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문제 정의
- 본 연구는 신재생에너지 비중확대와 경제성장과의 인과관계를 주로 고찰한 기존 분석 방법론과 차별화하여 미시경제학적 관점에서 국내 발전산업을 대상으로 신재생에너지 확대가 미치는 제반 파급효과에 대한 종합적인 분석을 실시하고, 그 결과를 토대로 신기후변화체제하에서의 효율적인 기후변화정책과 신축적인 에너지정책을 수립하는 데 필요한 다양한 기초자료를 제공하고자 하였다. 구체적으로 국내 발전산업의 신재생에너지와 석탄, 석유, 가스 등의 화석연료 간 대체성 여부 및 정도를 분석하기 위하여 2000~2015년 기간을 대상으로 비용함수접근법을 사용하여 이들 에너지원 간 수요의 자기 또는 교차 가격탄력성을 측정하였다.
제안 방법
- 석유 투입량(o)은 중유 사용량을, 석유가격(wo)은 한전 『경영통계』의 발전용 B-C유 가격을 사용하였다. 가스 투입량(g)와 가스가격(wg)는 각각 LNG 사용량과 LNG 수입가격을 사용하였다. 신재생에너지투입량(r)은 소수력과 대체에너지 발전설비 용량의 합으로 측정하였다.
- 이를 토대로 신재생에너지 투입 확대 시 CO2 잠재감축량을 추산하고, 신재생에너지 사용의 실제비용으로 해석할 수 있는 신재생에너지의 암묵가격(shadow price)을 산출하여 신재생발전의 잠재적 비용부담의 추이를 추적한다. 공급관계식의 추정계수를 사용하여 신재생발전 1% 늘릴 경우 전력공급가격의 파급효과에 대한 시뮬레이션 분석을 실시한다.
- 본 연구는 신재생에너지 비중확대와 경제성장과의 인과관계를 주로 고찰한 기존 분석 방법론과 차별화하여 미시경제학적 관점에서 국내 발전산업을 대상으로 신재생에너지 확대가 미치는 제반 파급효과에 대한 종합적인 분석을 실시하고, 그 결과를 토대로 신기후변화체제하에서의 효율적인 기후변화정책과 신축적인 에너지정책을 수립하는 데 필요한 다양한 기초자료를 제공하고자 하였다. 구체적으로 국내 발전산업의 신재생에너지와 석탄, 석유, 가스 등의 화석연료 간 대체성 여부 및 정도를 분석하기 위하여 2000~2015년 기간을 대상으로 비용함수접근법을 사용하여 이들 에너지원 간 수요의 자기 또는 교차 가격탄력성을 측정하였다. 이를 토대로 신재생에너지 투입 확대 시 CO2잠재감축량을 추산하고, 신재생에너지 사용의 실제비용을 반영하는 신재생에너지의 암묵가격을 산출하여 신재생발전의 잠재적 비용부담의 변화추이를 살펴보았다.
- 석탄 투입량(c)은 유연탄 사용량을, 석탄가격(wc)은 유연탄 수입가격을 사용하였다. 석유 투입량(o)은 중유 사용량을, 석유가격(wo)은 한전 『경영통계』의 발전용 B-C유 가격을 사용하였다. 가스 투입량(g)와 가스가격(wg)는 각각 LNG 사용량과 LNG 수입가격을 사용하였다.
- 신재생에너지 투입을 확대할 경우 화석에너지 수요에 미치는 영향을 탄력성 형태로 분석하기 위하여 다음과 같이 Eir와 Err의 추정치를 사용하여 시뮬레이션을 실시한다.
- 가스 투입량(g)와 가스가격(wg)는 각각 LNG 사용량과 LNG 수입가격을 사용하였다. 신재생에너지투입량(r)은 소수력과 대체에너지 발전설비 용량의 합으로 측정하였다. 전력 공급가격(P)는 전력 판매단가로 측정하였다.
