数字化对未来电力市场设计的启示

2023年4月 数字化的影响 关于未来电力市场设计 Abstract 本能源洞察探讨了电力部门的脱碳和数字化之间的相互作用。虽然脱碳已被广泛研究，但对数字过渡的关注较少。数字技术不仅可以提高效率并降低运营成本，还可以实现新能源生态系统，创建新的商业模式并加速能源转型。 “能源洞察”的驱动问题是，在何种条件下，脱碳和数字化的经济学是否会使它们融合并产生协同作用，或者它们是否最终会阻碍彼此的发展。我们从三个方面对这个问题提供了见解：产业结构，最终产品和定价。我们使用归纳方法来开发四个命题和两个推论，这是融合这些经济特征的逻辑后果。这些都是在英国和欧盟的电力市场设计的背景下进行讨论的。 1.Introduction 本文旨在概念化电力部门的能源转型/脱碳与数字化转型之间的相互作用。虽然已经对电力脱碳进行了彻底的研究（例如，见Blazquez等人，2020年），但关于数字化转型及其更广泛影响的说法却很少。1数字应用——如数字平台 、人工智能、大数据、机器人、物联网——有可能改变经济部门的运作方式及其产品的制造方式。在电力行业，数字技术发挥着横向作用，不仅可以提高运营效率，降低生产成本，还可以实现新能源生态系统，创造创新商业模式，加速能源转型。因此，本文的驱动问题是，脱碳和数字化的经济学是否会使它们融合并产生协同作用，或者最终会阻碍彼此的发展 。我们通过关注三个方面来提供对这个问题的见解：产业结构，最终产品和定价。 电力数字化是更广泛的技术变革过程的一部分。数字化是指使用数字技术执行以前使用非数字工具的活动的过程；由于这些技术的快速扩散而启用的新活动；或具有重塑业务和监管结构潜力的未来应用。数字化可以被认为是增加数字世界和物理世界之间的互动和融合。它有三个基本要素（IEA，2017年）： 数据：由于传感器和数据存储成本的下降，数据量不断增加。 分析：高级分析和计算能力的快速发展，允许从原始数据中产生有用的信息和见解。 连通性：通过数字通信网络在人、设备和机器（包括机器对机器）之间交换数据。 关于能源领域数字化影响的研究主要集中在其对效率的影响上。在所有条件相同的情况下，数字化带来的能源管理效率的提高将降低电力相对于其他商品的价格。这将产生收入效应，因为消费者拥有更多的可支配收入，以及电力和其他商品之间的替代效应。这两种效应都可以导致反弹效应,从而导致总能耗的整体增加。兰格等人。（2020），例如，调查数字化对能源消耗的潜在影响，发现能源需求随着数字产业的发展而上升。乌斯曼等人。（2021）使用面板数据分析了数字化对南亚经济体能源使用的影响，并得出结论，加快数字化发展可以提高能源效率，但会导致能源消耗的整体增加。 现有的电力部门基础设施和设备通常与数字系统不兼容。除了高昂的成本和不确定的投资回报之外，这可能会阻碍这种技术的传播，尽管它们有好处。这些挑战也存在于能量效率文献中。例如，Jaffe和Stavis（1994）指出了阻碍经济上合理的能源效率投资的市场失灵和行为障碍。 另一个重点是数字化技术如何帮助有效整合间歇性可再生能源。例如，Shahbaz等人。（2022）使用72个国家的面板数据研究了数字经济与能源转型之间的潜在关系。他们发现，数字经济增长1％（以综合指数衡量）将使可再生能源发电量增加0.106％。 1Andersen等人（2021年）报告称，Scopus搜索（2021年9月10日）仅包含21条记录，标题词位于过渡，可持续性和数字化之间。 我们采用不同但互补的链，分析数字化在多大程度上可以带来新的结构、参与者和监管实践，这些新结构、参与者和监管实践可能会改变、取代或补充电力公司和整个行业的现有运营方式(Hiigs等人。，2018；Osmdse等人。，2018） 。例如，数字化可以放松该部门组织的一些主要限制，例如对未充分利用资产的需求。 虽然电力行业出现了一些数字应用，但其他变革性创新，如区块链和数字平台，起源于计算机科学领域。