원자력과 신재생에너지 발전설비 확대에 따른 온실가스 저감 잠재량에 관한 연구 Assessment of GHG Emission Reduction Potential in Extension of Nuclear and Renewable Energy Electricity Generation원문보기
2005년 2월 교토의정서가 효력을 발휘하게 됨에 따라 우리나라는 세계 10위의 이산화탄소 배출국으로서 2013년 이후에는 감축의무를 지어야 할 실정이다. 특히 온실가스 배출량의 약 30%가 발전부문에 의한 것이므로 전환부문의 에너지 소비 저감은 매우 중요하다. 이에 정부는 온실가스 감축환경에 대응하기 위하여 "제1차 국가에너지기본계획"을 발표하여 원전설비를 2030년까지 최대 41%까지 확대하고, 신재생에너지보급률 또한 11%로 높이겠다는 목표를 내세웠다. 이에 근거하여 원자력과 신재생에너지발전설비를 확대하였을 경우 온실가스 저감 잠재량과 그 유효성을 LEAP(Long-range Energy Alternative Planing system)을 이용하여 정량적으로 분석하였다. 분석결과 2030년 기준으로 총 $CO_2$ 발생 저감률은 28.8% 였다. 또한 BAU 시나리오 발전량을 토대로 하였을 때 유연탄발전 $0.85\;kgCO_2/kWh$, LNG발전 $0.51\;kgCO_2/kWh$의 단위 발전량당 온실가스 배출량을 보였다. 따라서 기존설비를 대체할 시, 유연탄발전을 대체할 경우에 온실가스 저감 효과가 크다는 결론을 보였다.
2005년 2월 교토의정서가 효력을 발휘하게 됨에 따라 우리나라는 세계 10위의 이산화탄소 배출국으로서 2013년 이후에는 감축의무를 지어야 할 실정이다. 특히 온실가스 배출량의 약 30%가 발전부문에 의한 것이므로 전환부문의 에너지 소비 저감은 매우 중요하다. 이에 정부는 온실가스 감축환경에 대응하기 위하여 "제1차 국가에너지기본계획"을 발표하여 원전설비를 2030년까지 최대 41%까지 확대하고, 신재생에너지보급률 또한 11%로 높이겠다는 목표를 내세웠다. 이에 근거하여 원자력과 신재생에너지발전설비를 확대하였을 경우 온실가스 저감 잠재량과 그 유효성을 LEAP(Long-range Energy Alternative Planing system)을 이용하여 정량적으로 분석하였다. 분석결과 2030년 기준으로 총 $CO_2$ 발생 저감률은 28.8% 였다. 또한 BAU 시나리오 발전량을 토대로 하였을 때 유연탄발전 $0.85\;kgCO_2/kWh$, LNG발전 $0.51\;kgCO_2/kWh$의 단위 발전량당 온실가스 배출량을 보였다. 따라서 기존설비를 대체할 시, 유연탄발전을 대체할 경우에 온실가스 저감 효과가 크다는 결론을 보였다.
South Korea, ranks 10th largest emitter of carbon dioxide in the world, will probably be under the obligation to reduce GHG emission from 2013. It is very important to reduce the electrical energy consumption since 30% of GHG emission in South Korea is made during electricity generation. In this stu...
South Korea, ranks 10th largest emitter of carbon dioxide in the world, will probably be under the obligation to reduce GHG emission from 2013. It is very important to reduce the electrical energy consumption since 30% of GHG emission in South Korea is made during electricity generation. In this study, based on "the 1st national energy master plan", the GHG emission reduction potential and the feasibility of the scenario in the electricity generation have been analyzed using LEAP(Long-range Energy Alternative Planning system). The scenario of the mater plan contains the 41% expansion of nuclear power plant facilities and the 11% diffusion of renewable energy until 2030. In result, total $CO_2$ emission reduction rate is 28.8% in 2030. Also $CO_2$ emission of unit electricity generation of bituminous coal power plant is $0.85kgCO_2/kWh$ and its LNG power plant is $0.51kgCO_2/kWh$ in BAU scenario. Therefore when existing facilities is exchanged for nuclear or renewable energy power plant, substitute of bituminous power plant is more effective than LNG power.