- 이러한 현실적 한계를 우회하는 방법으로서 신재생에너지의 투입량을 적정수준으로 준고정시켜(quasi- fixed) 도출한 제약비용함수(restricted cost function)를 추정한다. 아울러 발전산업에 대한 제약비용함수의 이윤극대화 조건을 이용하여 공급관계식(supply relation)을 도출한 후 제약비용함수와 공급관계식으로 구성된 연립방정식체계를 동시에 추정한다.
- 연도별로 계산된 파급효과의 탄력성 값을 에서 ‘εPr’로 표기하여 변화추이를 살펴보았다.
- 이를 토대로 신재생에너지 투입 확대 시 CO2잠재감축량을 추산하고, 신재생에너지 사용의 실제비용을 반영하는 신재생에너지의 암묵가격을 산출하여 신재생발전의 잠재적 비용부담의 변화추이를 살펴보았다. 연립방정식시스템으로 비용함수와 결합, 추정한 공급관계식의 추정계수를 사용하여 신재생발전1% 확대 시 전력공급가격에 미치는 파급효과에 대한 시뮬레이션 분석을 실시하였다.
- <표 4>의 추정 계수를 사용하여 신재생에너지의 투입 확대가 발전비용을 증가시키고 향후 전력가격의 상승으로 이어질 수 있는 잠재성 여부를 확인하는 데 있어서 제약비용 함수의 해당 계수에 다음의 제약조건을 부여함으로써 가설검증을 실시하였다.
- 제약에너지비용함수의 추정계수를 사용하여 신재생에너지와 석탄, 석유, 가스 등의 화석연료 간 대체성 여부 및 정도를 분석하기 위하여 수요의 자기 또는 교차 가격탄력성을 측정한다. 이를 토대로 신재생에너지 투입 확대 시 CO2 잠재감축량을 추산하고, 신재생에너지 사용의 실제비용으로 해석할 수 있는 신재생에너지의 암묵가격(shadow price)을 산출하여 신재생발전의 잠재적 비용부담의 추이를 추적한다. 공급관계식의 추정계수를 사용하여 신재생발전 1% 늘릴 경우 전력공급가격의 파급효과에 대한 시뮬레이션 분석을 실시한다.
- 구체적으로 국내 발전산업의 신재생에너지와 석탄, 석유, 가스 등의 화석연료 간 대체성 여부 및 정도를 분석하기 위하여 2000~2015년 기간을 대상으로 비용함수접근법을 사용하여 이들 에너지원 간 수요의 자기 또는 교차 가격탄력성을 측정하였다. 이를 토대로 신재생에너지 투입 확대 시 CO2잠재감축량을 추산하고, 신재생에너지 사용의 실제비용을 반영하는 신재생에너지의 암묵가격을 산출하여 신재생발전의 잠재적 비용부담의 변화추이를 살펴보았다. 연립방정식시스템으로 비용함수와 결합, 추정한 공급관계식의 추정계수를 사용하여 신재생발전1% 확대 시 전력공급가격에 미치는 파급효과에 대한 시뮬레이션 분석을 실시하였다.
- 탈원전을 선언하고 신규 원전 6기 건설계획을 취소하며, 수명이 다한 원전은 연장 없이 즉각 폐쇄하기로 함으로써 원전 수를 현재 24기에서 2030년까지 18기로 줄인다. 이와 함께 30년 이상 노후 석탄발전소 10기를 2022년까지 조기 폐쇄하고, 신규 석탄발전소 건설을 전면 중단하며, 현재 건설 중인 공정률 10% 미만의 석탄발전소 9기 가운데 6기를 LNG로 전환하기로 하였다. 대신 모자라는 전력생산을 위하여 LNG 발전설비 가동률을 현재 40%대에서 60%로 높이고, 전체 전력생산에서 신재생에너지가 차지하는 비중을 현재 4.
- 제약에너지비용함수의 추정계수를 사용하여 신재생에너지와 석탄, 석유, 가스 등의 화석연료 간 대체성 여부 및 정도를 분석하기 위하여 수요의 자기 또는 교차 가격탄력성을 측정한다. 이를 토대로 신재생에너지 투입 확대 시 CO2 잠재감축량을 추산하고, 신재생에너지 사용의 실제비용으로 해석할 수 있는 신재생에너지의 암묵가격(shadow price)을 산출하여 신재생발전의 잠재적 비용부담의 추이를 추적한다.
