 따라서 소비자 잉여의 절댓값을 찾는 대신에 소비자 잉여의 변동량을 구하였다. 즉 실시간 소매요금제도가 도입되기 전의 소비자 잉여와 실시간 소매요금제도가 도입된 후의 소비자 잉여의 차이를 산정하여 실시간 소매요금 제도의 도입 효과를 분석하였다. 즉, 소비자 잉여의 변동량은 식(1)에 의해서 표현되는 각 수요곡선을 가격 축에 대하여 적분하여 발생하는 소비자 잉여를 차감하여 구하였다⁽³⁾.

여기에서 $\Delta CS$는 소비자 잉여의 변동량, $\hat P$은 실시간 시장가격 제도가 도입되기 전 균일소매 요금, $\bar{p}$는 실시간 시장가격 제도가 도입된 후 균일소매요 요금, $P_{h}$는 시간별 실시간 소매요금, $A_{h}$는 요금 $\hat P$에서 전력수요를 전력계통의 실제 관찰된 수요에 맞게 조정하는 매개 변수 등을 각각 표현한다.

배출량 제약조건 적용 전후의 소비자 잉여의 변동량은 3단계의 과정을 통하여 산출한다. 즉, ① 배출량 제약없이 기준 시나리오(<표 3 >의 E0A0)를 기준으로 식(5)에 따라서 잉여의 변동량을 산정한다. ② 배출량 제약하에 기준 시나리오를 기준으로 식(5)에 따라서 잉여의 변동량을 산정한다. ③ 배출량 제약조건이 소비자 잉여 변동량에 미치는 영향을 2단계 변동량에서 1단계 변동량을 차감하여 산정한다.

2.2 한국 전력시장의 입력 자료

실시간 시장가격제도가 발전기술의 구성에 미치는 영향을 분석하기 위한 모형의 입력 자료는 전력계통의 부하 분포, 시간별 수요의 가격탄력성, 발전기술별 비용 특성, 발전기술별 배출계수, 실시간 소매요금제도 참여율 등이다.

전력계통의 부하 분포는 시간별 전력수요를 내림차순으로 배열한 부하지속곡선(load duration curves; LDC)의 형식으로 표시하였으며 2020년의 시간별 전력수요 분포를 활용하였다. 2020년 2월 29일 24시의 자료는 다른 연도와 8760시간의 통일성을 유지하기 위하여 제외하였고, 2020년의 첨두수요는 89,091MW, 총 수요는 535.40TWh였다.

Borenstein과 Holland는 미국의 경우 통상적으로 수요의 가격탄력성을 단기적으로는 -0.1 정도 되는 것으로 가정하고 있다. 그러나 이러한 수요의 가격탄력성은 자동계량장치, 지능형 전력기술 등 수요 반응 기술의 발전에 따라서 -0.3 또는 -0.5 등으로 개선되는 방향으로 진행될 것으로 전망하고 있다. 이러한 상황을 종합하여 보면 단기 관점에서는 –0.025 ∼ -0.150 범위의 가격탄력성이 실시간 시장가격 제도의 영향을 가늠하기에 적합한 범위이고, 장기적인 관점에서는 -0.3 ∼ -0.5 범위의 수요의 가격탄력성도 가능할 수 있다⁽³⁾. 이 논문에서도 Borenstein과 Holland의 경우와 마찬가지로 수요의 가격탄력성 변화 범위를 -0.025 ∼ -0.500으로 설정하였다.

발전기술별 특성 자료는 <표 1 >과 같다. 국제에너지기구(International Energy Agency)가 발표한 한국 자료를 바탕으로 환율 1150원/$를 기준으로 환산하여 적용하였다⁽⁸⁾.

고정비는 할인율 4.5%, 수명 30년 (기저부하용 발전기: 40년)을 기준으로 산정한 자본회수계수 0.061392를 (기저부하용 발전기: 0.054343) 적용하여 연금화한 고정비용을 모형에 적용하였고, 배출계수는 국가 배출권 할당계획 온실가스 배출권거래제 제2차 계획기간(2018년～2020년) 2단계 계획(변경)의 자료를 바탕으로 하였다⁽⁹⁾. 배출계수는 온실가스 배출허용량 상한이라는 제약조건을 충족하는 균형 상태를 산출하는 데 사용된다. 변동비용을 고려하는 단기 균형과 고정비용을 고려하는 장기 균형을 동시에 고려하므로, 온실가스 배출량 제약에 대한 영향을 분석하기 위해서 기저부하용 발전기술(원자력)에 대해서는 <표 2 >와 같은 기저부하용 발전기술의 전 주기에 걸친 온실가스 배출량 평가에 관한 다양한 수치를 반영하여 배출계수를 0.1000tCO2-eq/MWh로 설정하였다⁽¹⁰⁾.

실시간 소매요금제도 참여 비율과 관련하여서는 실시간 소매요금제도에 반응하는 수요의 비율을 0.333, 0.666, 0.999로 각각 증가시켰다. 단, 소매요금에 포함되는 약 10원/kWh 안팎의 송배전요금은 모형에 포함하지 않았다.

2.3 온실가스 배출량 제약 적용 전의 장기 균형 결과

현실적으로 자유화된 전력시장에서도 모든 소비자가 실시간 소매요금에 참여하는 것은 아니므로 실시간 시장참여 비율을 변화시키면서 실시간 시장가격 제도가 소비자 잉여에 미치는 영향을 분석하였다. 모형의 시나리오는 <표 3 >과 같다. 여기에서 시나리오를 표시하는 기호 EnAm에서 n은 탄력성이 –0.025 ∼ -0.500의 범위에서 변화할 경우의 시나리오 지표를 나타내며, m은 실시간 소매요금 참여율이 0.333∼0.999로 변할 경우의 시나리오 지표를 나타낸다.

E0A0는 수요의 가격탄력성이 0.000이고 실시간 소매요금 제도에 참여하는 소비자의 비율이 0.000인 경우로서 기준 사례에 해당한다. 기준 사례는 시장의 균형이 이루어졌다고 가정할 경우의 전원 구성이다. 따라서 현재 한국에서 관찰되는 발전기술 구성을 표시하는 것은 아니다.

2.4 온실가스 배출량 제약 적용 후의 장기 균형 결과

제2.3절에서 고찰한 실시간 시장가격 제도와 소비자 잉여의 관계에 더하여 현재 한국에서 논의되고 있는 석탄발전량 상한 설정 제도가 실시간 시장가격 제도와 소비자 잉여의 관계에 미치는 영향을 분석하였다. 온실가스 배출량 제약이 없는 상태에서 산출된 온실가스 배출량을 기준 배출량으로 설정하였다. 실시간 시장가격 제도 아래에서 기준 배출량의 95%를 배출량 상한으로 설정하는 정책이 소비자 잉여에 미치는 영향을 분석하였다. 온실가스 배출량 제약을 가한 후에 산출된 시나리오별 배출량은 <표 6 >에 표시된 바와 같이 대부분 배출량 상한을 만족하였다. 한편 기준 배출량 대비 95%의 배출량 상한 제약에 대한 시나리오에서 전력 부문의 장기 균형 관점에서의 탄소의 사회적 비용은 모형 내의 배출량 상한 제약에 대한 잠재비용이라고 할 수 있는데, 이 값은 시나리오에 따라 약간의 차이는 있으나 평균 0.28천원/tCO2-eq로 산정되었다.