2050년 재생가능 전력 전환시나리오 분석

2011.4.25.

세종대 기후변화특성화대학원

박 년 배

목 차

• 연구 배경 및 목적

• 연구 방법 및 범위

• 에너지 부문 온실가스 감축 방안

• 방법론 : LEAP 모형, 시나리오 분석

• 시나리오 구성, 자료, 전제 조건

• 분석 결과

• 결론

2

연구 배경 및 목적• 세계 및 국가 수준( ,독,미,일 등)에서 2050년까지 GHG 감축 및

RE 제고를 위한 모델링 및 로드맵 연구 활발• 기후 완화 및 적응, 에너지 안보, 일자리, 산업경쟁력 등 다양한 목적

• E기본계획(‘08), GHG 중기감축목표(’09), 전력수급계획(’10) 발표• ’90~’08년 1인당 전력 소비 3.6배↑, 전력 배출원단위 1.4배↗, 발전부문

GHG 배출량 5.5배↑

• ‘08년 국내 발전량 중 원자력 35.7%, 신·재생 전력 비율 1.0%

ü 국내 RE 기술적 잠재량, ’08년 1차 E 소비량의 7.3배(에관공 ‘08),

RE ’08년 생산량은 기술적 잠재량의 0.1% 미만

• 2050년까지 재생가능 전력으로 전환하는 시나리오와 기준, 정부시나리오 비교 분석 (전력 시스템, 환경성, 경제성, 에너지 안보 등)ü 장기 분석 필요성 : 전력 설비의 평균 수명 30년 이상, 최소 1회 이상

설비 대체를 고려

3

OECD 회원국 재생가능 전력 비율 비교(’07, ’08)

4

자료 : IEA (2009, 2010). Renewables Information* 재생가능 에너지로 생산한 전력 : 수력(양수 제외), 지열, 태양열, 태양광 PV, 조류/조력/파력, 풍력, 재생 도시 폐기물, 고체·액체·기체 바이오매스, 재생에너지로 생산한 수소 (≠신·재생 전력)

1.1 1.0

0.2 0.3

2007

2008

한

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

연구의 방법 및 범위

5

내 용

연구방법

•분석모형 : LEAP (Long-range Energy Alternatives Planning System, SEI 개발)

•장기 시나리오 분석 : Forecasting과 Backcasting 방식

연구범위

•시간 범위 : 2008년 (기준년도; 최근 통계) ~ 2050년•지역 범위 : 우리나라 (국내 전력 시장에 한정)•에너지 부문 : 국가 에너지수급시스템 內 전력 부문(사업용)• 향 : 전력 시스템, 환경(온실가스 및 기타) , 비용, 에너지 안보 등

자료

•계획 & 주요 가정 : 국가에너지기본계획, 제4, 5차 전력 계획 등•통계 : 에너지통계연보, 전력통계연보 등•기술 특성치 : 에관공, 전력거래소, IEA, US EPRI, UK ERC 등•에너지 가격 및 기술 비용 전망 : IEA, DOE/EIA 등•시나리오 : 해외 사례 검토후 국내 지속가능 사회 시나리오 수립

에너지 부문 온실가스 감축 방안

• 산업화 이전 대비 2℃ 제한, 450ppm CO2eq.로 안정화, ‘50년까지 ’00년대비 세계 CO2 -50% 필요 (IPCC 2007; UNDP 2007)

• 에너지 부문 온실가스 저감 방안 : 효율, 연료 대체, RE, 원자력, CCS 등 기여 (IEA 2010; IPCC 2007; Mckinsey 2009; Pacala & Socolow 2004)

– 전력부문 : 최종이용 효율 개선, 송ㆍ배전 효율 제고, 저탄소 발전원 이용, 화력발전의 탄소 격리 (Ekins 2004; Hadley & Short 2001; METI 2005)

• RE, Nuclear, CCS 등의 온실가스 감축 기여도 평가 이견

– Nuclear, CCS가 크게 기여 (ECF 2010; ECN 2007; EPRI 2007; Eurelectric2010; IEA 2010; IEP 2009; METI 2005 등)

– 원자력 추가 건설없이, Efficiency, RE, 가스 CHP로 공급 (FoE 2006; Greenpeace 2009; Heaps et al. 2009; Sawin et al. 2009; WWF 2009)

• 미국이 10년내 100% 재생가능 전력 전환 요구 (Al Gore 2008)

• 무탄소 사회는 기술적 문제가 아니라 정치·경제적인 문제 (Eilperin2008)

