실물옵션을 이용한 발전차액모형 개발 및 신재생에너지 인증서 가중치에의 적용 = (The) development of feed-in tariff pricing model and application to renewable energy certificate weight using real option

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, a Feed-in Tariff pricing model is developed using real option. The Black-Scholes formula is conversed with real option, because the structure of Feed-in Tariff(FIT) is European put option. This pricing methodology may be new approach for FIT pricing under electricity price risk, but levelized generation cost method don't consider this risk premium.

From the result, FIT of the project whose critical price (x*) is high such as photovoltaic is more dependent on risk free rate than risk adjusted discount rate. As x* is decreased, FIT is more dependent on risk adjusted discount rate. This is because FIT is European put option, so the payoff is paid present at the price of discounted with risk free rate.

Most of all, it is interesting that FIT increases as monthly weighted average System Marginal Price(from now on we call it SMPm) grows higher, and FIT decreases after certain SMPm. The reason of FIT increase is that (FIT-SMPm) decreases as SMPm grow higher. The reason of FIT decrease is that profit grow as SMPm increase. Therefore it is the structure of compromise between increasing factor(put option from FIT) and decreasing factor(profit from SMPm)

This is very fascinating result comparing with levelized cost approach. In the case of levelized cost this compromise can't be considered because it calculates only cost except benefit which behave like a stochastic process. If fixed electricity price is subsided, levelized cost approach may be reasonable. But there is value of SMPm derivatives like put option in stock market when SMP-FIT is subsided if SMPm fall below FIT. If there is volatility, put option has some value. This value can be priced theoretically using Black-Scholes formula. Thus the Feed-in Tariff is originally good measure, because it derives the value of risk which is cost-free. But if this value is not priced, renewable energy power producer takes all of this risk premium value but consumer can not take this advantage.

In addition, the renewable energy source which took the most premium was photovoltaic. Therefore, this underestimate made unequal distribution of renewable energy source development such as photovoltaic bias. To make things worse, FIT of photovoltaic was the highest, so it made big burden to "Fund for Electric Power Infrastructure". The problem was not the Feed-in Tariff measure, but pricing of FIT using levelized cost approach. The measures can be improved by developed real option model in this thesis.

Renewable Portfolio Standard(RPS) measure is supposed to replace Feed-in Tariff measure in Korea. In this case, unequal distribution may take place as before if Renewable Energy Certificate(REC) weight is calculated using levelized cost approach. This unequal distribution is not the purpose of renewable energy promotion measures. So, reasonable calculation methodology is needed to tackle this problem. The developed real option model can be used to calculate REC weight, because there must be volatility of Renewable Energy Certificate price.

From the result of REC weight calculation using real option, the weight varies according to SMPm. To avoid the unequal distribution of renewable energy source, changing REC weight according to SMPm is better than Fixed REC weight.

Although REC trading is different market with SMPm market, it is deeply related with each other. When SMPm exceed the critical price of respective renewable energy power generation business, subsidy such as REC is not necessary because this business arrived at grid parity which is the eventual purpose of renewable energy promotion. In this case, the business can be competitive with conventional fossil fuel generator and nuclear generator and so on.

Consequently, Opt-in, Opt-out measure - If SMPm exceed critical price, the business can't take REC (Opt-out), otherwise SMPm is below critical price, the business can participate in REC market (Opt-in) - can improve RPS measure.

The public are required to pay their own such as "Fund for Electricity Power Infrastructure" or "tax", under both Feed-in Tariff and RPS measures. Because these are social cost, reasonable FIT pricing or reasonable REC weight calculation using real option model are the way of achievement of social welfare maximization for sustainable development as response to depleting resources. Therefore, government should calculate reasonable FIT or REC weight considering that there is risk in power generation business. The developed real option model can be good method to calculate reasonable pricing.