South Korea, ranks 10th largest emitter of carbon dioxide in the world, will probably be under the obligation to reduce GHG emission from 2013. It is very important to reduce the electrical energy consumption since 30% of GHG emission in South Korea is made during electricity generation. In this study, based on "the 1st national energy master plan", the GHG emission reduction potential and the feasibility of the scenario in the electricity generation have been analyzed using LEAP(Long-range Energy Alternative Planning system). The scenario of the mater plan contains the 41% expansion of nuclear power plant facilities and the 11% diffusion of renewable energy until 2030. In result, total $CO_2$ emission reduction rate is 28.8% in 2030. Also $CO_2$ emission of unit electricity generation of bituminous coal power plant is $0.85kgCO_2/kWh$ and its LNG power plant is $0.51kgCO_2/kWh$ in BAU scenario. Therefore when existing facilities is exchanged for nuclear or renewable energy power plant, substitute of bituminous power plant is more effective than LNG power.
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문제 정의
사실성 있는 모형의 구축을 위하여 산업자원부에서 발표한 2008년 “제4차 전력수급계획”과 한국전력공사의 “2008년도판(2007년 실적) 한국전력통계를 근거로 하여 발전설비별 용량, 설비효율, 설비수명, 전력공급비율, 연도별 설비증감, 전력 수요예측량을 토대로 하였다. 또한 설비별 발전량을 예측하기 위하여 전력공급 시스템을 에너지경제모형의 Merit Order기능을 이용하여 구현하였고 본 연구에서는 석탄. 원자력, 신재생 발전설비의 Merit Order를 1로 입력하였다.
원전설비의 연료가 되는 우라늄이 비교적 고르게 매장 되어있고, 연료소요가 소량으로 수송 및 비축이 용이하며, 비상시 가격급등, 수금불안 요인이 적어 에너지 안보 측면에서 유리할 뿐만 아니라 발전원가가 저렴하여 매우 경제적인 에너지로써 설비 비중을 2008년 26%에서 2030년 41%으로 증가시키려는 계획을 가지고 있다[6]. 또한 신재생에너지는 경제성만 확보가 된다면 투자대비 보급률을 높일 수 있고 에너지 자립을 위한 대안으로 신재생에너지 보급 확대 필요성이 대두되면서 신재생에너지 보급률을 11%까지 증가시키겠다는 목표를 내세웠다. 우리나라 경우 현재 신재생에너지 보급 중 많은 부분이 전환부문이므로 11%를 발전설비 증가라고 가정하였다.
본 연구에서는 신고유가시대와 온실가스 감축환경에 대응하기 위한 국가에너지기본계획에 따라 그 예측치를 보고자 기존설비 대비 2010년 이후로 2030년까지 원자력발전설비와 신재생발전설비를 확대하였을 경우 설비별 발전량의 변화와 온실가스 배출량 변화를 LEAP 모델을 이용하여 정량적으로 분석하였다.
본 연구에서는 이 계획안을 바탕으로 하여 원자력 및 신재생 발전설비 확대에 따른 환경적 영향을 에너지 · 경제 모델인 LEAP(Long-range Energy Alternatives Planning system)을 이용하여 분석하고 그 유효성을 평가하여 보았다.
가설 설정
대안시나리오 Ⅰ-Ⅱ는 유연탄 발전을 원자력발전과 신재생에너지발전설비로 대체하는 것으로 가정하였고 대안시나리오 ⅲ-Ⅳ는 LNG발전을 원자력발전과 신재생에 너지발전실비로 대체하는 것으로 가정하였다. 또한 대안 시나리오V는 대안시나리오 I-W를 통합한 시나리오로 유연탄 발전과 LNG발전을 원자력과 신재생에너지발전 설비로 동시에 대체하는 것 가정하였다.
대안시나리오는 기존 발전설비중 유연탄과 LNG 발전설비에서 화석연료를 사용하지 않은 원자력과 신재생 에너지 발전설비로 대체되는 것으로 가정하였다.