6

주요국의 1인당 소득과 전력 소비량 추이

7

료 : 소득 IEA(2010), 전력 순소비량 DOE/EIA 제에너지 계

2008년

IEA, 2010

MWh/1,000 US$

(PPP, '00)/

한 8,271 23,441

프랑스 7,014 27,309

6,630 28,639

태 5,252 26,085

본 7,548 28,174

5,618 30,029

미 12,828 38,559

방법론 : LEAP 모형 분석 구조

전환

가정

교통 (도로, 철로, 선박, 항공)

산업(2차 산업)

상업/공공(3차 산업)

자가소비

및

손실

발전

최종E 수요1차 E 공급 전달

GHG & 기타 향

사회경제적

변수

주요가정

가스 제조

지역난방

GHG & 기타 향

우라늄

무연탄

유연탄

석유

천연가스

수력

재생E

수입

국내생산

원자력(중수로, 경수로), 석탄(무연탄, 유연탄), (CCS는 반 X)석탄 변형(IGCC/CCT, 연료전지),석유, 내연력,천연가스, 복합화력(가스, 석유), 집단에너지(석탄,석유,가스, 폐기물),부생가스, 양수발전(저장)수력(대수력, 소수력),풍력(육상, 해상), 태양광,바이오(가스/LFG, 고체), 부생가스, 해양(조류, 조력), 지열

도시가스

열

전기

농림어업(1차 산업)

• LEAP (Long-range Energy Alternatives Planning system)– 1980년 개발(SEI)된 이후, 2010년 6월 기준 190개국 7천명 이상 사용– E 및 기후 정책에 따른 에너지/배출량 변화 등 산정하는 상향식 모형

방법론 : 시나리오 분석• 미래 연구 방법론으로 시나리오 분석 많이 사용 (EC 2009)

• 미래의 불확실성 반 (Cai et al. 2008; Volkery et al. 2009)

• 시나리오 분석 : 탐색적 (forecasting) < 규범적 (backcasting)

9

‘05 2050

1. 문제 정 해결책 준 설정

2. “미래 상” 수

3. 경로 석

4. 현 경향과 람직한경향 비 : Gap analysis

측(Forecasting)

후 측(Backcasting)

년

CO2eq.

100%

BAU

규 적 시나(저탄소 사회)

탐색적 시나

자료 : Fujino 2006; RIVM 2002 수정

‘08 ‘20‘90

시나리오 구성시나리오 내용 (에너지 기술 구성 및 수요 관리)

1기준

시나리오(BL)

제4차 전력수급기본계획(2008)과 이후 경향 반영- ~’22년, 원전 기존 20기 + 12기 추가 (~’22년까지 원전 폐기 없음)- ’22년 이후 발전설비 수명후 폐기- 원자력/유연탄/가스복합/집단(가스)/육상풍력/태양광 순 추가

2정부 정책시나리오

(GP)

제5차 전력수급기본계획(2010.12)과 이후 경향 반영- ’24년, 원전 기존 20기 + 14기 추가 (~’24년까지 원전폐기 없음)- 4차 전력계획보다 전력 수요 및 발전량 증가- 재생가능 전력 보급(MW), 제4차 전력계획 대비 3배 증가- 원자력/유연탄/가스복합/집단(가스)/해상풍력/육상풍력/태양광/연료전지/도시고형폐기물/소수력/바이오가스/지열 순 추가

3

지속가능사회

시나리오(SS)

기준 시나리오보다 수요 관리 강화, 자가소비 및 송·배전 손실율 개선2050년 발전 부문 GHG, ’08년 대비 80% 이상 감축, 국내 RE 잠재량 범위(태양, 바람, 바이오 등) 내에서 RE로 전환(4차 계획의 RE 반 , 단 조력은 시화조력만 반 )2050년까지 건설중 원전 8기만 허용, 신규 원전 계획 없음 (고리1호 ’17년폐기(’07년 10년 연장 결정), 월성 1호 ’12년 폐기)국내 임야 & 농경지 토지이용 X, 누적 총비용은 기준 시나리오의 2배 이내태양광/해상풍력/육상풍력/소수력/지열/바이오가스/(~’30)가스복합&집단(가스) 순 추가 : 도시고형폐기물X

10건설중 원전 8 : 신고 1(’11.2), 2(’11.12), 3(’13), 4(’14); 신월성 1(’12), 2(’13); 신 진 1(’16), 2(’17)

분석 입력 자료• 전제

– 인구 : ~’50년. 통계청– 성장률 전망 :

• 기준 및 SS 시나리오 (지경부 ’08, KDI ’10) • 정부정책 시나리오 (지경부 ’10, KDI ’10)