국문 초록 (Abstract)

현재 인류가 사용하는 에너지 중에서 가장 널리 사용되고 저렴한 연료인 우라늄, 석유, 석탄 및 천연가스는 고갈성 자원이다. 따라서 시간의 차이는 있겠지만 언젠가는 고갈될 것이며, 고갈되기 이전에 수요와 공급이 맞지 않아 가격 폭등 및 수급불안정 문제가 발생할 것으로 예상된다. 이러한 문제를 해결하여 지속가능한 발전을 이룩하기 위해서는 궁극에너지기술(Backstop Technology)이 필요하지만 현재 현실적인 대안으로 신재생에너지 등을 사용하여 에너지자원 고갈의 시간을 늘리면서 궁극에너지원을 찾아가는 방법을 모색하여야 한다. 또한 신재생에너지는 개념적으로 자연으로부터 무료로 얻기 때문에 화석연료의 가격 급등에 대한 공분산이 0이 되어 에너지가격 리스크에 대한 헤징 능력이 매우 높다. 따라서 전 세계는 화석에너지자원보다 월등히 비싼 비용을 지불하더라도 신재생에너지를 이용하려고 노력하고 있다. 우리나라는 2002년부터 발전차액지원제도를 시행해오고 있으며, 2012년에는 신재생에너지의무할당제(RPS)로 전환할 것이다.

본 논문에서는 현재까지 운영된 발전차액지원제도 하에서 태양광사업에 편중되는 현상에 대한 원인이 발전차액기준금액 산정에 있다고 보았다. 따라서 균등화발전원가에서 간과하였던 전력가격의 변동을 고려할 수 있는 실물옵션 모델을 적용하였다. 연기옵션에 대한 기본모델에 발전차액지원제도가 가지고 있는 유럽피언 풋옵션을 결합하여, 연기옵션을 보유하지 않고 당장 사업을 시작하도록 하는 발전차액기준가격(FIT)을 계산하는 모델을 개발하였다. 개발된 모델에 국내 자료를 대입해본 결과 흥미 있는 결과가 도출되었다.

모형의 특성 상 태양광사업같이 임계가격이 높은 사업은 FIT가 무위험이자율에 많은 영향을 받고, 임계가격이 낮아짐에 따라 차츰 할인율에 영향을 받는 경향을 보였다. 이는 발전차액이 유럽식 풋옵션이므로 만기에 대해 무위험이자율로 할인된 가격을 현재에 받는 구조로 계산되기 때문이다.
가장 중요한 사실은 월 가중평균 계통한계가격(SMP)이 증가함에 따라 FIT가 어느 정도 상승하다가 다시 하락한다는 점이다. 상승하는 이유는 발전차액이 풋옵션이기 때문에 발생하는 현상으로 월 가중평균 SMP가 증가하면 FIT-SMP가 상대적으로 작아지기 때문에 더 높은 FIT를 요구하게 되기 때문이다. 다시 하락하는 이유는 월 가중평균 SMP가 증가하면서 이윤이 증가하기 때문이다. 따라서 상승요인과 하락요인이 월 가중평균 SMP에 따라서 절충되는 구조이다.

이는 매우 흥미로운 현상으로 비용 면에서 접근한 균등화발전원가방식에서는 상상할 수 없는 일이다. 즉, 전력가격이 어떻게 변화하든지 상관없이 일정한 금액을 지급해주는 방식이면 균등화발전원가방식에 따른 원가방식이 타당하겠지만, 전력가격이 얼마 이하로 떨어지면 기준가격을 보전해 주는 방식은 주식시장에서의 풋옵션 개념으로서 기초자산의 변동성이 존재하면 파생되어 발생하는 가치가 존재한다. 기초 자산에 파생적으로 만들어졌기 때문에 추가로 비용을 지불하지 않아도 된다는 장점이 존재한다. 이와 같이 발전차액지원제도는 리스크에 기반을 두고서 가치를 창출하는 금융공학 기법을 이용하여 비용부담을 낮출 수 있는 우수한 제도인데, 이러한 가치를 계산하지 않고 기준가격을 계산하면 신재생에너지사업자는 더 많은 이윤을 얻는 반면에 수요자인 국민은 파생상품으로 인해 발생한 프리미엄을 고스란히 사업자에게 넘겨주는 상황이 된다.

