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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 2005년 현재의 에너지가격이 유지될 경우와 2040년까지 가격이 지속적으로 상승할 것이라는 전망을 반영한 시나리오적 접근을 통해 서로 다른 상황에서의 수소에너지 채택의 효과를 분석 하였다.
- 본 연구에서는 이러한 점을 고려하여, 미래 수소생산기술의 특성에 대해 신뢰할 수 있는 전망을 포함하고 있다고 판단되는 자료들을5-7) 비교검토 하여 분석의 기초자료를 정의하였다.
- 본 연구에서는 이처럼 현재 대부분 기술개발 단계에 있는 수소에너지기술들의 미래 개발에 대해 기술적, 비용적 특성을 전망한 자료들을 비교 검토 하여, 신뢰성, 본 분석의 목적과 분석모형에서 요구하는 자료의 필요성을 충족시킬 수 있는 자료를 선정하여 분석을 수행하였다.
- 분석결과에서 기준유가와 고유가시나리오그룹 사이에 이산화탄소 배출량이 차별화가 되지 않는 것은 본 연구가 순수한 기술의 비용경쟁력에 기반을 둔 수소기술 채택효과 분석을 수행하지 않고, 외생적으로 주어진 기술채택 수준과 구성하에서의 효과를 분석하기 때문이다. 이는 현재 전망되는 수소기술의 비용 수준이 기존 기술대안에 비해 너무 높은 수준으로, 비용경쟁력을 기준으로 최적화할 경우, 수소기술의 채택이 전혀 이루어지지 않기 때문이다.
가설 설정
- H2, 그리고 김봉진 외(2008)18)에서의 수소생산기술 중 가장 비용이 많이 소요되는 기술 중 하나로 알려 진 하수슬러지를 이용한 발효에 의한 수소생산비용 경제성 평가결과로 제시된 약 5 $/kg.H2,와 비교할 때 적절한 수준의 결과로서 판단된다.
제안 방법
- 고에너지가격시나리오 그룹 역시 3개 세부시나리오로 구성하였으며, 수송-고에너지가격시나리오 (H2TCOSTA), 수소-기준-고에너지가격시나리오 (H2TCOSTB), 수소-원자력-고에너지가격시나리오(H2TCOSTC)는 에너지가격 이외에는 기준에너지가격 시나리오그룹의 세부시나리오의 동일한 전제를 적용하였다.
- 먼저, 전체 시스템은 수송부문의 전통적인 내연 기관(ICE)과 미래에 채택 가능한 수소연료전지자 동차(HFCV)를 기준으로 하여, 이들에 요구되는 다양한 연료의 공급 흐름을 포함하는 범위를 경계로 하였다. 이는 분석시스템내에서 ICE와 HFCV 간의 경쟁과 대체관계, 그리고 이를 통한 파급효과를 분석하기 위한 것이다.
- 미래 분석기간에도 Table 11과 같은 2005년의 에너지가격이 유지될 것으로 전망한 시나리오이며, 세부적으로는 수소에너지를 도입하지 않았을 때와 도입했을 때를 반영한 세 가지 시나리오로 구분하였다.
- 본 분석의 수소 수송기술에는 중앙집중형 대량 수소생산과 연계하여 가스상태의 수소를 수송하기 위한 파이프라인, 중간규모의 바이오매스를 이용하여 생산한 액체 수소와 연계된 탱커트럭 두 가지 기술을 포함하였다
- 본 연구는 우리나라의 미래 에너지시스템에서 수소에너지관련 기술을 채택할 경우, 이에 따른 이산화탄소 배출, 비용, 그리고 에너지소비에 미치는 효과를 수송분야의 승용차부문을 대상으로 장기 동태적 에너지시스템모형인 MARKAL을 적용하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 2000년대 들어 지구온난화와 에너지안정도, 그리고 고유가 등에 대응한 유력한 대안으로 부각되고 있는 수소에너지를 2015-2040년 동안 국내 승용차부문에 도입하였을 경우, CO2배출, 비용, 그리고 에너지소비에 미치는 영향을 현재 세계적으로 널리 사용되고 있는 에너지시스템 모형인 MARKAL을 이용하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 미래 수소에너지의 경쟁력과 비용효과에 가장 큰 영향을 미치는 에너지가격을 기준으로 크게 2개의 시나리오 그룹을 설정하였다.