这些技术已有效地应用于其他行业，特别是银行和金融科技(Gomber等人。，2018）。尽管电力部门具有独特的功能，例如受监管的细分市场，但基础技术基本相同，仅适用于不同的问题。因此，人们可以与其他行业的经验相提并论，并假设电力部门的潜在发展。通过推断这些数字技术的潜在影响，我们可以设想它们如何改变电力部门。 本文没有计划进行正式建模，这主要是因为将技术和制度系统的共同进化形式化是有问题的，并且处于发展的初级阶段。相反，本文使用归纳的理论构建方法来开发有关能源和数字化过渡的命题。通过结合观察，我们提出了与数字技术相关的经济特征融合的逻辑结果。这些想法可以在后续研究的实验中进行测试。 我们通过应用David（1985），Arthr（1989），Urh（2000）和Foxo（2011）的工作来分析脱碳和数字化之间的相互作用，他们的共同主题是共同进化。一种共同进化的方法试图识别进化系统之间的因果相互作用。虽然数字化主要是一个技术和经济问题，但脱碳主要是由政府政策驱动的。这产生了一系列复杂的紧张和相互作用，需要仔细检查。脱碳有多种政策选择，但一旦做出决定，例如支持间歇性可再生能源，数字化和脱碳都可以接受本文提供的分析。 本文的结构如下。在第2节中，我们推导了数字化转型的经济原则。基于这些经济原则，在第3节中，我们提出了四个 命题，这些命题是第2节中提出的初始前提的逻辑后果。在第4节中，我们探讨了两个推论，这些推论探讨了数字能源 转型和脱碳的经济原则之间的潜在协同作用或对抗。第5节将此框架应用于欧盟和英国的电力市场设计讨论，第6节得出结论。 2.经济原则：数字化和电力部门 技术历史学家指出，后来成为主导的新兴技术决定了组织经济和社会活动的新方法（Castells，1996；Brynjolfsson 和McAfee，2014）。并非所有技术都具有这些变革力量。例如，OECD（2005）区分了四种不同类型的创新： 产品创新是对众所周知的产品或服务的新颖实现或重大改进。例如，使维护太阳能电池板更容易的创新。 流程创新是一项新技术的发展，以执行一项众所周知的任务。例如，需求预测，一项已知的活动，但具有更好的工具，例如大数据和复杂的算法。 Innovationscanalsocreatenewbusinessmodel,aninnovativeredefinitionofproductsandservicesandtheirmonetization.Forexample,intheUK,EnergySystemsCatapult2正在开创围绕供暖服务等电力用途的商业模式的想法。 创新也可以改变产业结构。当新技术导致供应链发生变化时，可能会出现新的产业结构，新的参与者出现或旧的参与者过时。例如，产消者交易电力的点对点市场（Fuentes等人，2023年）。 前两种类型的创新更具增量（例如，它们可以提高效率），而后两种类型的创新更具变革性。本文着重于电力行业如何由于数字化的出现而可能转型（上述第三和第四种创新类型）。 当面对这些具有挑战性的问题时，经济学家往往倾向于回到关键的经济原则，这些原则可以帮助描述相关的影响。分析这一问题的主要理论结构之一是交易成本。科斯（1988）认为，交易成本决定了一个行业的组织。组织商业交易的标准被假定为两个部分：生产成本最小化，交易成本最小化。由于大数据和连接性，交易成本-例如搜索成本和议价成本（数字平台）或警务或执法成本（区块链）-可以大大降低。这提出了一个问题，即这将对电力部门的组织方式产生影响。我们将讨论与产业结构，最终产品和定价有关的问题。 电力行业的传统商业模式相对简单。公用事业发电并将其馈送到电网中，以便客户可以使用它并为体积付费。在程式化模型中，电力部门的组织可以围绕以下约束进行表征。产业结构由1）少数参与者和2）大资产组成。这些资产中有很大一部分仍然处于长期闲置状态3）。挑战是通过利用4）规模经济来最大程度地降低其运营成本。