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Environmental time-of-use scheme: Strategic leveraging of financial and environmental incentives for greener electric vehicle charging

Wonjong Lee, 구윤모, Yong-gun Kim (2024) · energy · DOI ↗

한국 EV 충전 시간대별 요금제 (Time-of-Use) 를 재생 전력 가용성 + 탄소 강도 와 연동한 Environmental ToU (E-ToU) 설계. 혼합 로짓 으로 EV 운전자의 시간대 선호 (저녁 > 밤 > 새벽 > 아침 > 오후) 추정. 운전자가 낮은 GHG-강도 전력 을 선호 (E-ToU 의 실현 가능성 입증). 3 요금 (flat, ToU, E-ToU) 비교 시뮬레이션 — daytime PV 풍부 → 0 KRW/kWh, 야간 peak → 120 KRW/kWh.

  • RQ: EV 충전의 환경 시간대 요금제 (E-ToU) 가 financial + environmental 인센티브를 통합해 재생 전력 시간대 충전 을 유도할 수 있는가?
  • 방법론: 혼합 로짓 (EV 운전자 충전 시간 + 가격 + GHG-강도 + 접근성 선호) + unit-commitment (전력 시장 시뮬레이션) + 3 요금제 비교 (flat, ToU, E-ToU)
  • 데이터: 한국 EV 운전자 SP 설문 + 한국 2023 SMP (system marginal price) + 한국 전력 mix (PV, 풍력, fossil) seasonal capacity factor
  • 주요 발견: (1) 시간대 선호 순서: 저녁 > 밤 > 새벽 > 아침 > 오후 — 퇴근 후 충전 (charging upon arrival) 가 가장 선호. (2) 운전자 낮은 GHG-강도 전력 선호 (β7) — E-ToU 의 정책 동기 입증. (3) ToU peak (18:00-09:00) 120 KRW/kWh, off-peak (09:00-18:00) ~0 KRW/kWh — PV 풍부 시간 활용. (4) 여름 제외 09:00-13:00 0 KRW/kWh (RE curtailment 으로 SMP=0).
  • 시사점: Flat → ToU → E-ToU 의 3 단계 정책 진화. ToU 만으로는 야간 충전 잠재 패턴 이 강해 재생 전력 시간대 활용 한계. E-ToU 의 GHG 시그널 이 환경 의식 운전자 그룹 의 daytime 전환 유도.

EV 충전의 environmental ToU 요금제를 재생 전력 가용성·탄소 강도와 연동한 정책 시나리오 도식.

요약

이 paper 는 구윤모 · Wonjong Lee 의 3 기 (2022-2026) V2G 시리즈 의 한 갈래. Vehicle-to-grid as a competitive alternative to energy storage in a renewable-dominant power system: An integrated approach considering both electric vehicle drivers' willingness and effectiveness (V2G ESS 대체) 의 자매로 같은 해 동시 작업. EV 충전 + 전력시스템 의 결합 분석 의 한 측면.

방법론적 핵심은 EV 운전자 선호 추정 + 전력시장 시뮬레이션 결합. (i) 혼합 로짓 (Eq. 4) — 5 시간대 dummy (early morning, morning, afternoon, evening, night = baseline) + 거리 + 혼잡도 + GHG-강도 + 가격. (ii) unit-commitment 으로 2023 한국 전력 시장 SMP 모사. (iii) 3 요금제 (flat, ToU, E-ToU) 별 시간대 충전 분포 시뮬레이션.

핵심 발견:

(i) 충전 시간대 선호: 저녁 > 밤 > 새벽 > 아침 > 오후. 야간 (night, 22:00-06:00) 이 기본 선택 — 차량이 사용 안 되는 시간. 저녁이 가장 선호 — 퇴근 후 충전 (Daytime Direct 보다 convenience).

(ii) GHG-강도 선호 (β7): 운전자가 낮은 GHG-강도 전력 을 유의 선호. 즉 환경 의식이 충전 시간대 결정에 영향 — 이는 E-ToU 의 정책 가능성 의 실증 기반.

(iii) 3 요금제 시뮬레이션:

  • Flat-rate: 시간 무관 동일 가격, 야간 + 저녁 집중 패턴
  • ToU (2-tier): peak 120 KRW/kWh, off-peak ~0 — daytime 일부 이동
  • E-ToU: ToU 가격 + GHG-강도 시그널, 환경 의식 그룹 추가 daytime 전환

(iv) PV 풍부 시간 (09:00-13:00): 여름 제외 SMP=0 — RE curtailment 발생. ToU 가 0 KRW/kWh 를 그대로 반영. 여름은 cooling load 때문에 낮 시간 가격도 높음.

구윤모 의 연구 궤적 안에서 이 paper 는 3 기 V2G + 전력시장 결합 의 한 작업. Vehicle-to-grid as a competitive alternative to energy storage in a renewable-dominant power system: An integrated approach considering both electric vehicle drivers' willingness and effectiveness 와 함께 V2G 시대 EV 사용자 행동 + 전력시스템 의 결합 분석 시리즈.

핵심 결과

시간대 (vs 야간 baseline)선호 (β)
저녁 (β4)최고 양
야간 (baseline)(0)
새벽 (β1)양 (5% 유의)
아침 (β2)음
오후 (β3)최저 음
변수효과
거리 (km)음 (가까이 선호)
혼잡도 (10%)음
GHG-강도 (10 g/km)음 (낮은 강도 선호)
가격 (10 KRW/km)음
요금제Peak 가격 (KRW/kWh)Off-peak 가격
Flat167.11 (연 평균 SMP)167.11
ToU120 (18:00-09:00)0 (09:00-18:00, RE curtailment 시)
E-ToUToU + GHG signalToU + low-GHG bonus

방법론 노트

혼합 로짓 효용 (Eq. 4):

Un,j=β1DEaM+β2DMor+β3DAft+β4DEve+β5XAcc+β6XCog+β7XGHG+β8XPri+εn,jU_{n,j} = \beta_1 D_{EaM} + \beta_2 D_{Mor} + \beta_3 D_{Aft} + \beta_4 D_{Eve} + \beta_5 X_{Acc} + \beta_6 X_{Cog} + \beta_7 X_{GHG} + \beta_8 X_{Pri} + \varepsilon_{n,j}

unit-commitment 으로 시간별 발전 mix + SMP 시뮬레이션. ToU 가격 = 1.5 × SMP (peak), 0.5 × SMP (off-peak). 2023 한국 평균 SMP 167.11 KRW/kWh → ToU 84.3-259.2 KRW/kWh.

식별 가정: (i) SP 선호가 실제 충전 행동 근사, (ii) GHG-강도가 exogenous (운전자의 선택 과 무관), (iii) 2023 SMP + 발전 mix 외삽.

연구 계보

이 paper 는 (i) Daina et al. (2017) 의 EV charging time preference 정통, (ii) ToU pricing 의 demand response 라인, (iii) Ex-ante Evaluation of Profitability and Government's Subsidy Policy on Vehicle-to-Grid System (V2G 시작) 직접 선행 — 의 결합. 구윤모 의 연구 궤적 3 기 V2G + 전력시장 결합 라인.

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