대상 데이터
- 본 연구의 실증분석을 위하여 국내 발전산업의 2000~2015년 기간의 연도별 시계열 자료를 사용하였다. 통계자료의 출처는 한국전력의 연간 『한국전력통계와』 에너지경제연구원의 『에너지통계연보』이다.
- 본 연구의 실증분석을 위하여 국내 발전산업의 2000~2015년 기간의 연도별 시계열 자료를 사용하였다. 통계자료의 출처는 한국전력의 연간 『한국전력통계와』 에너지경제연구원의 『에너지통계연보』이다. 전력 생산량(Q)은 화력발전량에 신재생에너지의 소수력과 대체에너지 발전량을 합산한 총량을 사용하였다.
이론/모형
- 본 논문에서는 신재생발전의 파급효과를 계량적으로 측정하는 데 있어서 비용함수접근법을 사용한다. 이때 신재생에너지는 풍력, 태양광, 바이오, 연료전지, 수력 등 여러 에너지원을 통합한 개념으로서 관련 자료의 부족 등으로 단일 투입가격으로 산정하기가 용이하지 않다.
- 제약에너지비용함수 방정식 (7)과 각 화석에너지의 비용몫 방정식 (9)로 구성된 연립방정식 체계를 동차성 제약조건 (8)을 충족시키면서 공급관계식 (10)과 결합하여 반복-비선형젤너(Zellner) 분석기법으로 추정한다. 각 화석에너지의 비용몫을 합산하면 1이 되므로 비용몫방정식 간 선형 독립적 관계가 성립한다.
성능/효과
- 1) 전체 발전에서 원전·석탄발전이 차지하는 비중을 2017년 현재 75.6%에서 2030년 60%로 낮출 방침이다.
- 실제 신재생발전 설비용량은 2001년과 2002년 35MW 규모에서 2003년 119MW로 3배 이상 큰 폭으로 증가되었다. 2003~2015년 기간에 걸쳐 신재생에너지 암묵가격의 연평균 감소율을 계산하기 위하여 #을 시간지표 t에 대하여 1차 선형방정식으로 OLS 회귀분석을 실시한 결과 암묵가격은 매년 평균적으로 3.8%씩 하락하는 것으로 측정되었다. 특히 재정부담으로 2011년 FIT를 폐지하고 2012년 시범운영을 거쳐 2013년부터 본격적으로 시행한 RPS 제도의 도입 이후에도 신재생에너지의 암묵가격은 하락하는 추세를 유지하였다.
- 이와 함께 30년 이상 노후 석탄발전소 10기를 2022년까지 조기 폐쇄하고, 신규 석탄발전소 건설을 전면 중단하며, 현재 건설 중인 공정률 10% 미만의 석탄발전소 9기 가운데 6기를 LNG로 전환하기로 하였다. 대신 모자라는 전력생산을 위하여 LNG 발전설비 가동률을 현재 40%대에서 60%로 높이고, 전체 전력생산에서 신재생에너지가 차지하는 비중을 현재 4.7%에서 태양광과 풍력 중심으로 2030년까지 20%로 확대하기로 하였다. 발전단가가 가장 저렴한 원전(68원/kWh)과 석탄(73.
- 이명헌(2016)은 국내 발전산업의 암묵비용함수를 추정하여 화석연료의 효율적 배분을 통한 비용절감 및 전력공급가격의 인하 효과 등을 분석하였다. 분석결과, 1990~1996년 기간 동안 연평균 24.7%의 연료비용 절감율과 5.9%의 최대 전력가격 인하율이 추산되었다.
- 이명헌(2015)은 국내 제조업에 대한 거리함수를 추정하여 신재생에너지의 암묵가격, 화석연료와의 대체가능성, 그리고 생산성 파급효과를 측정하는 등 신재생에너지 투입에 대한 기업의 최적화 행태를 분석하였다. 분석결과, 신재생에너지의 암묵가격은 1992~2012 기간에 걸쳐 매년 평균 17%씩 증가하는 것으로 나타났으며, 신재생에너지와 화석연료의 대체가능성은 상호 낮은 것으로 측정되었다. 신재생에너지 투입량을 1% 늘릴 경우 산업 생산성은 연평균 약 0.
