[논문]동적 이용률을 고려한 수소충전소 사업의 경제성 분석

김봉진

doi:10.7316/khnes.2017.28.1.47

동적 이용률을 고려한 수소충전소 사업의 경제성 분석
An Economic Analysis of the Hydrogen Station Enterprise Considering Dynamic Utilization 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.28 no.1, 2017년, pp.47 - 55

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This paper deals with the after-tax economic feasibility analysis of the hydrogen fueling station considering dynamic utilization. We selected an off-site hydrogen station in which the hydrogen is supplied by a central by-product hydrogen plant as a case study. Also, we made some sensitivity analysis by changing input factors such as the discount rate, the hydrogen station construction cost, the hydrogen demand and the hydrogen sale price. As a result, the hydrogen station will not be economical in 2020 due to the relatively high price of the hydrogen station construction cost and the low price of hydrogen sale price. In order to realize the economic feasibility of the hydrogen station in the early stage of the hydrogen economy, the subsidies on the annual operating cost as well as the construction cost are needed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

국내 HS의 보급목표를 달성하기 위해서는 민간 사업자의 참여가 필수적이며, 본 논문에서는 민간 사업자의 입장에서 수소경제 초기의 HS 사업의 경제성을 파악하고자 한다. 수소경제 초기에는 보급된 FCV 수가 적기 때문에 HS의 이용률이 낮으며, 시간이 경과함에 따라 FCV 수가 증가하여 HS의 이용률이 점진적으로 높아지는 동적인(dynamic) 특성을 보일 것으로 전망된다.
본 논문에서는 HS 사업자의 입장에서 수명 주기에 기초한 HS의 경제성을 분석하였다. HS의 경제성은 초기투자비, 연간 수입, 연간 운영비, 잔존 가치 등에 의해 결정된다.
본 논문에서는 수명주기에 기초한 NPV 분석방법을 이용하여 민간 사업자의 입장에서 HS 사업의 경제성 분석을 수행하였다. 수소경제 초기에는 HS의 이용률이 시간이 경과함에 따라 증가하는 동적인 이용률을 나타낼 것으로 예상되므로, 동적 이용률을 고려한 HS 사업의 경제성을 세후 경제성 평가방법에 의해 평가하였다.

가설 설정

HS 사업의 주요 수입은 수소에너지를 판매하여 얻는 수입이며, 본 논문에서는 기타 수입이 없는 것으로 가정하였다. HS의 연간 수소생산능력을 HSPC (hydrogen station production capacity), t년도의 이용률을 U_t로 표기할 때 t년도의 수소생산량 Q_t는 다음과 같은 관계식을 갖는다.
. 또한 2020년에는 투산 FCV의 연비가 85 km/kg으로 향상되는 것으로 가정하여, 투산 FCV의 1 대당 연간 수소 사용량을 194kg으로 추정하였다. 한편 2017년 1월 6일의 전국 주유소 평균 경유 판매가격인 1,292원/liter를 기준하면, 두 차량의 연간 연료비가 동일하게 되는 HS의 수소판매가격은 10,004원/kg이다.