여기서 문제는 이러한 프리미엄이 발생하는 사업이 태양광사업이라는 것이다. 즉, 발전차액이 가장 큰 사업에 프리미엄까지 추가로 지불해 주어서 태양광사업에 편중되어 지원금액의 급증을 가져왔다는 것이다. 이는 발전차액지원제도의 문제가 아니라 발전차액을 균등화발전원가로 계산했기 때문에 발생한 문제였다. 이러한 문제는 본 논문에게 개발된 실물옵션 모델을 적용하면 많은 개선이 이루어 질 수 있다. 발전차액지원제도의 문제점과 해결책을 도출하였으나 우리나라는 RPS제도로 이행 중이다. RPS제도에서도 각 발전원별 불균등은 해결해야 할 문제이며, 본 연구에서 바라보는 관점인 실물옵션 접근법을 사용하여야 한다는 것이 저자의 생각이다. 왜냐하면 RPS제도에서도 신재생에너지인증서(REC) 거래라는 시장에 맡기기 때문에 변동성이 존재하기 때문이다. 따라서 REC에 가중치를 주어서 사업 별로 비용차이에 대한 보정을 해주는데 여기서도 균등화발전원가를 사용하면, 발전차액지원제도에서처럼 어느 한 사업에 쏠림현상이 발생하는데 이는 신재생에너지 지원의 목적에 위배되는 일이다.

실물옵션접근법으로 REC가중치를 계산한 결과 SMP의 가격에 따라 가중치가 변화하는 모습을 보이고 있다. 특정 발전원에 편중되지 않기 위해서는 고정된 REC 가중치보다 SMP에 따라 변동하는 가중치를 주어야 한다는 결론이다. REC 시장의 구조는 개념적으로 SMP와 연관될 필요 없이 신재생에너지 할당기업의 구매의사에 따른 가격이겠지만 전력산업의 구조 상 SMP에 영향을 받을 것으로 생각된다. 저자는 SMP가 어떠한 사업의 임계가격 이상일 경우에는 그 사업은 그리드 패리티(grid parity)에 도달한 사업이므로 REC를 주지 않고 LNG복합화력과 같은 기존의 전력계통과 경쟁하도록 하는 방안을 제안한다. 신재생에너지 지원의 궁극적인 목표인 그리드 패리티에 도달한 사업에 대해서는 지원이 더 이상 필요 없다는 생각에서 이와 같이 제안한 것이다. 특정 사업에 대한 편중을 없애기 위해서 이와 같은 옵트인-옵트아웃 제도를 적용하여야 한다는 것이 본 논문에서 개발된 실물옵션 모델의 결론이다.

FIT제도나 RPS제도 모두 결국에는 국민이 지불해야 하는 비용이 되기 때문에, 전력요금에 포함된 전력산업기반기금에서 지급 되거나 전력요금이 부족하여 손실금액을 세금으로부터 보전 해주거나 결국에는 사회적으로 지불되는 비용이므로, 정확한 FIT를 계산하여 균형을 달성하는 것, REC의 가중치를 적절히 조절하는 것이 당장의 비용최소화는 이루지 못하더라도 앞서 언급한 고갈자원에 대응하여 지속가능한 발전을 위한 사회적 후생을 극대화 하는 것이라 하겠다. 따라서 정부는 리스크가 있는 사업의 특성을 고려하여 적절한 발전차액기준가격 또는 REC 가중치를 결정하여야 할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 1 절 문제제기 및 연구목적 1
• 제 2 절 연구의 범위 5
• 제 2 장 실물옵션 분석모형 8
• 제 1 절 기존 연구 8
• 제 2 절 발전차액기준가격 계산방법론 개발 11
• 제 3 장 모델 적용 19
• 제 1 절 입력데이터 19
• 제 2 절 계산결과 21
• 제 1 항 무위험이자율과 할인율에 따른 발전차액변화 21
• 제 2 항 무위험이자율과 SMP에 따른 발전차액변화 25
• 제 3 항 위험 조정된 할인율과 SMP에 따른 발전차액 29
• 제 4 항 투자비 감소 대비 발전차액기준가격 35
• 제 5 항 태양광발전 편중현상 분석 36
• 제 6 항 RPS제도에의 응용 38
• 제 4 장 결론 및 토의 46
• 참고문헌 49
• Abstract 52
• 부록 55
• 제 1 항 무위험이자율과 할인율에 따른 x* 및 FIT 56
• 제 2 항 무위험이자율과 SMP에 따른 FIT 70
• 제 3 항 할인율과 SMP에 따른 FIT 84
• 제 4 항 투자비 감소 대비 FIT 98