우리나라 발전설비별 발전용량, 발전량 및 전력 수요량은 2008년 12월 지식경제부에서 발표한 “제4차 전력 전력수급기본계획”에 따라 2022년까지 산정하였고 2023년부터 2030년 까지는 2020년 이후로 동일하다고 가정하였다. 또한 각 발전시스템의 기본 특성은 한국전력공사에서 발표한 2008년도판(2007년실적) 한국전력통계의 설비별 기술특성 자료를 사용하여 2030년까지 기술특성이 동일하다고 가정하였다.
대안시나리오 Ⅰ-Ⅱ는 유연탄 발전을 원자력발전과 신재생에너지발전설비로 대체하는 것으로 가정하였고 대안시나리오 ⅲ-Ⅳ는 LNG발전을 원자력발전과 신재생에 너지발전실비로 대체하는 것으로 가정하였다. 또한 대안 시나리오V는 대안시나리오 I-W를 통합한 시나리오로 유연탄 발전과 LNG발전을 원자력과 신재생에너지발전 설비로 동시에 대체하는 것 가정하였다. 대표년도 별로 대체되는 원자력과 신재생에너지 발전설비 용량을 Table 4에 나타내었다.
LEAP에서의 총 발전량은 수요모듈의 전력수요량에 따라 변하기 때문에 수요모듈과 실제 전력수요와의 차이로 인하여 LEAP 구조상의 발전량은 실제 발전량보다 작을 수 있다. 발전설비 중 유연탄 + 원자력 + 신재생발전 설비에서 생산된 전력은 가장 우선적으로 사용(기저부하)한다고 가정하였다. 또한 LEAP에서 이용한 온실가스 배출량 산출방법은 모델내부에서 개정된 IPCC 1996 가이드라인의 Tier 1 방법론에서의 배출 계수를 포함하고 있어 자동적으로 계산되므로 온실가스 배출량을 일관된 방법론으로 산정한다.
또한 신재생에너지는 경제성만 확보가 된다면 투자대비 보급률을 높일 수 있고 에너지 자립을 위한 대안으로 신재생에너지 보급 확대 필요성이 대두되면서 신재생에너지 보급률을 11%까지 증가시키겠다는 목표를 내세웠다. 우리나라 경우 현재 신재생에너지 보급 중 많은 부분이 전환부문이므로 11%를 발전설비 증가라고 가정하였다. 따라서 2008년 2.
우리나라 발전설비별 발전용량, 발전량 및 전력 수요량은 2008년 12월 지식경제부에서 발표한 “제4차 전력 전력수급기본계획”에 따라 2022년까지 산정하였고 2023년부터 2030년 까지는 2020년 이후로 동일하다고 가정하였다.
제안 방법
BAU 시나리오에서 구축한 기존 발전설비를 Table 4에서 나타낸 용량만큼의 원자력과 신재생에너지 발전설비로 대체하였을 경우 그에 따른 발전설비별 전력 발생량과 BAU 시나리오와 비교한 온실가스 배출 잠재량을 분석하였다.
또한 묘사씨나리오에 “제1차 국가에 너지본계획”의 목표에 도입하여 대안 시나리오 I-V를 작성하였고 이를 통하여 발전량 및 온실가스 배출량을 정량적으로 예측하여 결과를 얻을 수 있는 체계를 갖추 었다.
또한 방법론적으로는 계량경제 모형에 속하며, 에너지부문과 이에 영향을 주는 요인음 몇 개의 모듈로 나누어 하나의 분석시스템으로 구축하는 '모듈팩키지'(modular package) 형태를 띄고 있다. 본 연구에서 개발하는 상향모형은 UNFCCC의Technology Information Clearing IIouse(TT: Clear)에서 대표적인 온실가스 저감옵션 분석모형 중에 하나로 소개하고 있는 LEAP(Long-range Energy Alternatives Planning) 모형 구축 시스템을 기반으로 구축된다. LEAP 모형구축 시스템은 분석 대상 에너지 부문을 에너지의 생산/수입, 전환 수요 등을 묘사하는 모듈로 구축하여 에너지정책이나 기술변화의 파급효과불 분석할 수 있다[7].