제안 방법

2020년의 HS 1기당 평균 FCV 보급대수는 100대이므로 여기에 194 kg을 곱하여 HS 1기의 연간 수소 수요량(판매량)을 19,400 kg으로 추정하였다. 한편 HSSC가 400 kg/day인 HS의 연간 최대 수소 생산량(판매량)은 146,000 kg이므로 2020년의 HS 평균 이용률을 연간 수소 수요량 19,400 kg을 146,000 kg으로 나눈 13.
FCV 소유자의 입장에서 비교 대상이 되는 일반 차량의 연간 연료비보다 FCV의 연간 연료비가 저렴해야 하므로, 평가 기준이 되는 UHSP를 9,000원/kg으로 설정하였다. 또한 단위당 압축수소의 구입비용(UHPP: unit hydrogen purchase price)은 수소 생산지로부터의 거리와 구입량 등에 따라 차이가 있으나, 본 논문에서는 500원/Nm³를 기준하였으며 이를 환산하면 5,600원/kg이다.
수소경제 초기에는 보급된 FCV 수가 적기 때문에 HS의 이용률이 낮으며, 시간이 경과함에 따라 FCV 수가 증가하여 HS의 이용률이 점진적으로 높아지는 동적인(dynamic) 특성을 보일 것으로 전망된다. HS의 이용률은 HS의 실제 수소생산량을 최대 수소생산량으로 나눈 값으로 정의할 수 있으며, 본 논문에서는 HS의 이용률이 연도별로 다른 동적인 이용률을 가정하고, 경상가격을 기준한 세후 경제성 분석에 의해 HS 사업의 경제성을 평가하였다.
본 논문에서는 2020년 400 kg/일 수소 생산규모의 HS 건설에 소요되는 총 건설비 HSCC는 Kang 등의 연구결과를⁵⁾ 기준하여 약 26억 원, HS에 지원되는 정부 및 지자체의 보조금은 13억 원, 은행으로부터 융자금은 BL은 6.5억 원 등으로 설정하였다. 이러한 경우에 HS 사업자의 순 초기투자비 I는 식 (1)에 의해 6.
본 논문에서는 HS 사업의 경제성에 크게 영향을 줄 수 있는 할인율, 수소 판매가격, 수소 수요의 변화에 따른 수소충전소의 이용률, 수소충전소의 건설비용 등의 변화에 따른 HS 사업의 NPV와 IRR의 변화를 파악하였으며, 이러한 민감도 분석 수행결과를 각기 Table 7, Table 8, Table 9, Table 10 등에 수록하였다.
보수유지비는 수소충전소의 설비의 보수유지 및 검사 등에 소요되는 비용이며 시간이 경과하여 설비가 노후화함에 따라 보수유지비는 증가한다. 본 논문에서는 t년도의 연간 운영비를 O_t로 표기하였으며, 세후 경제성 분석을 위하여 t년도의 법인세는 T_t로 표기하고 기타 운영비에서 분리하여 별도의 항목으로 하였다.
또한 HS의 수명주기인 N 시점에서의 순현금 흐름을 나타내는 f_N은 일반적인 f_t에 잔존가치 S가 추가된 금액이다. 본 논문에서는 세후 분석방법에 의한 NPV 방법을 이용하여 HS 사업의 경제성을 분석하였으며, HS 사업의 할인율을 i로 표기하면 HS 사업의 NPV는 다음과 같다.
사이로 추정되고 있다. 본 논문에서는 수소경제 초기를 대상으로 하는 점을 고려하여 N을 15년으로 설정하였다. Table 1에는 HS 사업의 경제성 평가에 필요한 주요 변수들에 대한 추정치를 수록하였다.
3%로 추정하였다. 본 논문에서는 야간 시간 등에는 HS의 수소 수요가 충분하지 않은 점 등을 고려하여 HS의 최대 이용률을 90%로 한정하였다. Table 3에는 HSPC가 400 kg/day인 HS의 연도별 수소 생산량, 이용률, 연간 판매수입 등의 추정치를 수록하였다.
본 사례연구에서는 HS 사업의 초기 수입이 적은 점을 감안하여 감가상각법은 정액법을 적용하고 법정내용년수는 10년으로 설정하였다. D를 정액법을 적용한 감가상각비(depreciation)로 표기하면, 보조금을 제외한 HS 사업의 초기투자비는 1,300,000,000원이므로 D는 초기투자비를 법정내용년수인 10으로 나눈 값인 130,000,000원이다.
본 사례연구에서는 은행으로부터의 융자금 6.5억 원을 연간 이자율(IROL) 3%를 기준하여 10년간 동일한 금액으로 상환하는 것으로 설정하였다. 이러한 조건하에 t년도의 연간 원리금 상환액 RBL_t는 t = 1부터 t = 10까지 매년 동일한 약 76,180,000원이다.
제 2장에서는 민간 사업자의 입장에서 HS 사업에 대한 경제성을 분석하는 방법을 설명한다. 수소경제 초기에 HS의 이용률이 시간의 흐름에 따라 높아지는 동적인 이용률을 가정하여 경상가격을 기준한 세후 경제성 분석방법에 의해 HS 사업의 경제성을 분석한다. 제 3장에서는 사례연구로서 2020년을 대상으로 부생수소를 이용한 중앙집중형 HS를 연구대상으로 하여 HS 사업의 경제성을 분석하고 할인율, HSCC, 수소 판매가격, 수소 수요량 등의 변화에 따른 HS 사업의 경제성의 변화를 파악한다.
본 논문에서는 수명주기에 기초한 NPV 분석방법을 이용하여 민간 사업자의 입장에서 HS 사업의 경제성 분석을 수행하였다. 수소경제 초기에는 HS의 이용률이 시간이 경과함에 따라 증가하는 동적인 이용률을 나타낼 것으로 예상되므로, 동적 이용률을 고려한 HS 사업의 경제성을 세후 경제성 평가방법에 의해 평가하였다.