- 신재생에너지와 화석연료는 서로 대체관계인 것으로 측정되었다. 석유가 신재생에너지와 가장 강한 대체관계를 보였으며, 석탄과 신재생에너지 간의 대체성이 가장 낮았다. 신재생에너지 가격이 1% 하락할 경우 다른 조건들이 불변하면 석유, 가스, 석탄 수요는 각각 0.
- 이는 석탄에 의존도가 상대적으로 높은 기존 발전설비 구조 하에서 석탄에서 석유, 가스로 대체하는 데 많은 비용이 수반되어 단기간에 비석탄의 비중을 늘리기가 쉽지 않음을 의미한다. 석유와 가스 간 교차탄력성은 양수의 비교적 큰 값으로 추정되어 두 연료는 서로 강한 대체관계를 나타냈다. 세부적으로는 가스가격 변화에 대한 석유수요가 석유가격 변화에 대한 가스수요보다 3배정도 더 탄력적으로 반응하였다.
- <표 6>에서 제시한 것처럼 화석연료 가운데 석유가 신재생에너지와 가장 강한 대체관계를 나타냈고, 석탄과 신재생에너지 간의 대체성이 가장 낮았다. 석탄과의 관계에 있어서는 석탄 가격변화에 대한 신재생에너지수요가 신재생에너지 가격변화에 대한 석탄수요보다 거의 3배 가까이 더 탄력적으로 반응을 보였다. 석유의 경우 신재생에너지 간 교차탄력성의 양 방향 큰 차이는 없었다.
- 식 (12)~(16)를 계산하여 각 에너지요소에 대한 수요탄력성을 측정한 결과는 <표 5>에 제시하였다. 석탄을 제외하고 석유, 가스, 신재생에너지에 대한 자기가격 탄력성은 예상한대로 음수 값으로 나타났다. 탄력성 크기를 비교하면 석유수요가 1보다 크게 자기가격 변화에 대하여 가장 민감하게 반응하였으며, 신재생에너지, 가스의 순으로 높았다.
- 석유와 가스 간 교차탄력성은 양수의 비교적 큰 값으로 추정되어 두 연료는 서로 강한 대체관계를 나타냈다. 세부적으로는 가스가격 변화에 대한 석유수요가 석유가격 변화에 대한 가스수요보다 3배정도 더 탄력적으로 반응하였다. <표 5>에서 보는 바와 같이 에너지 간 대체탄력성 가운데 석유와 가스 간 대체탄력성 값이 가장 크게 추정되었다.
- Lee (2013)는 전력집약도가 높은 상위 3개의 국내 제조업 부문의 비용함수를 추정하여 전력요금 인상이 전력수요 및 공급가격에 미치는 효과를 조사하였다. 시뮬레이션결과, 다른 조건들이 일정불변할 때 전력요금이 10% 상승하면 전력수요는 업종별로 8~10.1% 범위의 감소폭을 기록하였으며, 재화 공급가격은 TV 및 통신장비 업종에서만 유의적으로 평균 0.16% 감소하는 것으로 나타났다. 이명헌(2016)은 국내 발전산업의 암묵비용함수를 추정하여 화석연료의 효율적 배분을 통한 비용절감 및 전력공급가격의 인하 효과 등을 분석하였다.
- 신재생에너지 암묵가격은 2003년 이후 안정적인 하향추세를 나타냈는데 이는 신재생에너지 투입을 확대하기 위하여 2002년에 도입된 FIT (2012년 RPS로 대체)가 신재생발전 비용단가의 하락에 영향을 미쳤기 때문인 것으로 해석된다. 신재생발전 설비 1% 증설 시 발생되는 전력공급가격의 잠재적 인상폭은 평균 0.01%에도 못 미치는 것으로 추정되었다. 이는 본 연구의 분석기간 동안 총발전량에 대한 신재생발전 비중이 아직 낮은 수준일 뿐 아니라 초기 발전설비 투자비용이 높은 풍력, 태양광 등 대신 폐기물 등 재래식 에너지원에 대한 의존도가 상당히 높은 상황을 반영한 결과로 해석할 수 있다.