본 연구에서 사용하는 LEAP ROK2007은 2007년을 기준으로 구축되었으며 2010년-2030년 기간을 대상으로 발전부문 설비대체에 따른 영향을 분석하였다.
사실성 있는 모형의 구축을 위하여 산업자원부에서 발표한 2008년 “제4차 전력수급계획”과 한국전력공사의 “2008년도판(2007년 실적) 한국전력통계를 근거로 하여 발전설비별 용량, 설비효율, 설비수명, 전력공급비율, 연도별 설비증감, 전력 수요예측량을 토대로 하였다.
ROK2007은 우리나라의 에너지부문을 가정, 산업. 수송, 가정 및 공공부문을 포함하는 에너지수요와 발전, 지역난방, 도시가스 생산 등을 포함하는 전환부문으로 구분하여 묘사하였다. 각 에너지는 전환부문을 거치거나 직접적으로 최종소비부문에 전달되며, 이때 각 과정에서 의 연료소비량은 세부 기술들의 기술적 특성에 따라 결정된다.
6에 나타내었다. 우선 LEAP모델 ROK2007을 구축하기 위하여 기준 년도를 2007로 하여 각 부문별 에너지수요 및 전환 부문의 data base를 작성하였고 정부에서 발표한 기존의 여러 통계를 이용하여 2010년-2030년까지 BAU 시나리 오를 작성하였다. 또한 묘사씨나리오에 “제1차 국가에 너지본계획”의 목표에 도입하여 대안 시나리오 I-V를 작성하였고 이를 통하여 발전량 및 온실가스 배출량을 정량적으로 예측하여 결과를 얻을 수 있는 체계를 갖추 었다.
대상 데이터
본 연구는 2005년을 기준으로 하여 2010년부터 2030 년까지 전환부문의 발전량과 온실가스 배출량을 예측하였다. 우리나라 발전설비별 발전용량, 발전량 및 전력 수요량은 2008년 12월 지식경제부에서 발표한 “제4차 전력 전력수급기본계획”에 따라 2022년까지 산정하였고 2023년부터 2030년 까지는 2020년 이후로 동일하다고 가정하였다.
이론/모형
BAU 시나리오의 기존 발전설비전망은 제4차 전력 전력수급기본계획에 따라 구축하였다.
본 연구에서 사용되는 모델은 에너지 수요 및 공급 결정을 상향모형(bottom-up model)으로 하고 있다. 이 모형의 특징은 경제내의 기술적 잠재력과 에너지 공급 기술을 체적으로 정의하여 다양한 대체기술이 비용조건과 에너지공급에 미치는 영향을 분석할 수 있다.
본 연구에서 사용함 LEAP 모형구축은 에너지경재모형이다. 에너지경제모형의 가장 큰 장점은 에너지부문을 거시계량모형이나 응용일반균형모형처럼 하나 혹은 몇 개의 집계변수를 봉해 표현하는 것이 아니라 각 최종사용 부분의 에너지소비/전환과정에 포함된 기술을 세부적으로 묘사한다는 점이다.
성능/효과
구축한 ROK2007에서 주요 에너비소비 분야의 결과 값을 Table 5에 나타내었다. 그 결과들을 보면 산업부문에서 가장 많이 에너지를 소비하고 있으며 우리나라의 에너지소비가 2030년까지 계속 증가하는 추세임을 알 수 있다. 이는 우리나라의 산업구조가 에너지 다소비형이고 이뿐만이 아니라 우리나라의 에너지수요 또한 아직 화석연료에 많이 의존하고 있으므로 이를 줄이기 위해 대체에너지 및 신재생에너지 보급의 필요성이 점점 커지고 있다.
특히 원자력발전설 비의 확대에 따른 기존설비(유연탄과 LNG발전)의 대체 시, 기존설비를 2030년까지 보급할 경우(BAU) 보다 온실가스 저감량에서 눈에 띄는 차이가 있음을 볼 수 있었다. 그리고 대안시나리오V와 같이 원자력과 신재생발전 설비를 동시에 확대하였을 경우 온실가스 배출량이 현저히 작아짐을 보였다.