대상 데이터

본 사례연구에서는 수소경제 초기에는 FCV 보급 대수가 충분하지 않고 HSCC가 상대적으로 고가인 측면 등을 고려하여 민간 HS 사업자는 투자 시점을 늦추어 2020년에 사업을 개시하는 것으로 설정하였다. 또한 HS 사업자는 규모가 커질수록 수소 생산단가가 낮아지는 규모의 경제 효과를 고려하여 HSPC가 400kg/day이고 압축수소(부생수소)를 이용한 중앙집중형 HS를 연구대상으로 하였다.

성능/효과

Table 9를 보면 수소충전소의 초기 건설비용인 HSCC가 감소하면 HS 사업의 경제성은 상대적으로 개선된다. HSCC가 20% 증가하여 3,120,000,000원으로 증가하면 NPV는 -833,100,000원, IRR은 -2.65%로 경제성이 나빠지며, HSCC가 20% 감소하여 2,080,000,000원이면 NPV는 -386,300,000원으로 개선되는 것으로 나타났다.
HS의 기타 운영비에는 부지 임대료, 전기료, 수도료, 보험료 등이 포함되며, 본 논문에서는 Gim and Yoon의 연구결과를 감안하여 t = 1 시점의 기타 운영비는 HSCC의 2.0%이고 보수유지비와 마찬가지로 기타 운영비는 HS 사업의 수명기간 동안에 2.5%씩 매년 증가하는 것으로 추정하였다
수소충전소에서의 수소 판매가격인 UHSP가 증가하면 HS 사업의 NPV와 IRR은 증가한다. UHSP가 10,000원/kg으로 증가하면 NPV는 126,900,000원, IRR은 8.37%이 되어 HS 사업의 경제성을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 하지만, UHSP가 8,000원/kg으로 감소하면 NPV는 -1,385,600,000원으로 감소하고 IRR은 -100%를 초과하는 것으로 분석되었다.
FCV 소유자의 입장에서 비교 대상이 되는 일반 차량의 연간 연료비보다 FCV의 연간 연료비가 저렴해야 하므로, 평가 기준이 되는 UHSP를 9,000원/kg으로 설정하였다. 또한 단위당 압축수소의 구입비용(UHPP: unit hydrogen purchase price)은 수소 생산지로부터의 거리와 구입량 등에 따라 차이가 있으나, 본 논문에서는 500원/Nm³를 기준하였으며 이를 환산하면 5,600원/kg이다.
마찬가지 방법으로 각 기준년도의 HS의 평균 수요량과 이용률을 산출할 수 있으며, 2030년 HS 1기의 평균 수소 수요량은 약 235,000 kg으로 연간 최대 수소 생산가능량인 146,000 kg을 초과하므로 HS의 이용률은 최대 이용률인 90%로 추정하였다.
본 사례연구에서는 수소경제 초기에는 FCV 보급 대수가 충분하지 않고 HSCC가 상대적으로 고가인 측면 등을 고려하여 민간 HS 사업자는 투자 시점을 늦추어 2020년에 사업을 개시하는 것으로 설정하였다. 또한 HS 사업자는 규모가 커질수록 수소 생산단가가 낮아지는 규모의 경제 효과를 고려하여 HSPC가 400kg/day이고 압축수소(부생수소)를 이용한 중앙집중형 HS를 연구대상으로 하였다.
37%이 되어 HS 사업의 경제성을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 하지만, UHSP가 8,000원/kg으로 감소하면 NPV는 -1,385,600,000원으로 감소하고 IRR은 -100%를 초과하는 것으로 분석되었다.
Table 10을 보면 수소수요량이 기준수요량보다 40% 감소하면 NPV는 -1,175,200,000원으로 감소하고, 40% 증가하면 NPV는 -251,700,000원으로 증가한다. 하지만, 수소 수요량이 기준수요량보다 40% 증가하여도 HS 사업의 경제성은 여전히 부족한 것으로 분석되었다.
Table 7을 보면 할인율 i의 변화에 따른 HS 사업의 NPV의 변화는 크지 않은 것으로 나타났다. 할인율이 7%에서 5%로 감소하면 NPV는 -609,200,000원에서 -510,500,000원으로 약간 증가하나, 할인율이 0%가 되어도 HS 사업은 경제성이 없는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소충전소는 어떻게 구분할 수 있는가?	수소충전소(hydrogen station: HS)는 수소를 자체 생산하여 판매하는 분산형(on-site)과 외부에서 생산된 수소를 공급 받아 단순히 저장한 후 판매하는 중앙집중형(off-site)으로 구분할 수 있다. 일반적으로 미국과 캐나다 등과 같이 국토가 넓은 국가들의 수소경제 초기에는 분산형 HS가 중앙집중형 HS보다 경제적으로 유리하나, 우리나라는 인구밀도가 높고 부생 수소를 상대적으로 저렴한 가격에 공급받을 수 있어서 수소 수요가 적은 수소경제 초기에는 부생수소를 이용한 중앙집중형 HS가 경제적인 것으로 사료된다.
	친환경차의 종류는 무엇이 있는가?	최근에는 배기가스 규제 및 환경협약 등에 대응이 가능한 친환경차에 대한 관심이 증대하고 있다. 친환경차는 하이브리드차, 플러그인 하이브리드차, 전기차(electric vehicle: EV), 연료전지차(fuel cell vehicle: FCV) 등으로 구분할 수 있다. FCV는 연료전지를 사용하여 에너지원인 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 얻어지는 전기를 동력원으로 하는 자동차이며, FCV와 EV는 에너지원이 각기 수소와 전기인 점을 제외하면 특성이 비슷하여 구동방법 상의 차이가 거의 없는 편이다.
	우리나라에 적용하기 적합한 수소충전소는 어떤 것인가?	수소충전소(hydrogen station: HS)는 수소를 자체 생산하여 판매하는 분산형(on-site)과 외부에서 생산된 수소를 공급 받아 단순히 저장한 후 판매하는 중앙집중형(off-site)으로 구분할 수 있다. 일반적으로 미국과 캐나다 등과 같이 국토가 넓은 국가들의 수소경제 초기에는 분산형 HS가 중앙집중형 HS보다 경제적으로 유리하나, 우리나라는 인구밀도가 높고 부생 수소를 상대적으로 저렴한 가격에 공급받을 수 있어서 수소 수요가 적은 수소경제 초기에는 부생수소를 이용한 중앙집중형 HS가 경제적인 것으로 사료된다.