数字化可以放松其中的一些限制。 首先，数字化可以减少进入壁垒，从而允许更多资产较小的参与者参与进来。例如，数字平台可以通过将较小的生产商与买家联系起来来实现新市场。如果没有这些平台的中介，这些参与者参与这样的市场的交易成本将太高。这种变化可以将电力部门转变为一个较少基于规模经济的部门，而更多地基于模块化结构，可以以颗粒和附加步骤进行放大或缩小。像区块链这样的技术可以帮助观察、设计和调整每个模块化单元的活动和信号。 其次，数字化可以通过实现跨不同部分（包括供应和需求）的集成来提高整个系统的灵活性。互操作性将允许在能源系统中任何地方的设备之间实时交换操作信息，从而减少低效率，提高可靠性并降低成本。不同的是，灵活性允许消费者和生产者对不断变化的市场条件做出即时反应。例如，当能源价格过高时，对能源的需求将减少，这反过来不仅会降低价格，而且会降低数量。如果灵活性限制为无穷大，则可以放宽对未充分利用资产的限制，以满足全年非常短的时间内出现的峰值负载要求。通过这种方式，数字化可以改变电网维护成本的覆盖方式。如果关税设定为回报率，那么减少资本支出将降低整体关税。此外，数字电网增强技术可以提高现有容量的利用率，而不会使运营面临风险。在物理上增加容量变得越来越困难的时候，这一点很重要。然而，这可能会引发有关网络安全的新担忧。 2能源系统弹射器，https://es.catapult.org.uk 第三，电力部门在沿着电力流动的价值链中的上下游组织：发电，输电，配电，零售。这些活动之间的界限是明确的。然而，数字化可以模糊这一价值链的物理边界(IEA，2017)。新的细分市场可能会出现，如产消者，而其他细分市场可能会出现，如聚合商。由于公司的存在是为了将交易成本内部化，因此这两种力量的相互作用将决定新电力行业的垂直整合程度，由于需要吸收的交易成本较少，因此新电力行业很可能会更加分散。但由于数字化也打破了孤岛的界限，例如电力和运输之间的界限，这可能导致企业的新的横向整合，以利用规模经济。 第四个要素是数字化可以重新定义电力部门的最终产品并推出新产品（OEF，2016）。经济理论认为，交易成本将决定企业内部应该生产什么，以及在市场上应该购买什么。当交易成本可以忽略不计时，购买而不是制造（公司与市场）通常是最有效的采购手段（Williamso和Maste，1999）。对数字化对其他行业的影响的观察表明，一些新公司的价值主张是从公司中取出一些由于数字化而现在可以标准化的活动。拆分公司活动可能会导致电力部门的新公司提供超专业化的产品和服务。 此外，数字数据可以被描述为一种外部性，因为个人在数字空间中所做的一切都可以被记录，包括购物习惯和实际的购买过程：考虑到了什么，没有买3数据生成将继续呈指数级增长。从好的方面来看，有了这么多的数据，可以根据消费者的各种喜好来设计量身定制的产品。然而，不利的一面是，市场可能变得容易出现需求歧视。同样的模式也适用于大数据(聚合)，这可能会导致定制产品，但也会导致需求歧视(碎片化)。 本节的第五个要素是关于成本和定价。数字化与一些可再生能源具有相同的成本结构：前期成本很大，事后边际成本可以忽略不计。如何处理接近零的边际成本是经济理论中存在的问题。例如，它可以打破利润最大化的标准，其中价格等于边际成本。然而，价格等于零是一种异常现象，因为价格的作用是发出稀缺性的信号。数字化的零边际成本结构问题更大 。虽然物理网络受到拥塞的约束，但数字网络却没有。这种特性使得数字网络容易受到网络效应的影响，这可能导致集中和市场力量。因此，零边际成本服务可以导致具有市场力量的产业结构。 3.命题 基于数字化的经济特征，我们提出了以下命题。 命题1：数字化转型将带来价值链中碎片化和聚合之间的紧张关系 区块链等数字技术可以通过降低交易成本和进入壁垒，使规模较小的参与者参与电力市场。这将创造成本高昂的市场机会 ，或者由于高昂的交易成本而被完全禁止。