대안 시나리오 I 는 유연탄 발전을 원자력 발전설비로 대체하여 확대하였다고 가정한 것으로 BAU 시나리오의 유연탄과 원자력 발전설비의 발전량과 비교해 2030 년을 기준으로 유연탄의 발전량은 293,007 GWh로 29.3% 감소하였으나, 원자력의 발전량은 59,850 GWh 증가하여 감소된 전력발생량을 충족함을 볼 수 있다.
대안 시나리오 V는 유연탄 발전과 LNG발전을 원자력과 신재생에너지 발전설비로 대체하여 확대하였다고 가정한 것으로 BAU 시나리오의 유연탄, LNG발전과 원자력, 신재생에너지 발전설비의 발전량과 비교해 2030 년 기준으로 유연탄 발전은 141,789 GWh로 30.5% 감소, LNG 발전은 116,009 GWh로 29.0% 감소하였으나, 원자력 발전량은 59,850 GWh 증가, 신재생에너지의 발전량은 50,033 GWh 증가하여 감소된 전력 발생량을 충족함을 볼 수 있다.
6% 감소하였으나, 원자력 발전량은 59,850 GWh 증가하여 감소된 전력 발생량을 충족함을 볼 수 있다. 대안 시나리오 W는 LNG 발전을 신재생에너지 발전 설비로 대체하여 확대하였다고 가정한 것으로 BAU 시나리오의 LNG과 신재생에너지 발전설비의 발전량과 비교해 2030년을 기준으로 LNG의 발전량의 113,504 GWh로 30.5% 감소하였으나, 신재생에너지의 발전량은 50,033 GWh 증가하여 감소된 전력 발생량을 충족함을 볼 수 있다.
대안 시나리오 피는 LNG 발전을 원자력 발전설비로 대체하여 확대하였다고 가정한 것으로 BAU 시나리오의 LNG와 원자력 발전설비의 발전량과 비교해 2030년을 기준으로 LNG의 발전량은 103,508 GWh로 36.6% 감소하였으나, 원자력 발전량은 59,850 GWh 증가하여 감소된 전력 발생량을 충족함을 볼 수 있다. 대안 시나리오 W는 LNG 발전을 신재생에너지 발전 설비로 대체하여 확대하였다고 가정한 것으로 BAU 시나리오의 LNG과 신재생에너지 발전설비의 발전량과 비교해 2030년을 기준으로 LNG의 발전량의 113,504 GWh로 30.
우리나라 경우 현재 신재생에너지 보급 중 많은 부분이 전환부문이므로 11%를 발전설비 증가라고 가정하였다. 따라서 2008년 2.5%의 신재생에너지발전설비를 11%까지 대체되는 것으로 고려하였다.
또한 BAU 시나리오의 설비별 발전량을 토대로 유연탄과 LNG발전의 단위 발전량당 온실가스 배출량을 구할 수 있는데 2030년 기준으로 그 값은 각각 0.85 kgCO2/kWh, 0.51 kgCO2/kWh로 원자력이나 신재생에너지 발전설비 확대에 따라 기존설비를 대체 할시 유연 탄발전을 대체할 경우 온실가스 저감효과가 크다는 결론을 내릴 수 있다.
설비로 대체하여 확대하였다고 가정한 것으로 BAU 시나리오의 유연탄과 신재생에너지 발전설비의 발전량과 비교해 2030년을 기준으로 유연탄의 발전량의 154,291 GWh로 24.4% 감소하였으나, 신재생에너지의 발전량은 50,033 GWh 증가하여 감소된 전력 발생량을 충족함을 볼 수 있다.
위의 결과에서도 알 수 있듯이 국가에너지기본계획의 원전설비의 확대가 타당성이 있음을 확인 할 수 있었고, 온실가스 감축에 큰 기여를 할 것이라고 예상되어 진다. 또한, 현재 우리나라에서는 신재생에너지 보급률이 다른 나라에 비하여 많이 부족한 상황이다.