- 분석시스템의 에너지원 구성은 수소와 관련하여 석탄, 우라늄, 천연가스, 전기, 태양광, 풍력, 바이오매스를 고려하였다.
- 분석에 적용된 기술의 특성치 중 비용, 에너지소비, 이용율은 US national research council and national academy of engineering(2004)6)에서 제시하고 있는 값을 본 연구의 분석모형인 MARKAL의 데이터 특성에 맞게 단위 등을 재가공한 것이다.
- 의 계획기간을 반영한 것이다. 분석주기는 5년 단위, 즉 2040년까지 총 8개의 시간주기(time priod)로 구분하였다.
- 설계는 시스템분석을 위한 수소기술에 대한 전반적인 현황 및 전망 분석을 바탕으로 하였다.
- 수소 저장, 즉 수소스테이션에는 중앙집중-파이 프라인과 연계된 기체상태의 수소를 기반으로 한 스테이션, 바이오이용 액체수소생산-탱커트럭과 연계된 액체수소기반 스테이션으로 구분 정의하였다. 주요 자료원 및 처리방법은 수소생산기술과 동일한 방법을 적용하였다(Table 5).
- 수소생산기술로는 중앙집중 대량생산기술로 석탄가스화, 원자력이용, 천연가스개질, 그리고 전기를 이용한 물분해를 포함하였으며, 석탄과 천연가스 기술에는 CCS 채택여부에 따라 기술을 다시 구분하였다.
- 수소생산기술의 구성은 국내 경제 및 기술개발 현황을 등을 종합하여 기술의 구성을 전망한 관련 연구자료10)에서 제시한 비율을 기준으로 본 연구에서 고려하고 있는 생산기술의 종류를 반영하여 재구성하였다(Table 15).
- 수소에너지기술의 기술특성, 채택 가능시점, 비용 등에 대한 상세한 자료 분석과 시스템적인 분석방법을 통해 미래 에너지시스템에서 수소기술의 역할에 대한 정량적인 분석을 수행하였다.
- 수소에너지의 최종 이용분야로 설정한 수송분야 중 도로부문의 2040년까지 미래 에너지수요는 정부에서 2005년 발표한 수소경제마스터플랜9)의 후속 연구로서 관련 전문 연구기관에서 수행한 연구결과10)에서 제시된 전망치를 적용하였다. 동 연구결과에서는 도로부문 에너지소비를 수송수단별로 자가용승용, 자가승합, 택시, 영업승합, CNG버스, 화물로 구분하고 있으며, 2005년 28,029천TOE에서 2040년 44,417천TOE에 달할 것으로 전망하고 있다.
- 수송기술로는 파이프라인과 트럭을 반영하였다. 수소저장, 즉 수소스테이션은 파이프라인으로부터 의 기체 수소, 트럭과 연계한 액체수소 저장 및 분배 기술을 고려하였다. Fig.
- 이를 위해 국내 에너지기술분야의 대표적인 자료원인 ‘에너지기술DB’8)에서 포함하고 있는 2003년 기준의 세부 수송수단별 보급현황을 적용하여 수송수단과 에너지수요의 재정의 작업을 수행하였다. 수송수 단별 구분을 기술적 특성을 고려하여 승용차(자가용, 택시), 승합차(자가/영업승합, CNG버스), 화물차로 재분류하였으며, 각각에서 휘발유, 경유 등의 연료원별로 수요를 세분화하였다. Table 7에서 Table 9는 각각의 수송수단별/연료별 에너지수요 전망 정의 내용을 나타낸 것이며, Table 10은 각 수송수단별 총 수요를 종합한 것이다.