- 가스는 가스 가격변화에 대한 신재생에너지수요의 교차탄력성이 반대방향보다 2배 이상 더크게 추정되었다. 신재생에너지 가격변화에 대한 화석연료 수요의 교차탄력성은 석유, 가스, 석탄 순으로 높았다. 신재생에너지 산업에 대한 정부의 정책지원과 공급부품의 기술혁신으로 신재생에너지의 발전단가는 지속적으로 하락하는 추세이다.
- 신재생에너지 산업에 대한 정부의 정책지원과 공급부품의 기술혁신으로 신재생에너지의 발전단가는 지속적으로 하락하는 추세이다. 신재생에너지 가격이 1% 하락할 경우 다른 조건들이 불변일 때 석유와 가스 수요는 각각 0.2%와 0.14%감소하며 석탄수요는 0.06%로서 감소폭이 상대적으로 줄어든것으로 나타났다.
- 석유가 신재생에너지와 가장 강한 대체관계를 보였으며, 석탄과 신재생에너지 간의 대체성이 가장 낮았다. 신재생에너지 가격이 1% 하락할 경우 다른 조건들이 불변하면 석유, 가스, 석탄 수요는 각각 0.2%, 0.14%, 0.06% 감소하는 것으로 나타났다. 신재생에너지를 1% 추가 투입하면 석탄, 석유, 가스 수요는 각각 0.
- 분석결과, 신재생에너지의 암묵가격은 1992~2012 기간에 걸쳐 매년 평균 17%씩 증가하는 것으로 나타났으며, 신재생에너지와 화석연료의 대체가능성은 상호 낮은 것으로 측정되었다. 신재생에너지 투입량을 1% 늘릴 경우 산업 생산성은 연평균 약 0.04% 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 거리함수 접근법의 내재적인 방법론적 한계로 인하여 신재생에너지 투입 확대가 재화의 공급가격에 미치는 영향에 대한 분석은 이루어지지 않았다.
- 06% 감소하는 것으로 나타났다. 신재생에너지를 1% 추가 투입하면 석탄, 석유, 가스 수요는 각각 0.08%, 0.3%, 0.2% 대체되는 것으로 측정되었으며, 이로 인한 CO2의 잠재 감축량은 석탄에서 14만톤, 석유는 1만 9천톤, 가스로부터 6만 4천톤, 총 22만톤 정도로 추산되었다.
- 신재생에너지와 화석연료 간 교차탄력성이 모두 양수로서 신재생에너지와 화석연료는 상호 대체관계인 것으로 측정되었다. <표 6>에서 제시한 것처럼 화석연료 가운데 석유가 신재생에너지와 가장 강한 대체관계를 나타냈고, 석탄과 신재생에너지 간의 대체성이 가장 낮았다.
- 신재생에너지와 화석연료 간 교차탄력성이 모두 양수로서 신재생에너지와 화석연료는 상호 대체관계인 것으로 측정되었다. <표 6>에서 제시한 것처럼 화석연료 가운데 석유가 신재생에너지와 가장 강한 대체관계를 나타냈고, 석탄과 신재생에너지 간의 대체성이 가장 낮았다. 석탄과의 관계에 있어서는 석탄 가격변화에 대한 신재생에너지수요가 신재생에너지 가격변화에 대한 석탄수요보다 거의 3배 가까이 더 탄력적으로 반응을 보였다.
- 공급관계식 (10)에서 시간의 다항식인 θ(t)는 2차일 경우 최적의 통계결과를 얻었다. 총 25개 계수 가운데 13개가 1%수준에서, 2개는 5%수준에서 유의적인 것으로 나타났다.