참고문헌 (7)

G.J. Offer, M. Contestabile, D.A. Howey, R. Clague and N.P. Brandon, "Techno-economic and Behavioral Analysis of Battery Electric, Hydrogen Fuel Cell and Hybrid Vehicles in a Future Sustainable Road Transport System in the UK", Energy Policy, Vol. 39, 2011, pp. 1939-1950.

상세보기
M.H. Yang, B. Gim and J.W. Kim, "An Economic Feasibility Analysis of a Hydrogen Fuel-cell Vehicle Considering GHG", Journal of the Korean Society of New and Renewable Energy, Vol. 1, 2005, pp. 42-50.
J.X. Weinert, L. Shaojun, J.M. Ogden and M. Jianxin, "Hydrogen Refueling Station Costs in Shanghai", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 32, 2007, pp. 4089-4100.

상세보기
B. Gim and W.L. Yoon, "Analysis of the Economy of Scale and Estimation of the Future Hydrogen Production Costs at On-site Hydrogen Refueling Stations in Korea", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 37, 2012, pp. 19138-19145.

상세보기
B. Kang, T. Kim and T. Lee, "Analysis of Costs for a Hydrogen Refueling Station in Korea", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 27, No. 3, 2016, pp. 256-263.
B. Gim, "An Economic Analysis of Domestic Fuel Cell Vehicles Considering Subsidy and Hydrogen Price", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 26, No. 1, 2015, pp. 35-44.

원문보기 상세보기
Ministry of Environment and Ministry of Trade, Industry and Energy, The Plan of Dissemination and Market Activation of Hydrogen Fuel Cell Vehicles, Korea, 2015.

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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