- 이를 위해 국내 에너지기술분야의 대표적인 자료원인 ‘에너지기술DB’8)에서 포함하고 있는 2003년 기준의 세부 수송수단별 보급현황을 적용하여 수송수단과 에너지수요의 재정의 작업을 수행하였다.
- 주요 자료원 및 처리방법은 수소생산기술과 동일한 방법을 적용하였다(Table 4).
- 수소 저장, 즉 수소스테이션에는 중앙집중-파이 프라인과 연계된 기체상태의 수소를 기반으로 한 스테이션, 바이오이용 액체수소생산-탱커트럭과 연계된 액체수소기반 스테이션으로 구분 정의하였다. 주요 자료원 및 처리방법은 수소생산기술과 동일한 방법을 적용하였다(Table 5).
- MARKAL모형 은 외생적으로 주어지는 수요를 최소 비용으로 만족시킬 수 있는 에너지기술의 구성, 에너지 및 원료의 구성을 도출하며, 이 과정에서 온실가스 배출량과 같은 환경영향을 동시에 산출해 준다. 즉, 외생적으로 정의된 제품 및 서비스 수요와 온실가스 배출 감축과 같은 목표를 만족시킴과 동시에 전체 계획 기간 동안 총비용을 최소화할 수 있는 에너 지기술시스템의 구성을 최적화한다.
- 한편, 도로부문 수송수단 중 승합차와 화물차에 대해서는 이산화탄소 감축효과 등 결과의 비교를 위해서 기존 연료와 기술구성만을 사용하는, 즉 기술 대체를 고려하지 않은 에너지흐름만을 반영하였다.
대상 데이터
- 기술의 수명은 UKSHEC7)의 자료를 적용하였다. 연료가격은 국내 가격을 적용하였으며, 에너지 가격 산출에 대한 상세한 설명은 전제사항에서 제시한다.
- 의 수립에 반영되었으며, 세계적으로 신뢰성을 인정 받고 있는 미국 에너지성(DOE)의 에너지정보국 (EIA)에서 2008년에 발표한 2030년까지 장기 유가 전망의 고유가전망을 기준으로 적용하였다. 동 전망에서 유가는 2030년에 배럴 당 185.7달러까지 상승을 전망하였으며, 본 연구에서는 상승추이를 반영하여 2040년까지 확장하여 분석에 적용하였다. 석탄 등 타 에너지의 가격은 유가와 연동되어 같은 비율로 상승한다는 전제를 적용하였으나, 태양광, 풍력과 같은 재생에너지원으로부터의 전력생산 가격은 오히려 미래에 감소할 가능성이 높으므 로 2005년 현재의 기준이 유지되는 것으로 전제하 였다(Table 17).
- 본 연구는 수소의 생산으로부터 수송, 저장, 그리고 이용기술로 이루어지는 수소에너지기술시스템을 분석의 대상에 포함하며, 실제 수소 이용기술의 적용분야로는 수송분야의 승용차부문을 대상으로 하였다. 이용분야로 수송분야를 선택한 것은 수소에너지가 발전용, 산업용, 가정용, 수송용 등으로 폭 넓게 적용될 수 있으나, 자동차 중심의 수송용 적용이 기술적인 조기 실현가능성 및 효과 측면에서 가장 큰 주목을 받고 있음을 고려한 것이다.
- 분석기간은 2005년을 기준으로 2040년까지로 설정하였으며, 이는 발표된 정부의 ‘수소경제 마스 터플랜’9)의 계획기간을 반영한 것이다.
- 수소 이용기술로서 기존 내연기관(ICE)승용차, 전기자동차 및 하이브리드자동차, 그리고 HFCV를 고려하였다. 연비 및 가격은 국내에서 사용하고 있는 기존기술 및 신기술에 대한 자료 중 가장 신뢰할 수 있다고 판단되는 ‘에너지기술DB’8)의 자료를 활용하였다(Table 6).