- 제약비용함수와 공급관계식의 계수를 도출하기 위하여 식 (8)을 제약조건으로 설정하고 식 (7), (9), (10)로 구성된 연립방정식체계를 동시에 추정하였다. 추정결과 방정식별 R2값은 062~0.98의 범위를 나타냈으며, 특히 제약비용함수와 공급관계식의 R2값이 각각 0.98과 0.93을 보임에 따라 두 방정식의 설명력은 매우 높음을 알 수 있다. 두 방정식의 각 계수에 대한 추정치와 표준오차는 <표 4>에 제시하였다.
- 석탄을 제외하고 석유, 가스, 신재생에너지에 대한 자기가격 탄력성은 예상한대로 음수 값으로 나타났다. 탄력성 크기를 비교하면 석유수요가 1보다 크게 자기가격 변화에 대하여 가장 민감하게 반응하였으며, 신재생에너지, 가스의 순으로 높았다. 석유의 발전단가가 비교적 비쌀 뿐 아니라 석유발전에 대한 비중이 축소되는 추세임을 감안하면 석유투입은 유가변화에 탄력적인 반응을 보인 것으로 해석할 수 있다.
- 탈원전을 선언하고 신규 원전 6기 건설계획을 취소하며, 수명이 다한 원전은 연장 없이 즉각 폐쇄하기로 함으로써 원전 수를 현재 24기에서 2030년까지 18기로 줄인다. 이와 함께 30년 이상 노후 석탄발전소 10기를 2022년까지 조기 폐쇄하고, 신규 석탄발전소 건설을 전면 중단하며, 현재 건설 중인 공정률 10% 미만의 석탄발전소 9기 가운데 6기를 LNG로 전환하기로 하였다.
- 화석연료 간 교차 가격탄력성을 비교, 분석하면, 먼저 석탄과 석유, 석탄과 가스 간 교차 가격탄력성은 모두 절대값 0.1 이하의 음수로 추정됨에 따라 석탄은 석유와 가스에 대하여 모두 약한 보완적 관계를 보였다. 이러한 결과는 식 (17)을 계산하여 <표 5>에 제시한 대체탄력성 추정결과를 통해서도 확인할 수 있는데, 석탄과 석유, 석탄과 가스 간 대체탄력성 모두–0.
후속연구
- 따라서 향후 신재생에너지의 비중을 확대하는 과정에서 R&D 투자의 속도 및 규모를 조정을 통한 효율성 제고를 위하여 그동안의 신재생에너지의 투입 성과에 관한 전반적인 평가 및 진단이 요구된다.
- 본 연구의 한계로서 분석 대상인 신재생발전의 파급효과에 초점을 맞추는 과정에서 총발전량 가운데 30%대의 전력을 공급하는 원전에 대한 성과분석은 이루어지지 못한 점을 지적할 수 있다. 문재인정부는 전력생산에서 신재생에너지의 사용비율을 점증적으로 확대하고 원전 비중을 축소하는 탈원전 에너지정책을 장기적 국정과제로 추진하기로 하였다.
- <표 1>에서 보는 것처럼RPS 의무공급비율이 점점 늘어남에 따라 신재생에너지발전의 비중은 지속적으로 확대될 예정이다. 식 (18)을 이용하여 신재생에너지 투입 확대가 각 화석연료수요에 미치는 파급효과를 분석할 수 있다.
- 실제 <그림1>에서 나타난바와 같이 신재생에너지의 투입 비용으로 측정한 신재생자본의 암묵가격이 2003년부터 비교적 낮은 수준에서 형성되어 완만하게 지속적으로 하락하여 왔다. 향후 신재생발전 비중이 점차 확대되고 현대식 신재생에너지 비율이 증가할 경우 신재생발전 비용의 상승으로 인한 전력공급가격의 잠재적 인상폭은 점진적으로 커질 것으로 예상된다.
- 이에 원전 비중은 일정 범위 내에서 등락을 거듭할 전망이며 그 변화에 따라 발전비용과 전력공급가격에 상당한 영향을 미치게 된다. 향후 연구과제로서 원자력을 전력 생산함수의 투입요소에 추가로 포함시켜 원자력과 화석연료, 원자력과 신재생에너지 간 대체관계 등을 측정하고, 원전 축소가 전력공급가격에 미치는 파급효과를 분석하고자 한다.
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