Table 3은 정부에서 발표한 예측치를 나타낸 것으로 각 부분별로 그 추이를 비교하여 보면 그 수치들이 근사함을 알 수 있다. 최종에너지(TFE, Total Final Energy)를 기준으로 하여 평균 4.37%의 오차율을 보였다.이를 통해 앞으로 시나리오 별 결과 분석에서 어느 정도 타당성이 있음을 보여준다.
8%로 예측되었다. 특히 원자력발전설 비의 확대에 따른 기존설비(유연탄과 LNG발전)의 대체 시, 기존설비를 2030년까지 보급할 경우(BAU) 보다 온실가스 저감량에서 눈에 띄는 차이가 있음을 볼 수 있었다. 그리고 대안시나리오V와 같이 원자력과 신재생발전 설비를 동시에 확대하였을 경우 온실가스 배출량이 현저히 작아짐을 보였다.
후속연구
지형여건과 경제성에서 아직 많은 연구가 진행 되어져야 하지만 온실가스 감축을 감안한다면 앞으로 환경정책에 변화를 줄 때 좋은 대안으로 이용 될 수 있을 것으로 사료된다. 그러나 LEAP 모델의 특성상 과거 행태를 분석하여 미래를 전망한 결과 값이기 때문에 정확한 결과 값에 의미를 두기보단 각 시나리오별 가정대로 기술들을 대체하였을 경우, 그 영향에 대한 분석이라는 의미로 접근하여야 할 것이다.
또한, 현재 우리나라에서는 신재생에너지 보급률이 다른 나라에 비하여 많이 부족한 상황이다. 지형여건과 경제성에서 아직 많은 연구가 진행 되어져야 하지만 온실가스 감축을 감안한다면 앞으로 환경정책에 변화를 줄 때 좋은 대안으로 이용 될 수 있을 것으로 사료된다. 그러나 LEAP 모델의 특성상 과거 행태를 분석하여 미래를 전망한 결과 값이기 때문에 정확한 결과 값에 의미를 두기보단 각 시나리오별 가정대로 기술들을 대체하였을 경우, 그 영향에 대한 분석이라는 의미로 접근하여야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LEAP 모형의 시스템은 어떻게 구성되는가?
또한 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)에서 제시하는 광범위한 온실가스 관련 계수DB를 포함하고 있기 때문에 Tieri1을 비롯한 다양한 온실가스 추계방법론의 적용이 가능하다[8]. LEAP 모형의 시스템은 크게 Energy scenario, Environmental data base,Aggregation Fuel chian 4가지 모듈로 구성 된다. 이들 모듈은 에너지부문을 구성하는 자연자원, 변화과정, 최종에너지, 그리고 최종에너지수요 등을 묘사 할 수 있다.
LEAP 모형은 어디에서 개발되었는가?
LEAP 모형은 Stockholm Environmental Institute에서 개발된 모형으로 에너지수요와 공급의 양 측면에서 기술변화를 분석하여 에너지소비, 비용 및 오염배출량 변화를 평가한다. 다른 모형과는 달리 분석대상에 따라 에 너지부문의 구성과 변수의 집계수준을 신축적으로 조정 하여 모형을 설정할 수 있는 장점이 있으며, 이용되는 외생변수들의 변화를 시간추세 등 다양한 함수를 통해 묘사할 수 있다.
LEAP 모형이 다양한 온실가스 추계방법론의 적용이 가능한 이유는 무엇인가?
다른 모형과는 달리 분석대상에 따라 에 너지부문의 구성과 변수의 집계수준을 신축적으로 조정 하여 모형을 설정할 수 있는 장점이 있으며, 이용되는 외생변수들의 변화를 시간추세 등 다양한 함수를 통해 묘사할 수 있다. 또한 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)에서 제시하는 광범위한 온실가스 관련 계수DB를 포함하고 있기 때문에 Tieri1을 비롯한 다양한 온실가스 추계방법론의 적용이 가능하다[8]. LEAP 모형의 시스템은 크게 Energy scenario, Environmental data base,Aggregation Fuel chian 4가지 모듈로 구성 된다.
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