- 수소의 이용기술 중에서는 미래 수소경제 실현의 가장 유력한 핵심기술로 현재 전망되고 있는 고분자전해질연료전지(PEMFC)를 이용한 수소연 료전지자동차(HFCV)의 적용을 고려하였다.
- 수송기술로는 파이프라인과 트럭을 반영하였다. 수소저장, 즉 수소스테이션은 파이프라인으로부터 의 기체 수소, 트럭과 연계한 액체수소 저장 및 분배 기술을 고려하였다.
- 연비 및 가격은 국내에서 사용하고 있는 기존기술 및 신기술에 대한 자료 중 가장 신뢰할 수 있다고 판단되는 ‘에너지기술DB’8)의 자료를 활용하였다(Table 6).
데이터처리
- 결과로 제시한 비용은 분석결과로 MARKAL모형에서 도출되는 수소를 채택하지 않았을 때와 채택 하였을 때의 총시스템비용의 차이를 가지고 산출한 것이다. 총시스템비용에는 앞서 분석모형에서 설명하였듯이, 기술에 대한 투자비용, 고정/변 동유지비용, 연료 및 원료비용 등 모든 비용이 반영된 것이다.
이론/모형
- 경유의 바이오디젤 혼합율은 국가에너지기본계획16)의 계획을 반영하였으며, 혼합율에 따라 이산화탄소 배출계수를 조정하여 적용하였다(Table 13).
- 고 에너지가격 전망은 국가에너지기본계획16)의 수립에 반영되었으며, 세계적으로 신뢰성을 인정 받고 있는 미국 에너지성(DOE)의 에너지정보국 (EIA)에서 2008년에 발표한 2030년까지 장기 유가 전망의 고유가전망을 기준으로 적용하였다. 동 전망에서 유가는 2030년에 배럴 당 185.
- 본 분석에서는 현재 국제적으로 온실가스 배출 통계 작성에 적용되고 있는 IPCC guideline 1996 의 연료별 이산화탄소 배출계수를 적용하였다.
- 에너지가격은 Table 11에서와 같이 2005년의 국내 시장 시장가격을 적용하였다.
- 에너지원별 발열량은 2006년 9월에 에너지기본법 시행규칙으로 공표된 에너지열량 환산기준의 순발열량을 기준으로 적용하였다.
성능/효과
- 분석결과, 승용차부문에서의 수소에너지기술의 채택에 의해 2040년을 기준으로 수송분야 배출의 21.5% 정도의 CO2 배출을 감축할 수 있으나, 비용은 현재의 에너지가격의 수준이 지속될 경우 118 조원, 고에너지가격 전망하에서는 78조원 정도의 추가비용이 필요한 것으로 분석되었다.
- 본 연구에서의 할인율은 최근의 전원계획 수립 등 에너지분야의 계획수립에 보편적으로 적용되고 있는 7%를 적용하였다.
- 분석결과로 도출한 수소에너지의 총 한계비용은 시나리오 및 분석기간에 따라 12.04 $/GJ.H2(1.59 $/kg.H2)에서 46.76 $/GJ.H2(6.17 $/kg.H2)의 수준으로 추정되었으며, 수소가 도입되는 2015-2040년 동안의 평균한계비용은 14.39 - 18.35 $/GJ.H2(1.90 - 2.42 $/kg.H2) 이었다(Table 19).
- 수소에너지기술의 채택을 통하여(H2TBASEB, H2TBASEC, H2TCOSTB, H2TCOSTC), 최종에너지 기준으로 2040년에 약 15.5% 정도의 에너지 소비 감소 효과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다 (Fig. 3). 이러한 감소효과는 수소에너지이용기술 인 HFCV와 전통적인 내연기관자동차간의 효율 차이에 의한 것이다.
- 5% 감소하였다. 원자력이용 수소생산기술을 추가로 반영할 경우(H2TBASEC) 배출량은 99,316 천톤 CO2으로서 21.54%의 감축이 가능할 것으로 분석 되었다. 수소도입시나리오에서의 배출량은 수송분야 배출량 이외에 수소 생산과정의 배출을 포함하고 있다.
- 한편, 수소생산과정에서의 이산화탄소 배출은 모든 시나리오하에서 2040년에 2,000-2,200천톤CO2 수준이었으며, 전체 배출에서 차지하는 비중은 2% 내외인 것으로 분석되었다.
- 향후 미래 국내 수송분야 도로부문에서 수소기술을 채택을 고려하지 않고, 현재의 기술의 종류 및 에너지사용비중을 유지할 경우(H2BASELN), 이산화탄소 배출은 2005년 82,964.8천톤CO2에서 연평균 1.21% 증가하여 2040년에는 2005년의 2.5 배에 이르는 126,579.5천톤 CO2에 달할 것으로 본 분석을 통해 전망되었다.
후속연구
- 한편, 본 연구는 수소의 이용분야로 승용차만을 한정함으로써 충분한 규모의 경제를 반영하지 못하여 수소에너지의 잠재력이 실제보다 낮게 평가 될 수 있는 한계를 갖고 있다. 또한 국내의 기술수 준 및 전망에 관한 자료부족에서 오는 분석 기초 자료의 한계, 그리고 미래에 대한 전제와 가정에 적지 않은 불확실성이 존재하며, 이러한 것은 향후 지속적인 노력을 통해 해결해 나가야 할 과제들이다.
- 본 연구는 수소의 생산으로부터 이용에 이르기까지 에너지시스템적인 측면에서 수소에너지 도입의 효과를 분석한 것에 큰 의미가 있으며, 향후 본 연구를 통해 구축된 MARKAL을 이용한 수소 에너지 도입 파급효과 분석모형은 국내 수소기술 개발 계획수립, 수소의 에너지환경 파급 효과분석 연구 및 관련 정책분야에 활발히 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
- 본 연구의 결과로 제시될 미래 수소기술의 채택에 의한 환경, 비용, 에너지효과, 그리고 분석방법은 향후 비용효과적인 수소에너지 기술개발과 인프라구축, 보다 빠른 수소경제 실현방안 탐색 등에 관한 의사결정 과정의 불확실성을 줄이는데 기여 할 수 있을 것으로 판단한다.
- 이러한 결과는 현재 전망되는 기술 및 비용 수준에서는 수소에너지기술이 충분한 비용경쟁력을 갖지는 못하는 의미로 해석할 수 있으나, 향후 보다 강화된 R&D 수행에 따른 기술개발의 진전과 에너지자원의 한계 및 가격 상승, 보다 강한 환경 규제 가능성을 고려한다면 충분히 경쟁력을 확보 할 수 있을 것으로 판단된다.
- 한편, 본 연구는 수소의 이용분야로 승용차만을 한정함으로써 충분한 규모의 경제를 반영하지 못하여 수소에너지의 잠재력이 실제보다 낮게 평가 될 수 있는 한계를 갖고 있다. 또한 국내의 기술수 준 및 전망에 관한 자료부족에서 오는 분석 기초 자료의 한계, 그리고 미래에 대한 전제와 가정에 적지 않은 불확실성이 존재하며, 이러한 것은 향후 지속적인 노력을 통해 해결해 나가야 할 과제들이다.
- 한편, 본 연구에서는 상세한 기술적 접근을 통한 수소에너지 채택효과를 분석하기 위해 기술적으로 한 단계 더 세분화된 연료별 구분(예; 휘발유 승용차)이 반영된 수요전망이 필요하다. 이를 위해 국내 에너지기술분야의 대표적인 자료원인 ‘에너지기술DB’8)에서 포함하고 있는 2003년 기준의 세부 수송수단별 보급현황을 적용하여 수송수단과 에너지수요의 재정의 작업을 수행하였다.
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