– 업종별 부가가치 구성 전망 : ~’30년. 총리실 외(2008)• 3대 에너지다소비업종 비중 : ’08년 약 30% → ’30년 약 20%

• 전망 및 통계 등1) 부문별 에너지 집약도 전망 : 에경연(‘06), 총리실 외(‘08) 참고2) 부문별 에너지원 구성 : ‘90~’08 기간 추세를 외삽3) 에너지수급밸런스 : 에너지통계연보 (에경연 ‘09)4) 전력 시스템 부하 곡선 : 전력거래소 ’08 (2007년 적용. ∵ ’08년 366일)5) 발전량, 설비 용량, 시스템 부하 등 : 전력거래소, 한전6) 발전 기술(28개) 특성치 : 에너지관리공단 (‘05), IEA, UK ERC 등7) 에너지 가격 및 기술 비용 전망 : IEA (‘10), DOE (‘10) 등

• 유가(‘09 US$/bbl) : ’09년 60$ → ’35년 135$ (* 2011.3 두바이유 108.5$)

11

시나리오별 전력수요 전망

12

684

711

2008; 385

584

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

2006

2008

2010

2012

2014

2016

2018

2020

2022

2024

2026

2028

2030

2032

2034

2036

2038

2040

2042

2044

2046

2048

2050

TWh

전력 수요

기준

정부정책

지속가능사회

1990~1997

1998~2008

2009~2010

2011~2020

2021~2030

2031~2050

2008~2022

2008~2050

기준

10.0% 6.5%

2.4% 1.9% 1.2% 0.7% 2.1% 1.3%

정부정책

2.9% 2.1% 1.2% 0.7% 2.4% 1.4%

지속가능사회

2.4% 1.6% 0.8% 0.4% 1.8% 1.0%

전력수요 연평균 증가율(%)

* 지속가능 사회 시나 : 최종에너지 집약 증가 준 시나 비 ’11~’20년,30%, ’21~’30년, 40%, ’31~’50년, 50% 개선

시나리오별 전력 생산량 비교

13

경수로

유연탄

중수로

가스복합

PV

해상풍력

육상풍력

시나리오별 발전량 구성비 (%)

14

15

2050년, BL

2050년, SS2050년, GP

• 2050년 SS 설비 용량: 기준 대비 1.7배, ’08년 대비 3.5배 (∵ RE 설비이용률↓)

- 태양광(10KW) 10,054,600개; 풍력(1.5MW) 육상 34,783, 해상 45,600개; 지열(8MW) 219개 등

- 원전 개수 : BL 55기, GP 49기, SS 7기

전력 시스템의 에너지 흐름: 투입, 생산, 소비 비교

분석 결과 : 배출량 추이 및 수단별 기여도

16

’50년, ’08년대비 87% 감축

분석 결과 : 기타 환경 향

• 정부 정책 시나리오는 ‘15, ’16년 유연탄 화력 추가 ⇒ 기오염물질 증가

• 원전 비중 : 기준 > 정부 > 지속가능 ⇒ 온배수 향 증가 (화력발 과 함께 기여)

• RE 비중 : 기준 < 정부 < 지속가능 ⇒ 토지 이용 면 확 (2050, SS 시나리오, 기개발 토지 이용 가능)17

분석 결과 : 경제성

18

• 비용 항목 : 연료비 > 자본 비용 > 운전유지비 > 원전폐기비용 (환경외부비용 제외)

• 발전원가 추정 : ’08년 56원(’05 실질) (실제 72원(명목)) → ’09~’50년 평균 BL 64원(이하 ’05 실질), GP 68원, SS 89원 (기준 대비 39%, GP 대비 31% 인상)

• ’09~’50년 누적 총 비용 비율 : SS/BL = 1.2 배 (1.1, ’50년), SS/GP=1.1배

– ’50년 GDP, ’08년 대비 약 3배 ⇒ GDP 대비 감소

민감도 분석• 기준 대비 지속가능 사회 시나리오의 ‘09~’50년 누적 총비용(현재가치화) 비율

19

1.20(본분석)

1.23

1.18

1.13탄소비용,

4차계획수준

1.16

1.30

1.20 1.21

1.31(최대)

기술발전 X

1.20 1.20 1.17 1.18 1.23

1.30

1.08(최소)

RE 유리

1.17

영∙독∙미∙일∙한, 장기 전력생산 시나리오 비교

20

: 연 원& 시민단체. 준년

비 GHG↓1차E↓, 최종E↓, 전력↑

: 정 (원전폐 12년 연 ) & 시민단체. 준년

비 GHG↓ 1차E↓, 최종E↓, 전력↓

미 : EIA, 시민단체. 준년

비 GHG ↑↓1차E ↑↓, 최종E ↑↓, 전력 ↑↑

본 : 정 & 시민단체. 준년

비 GHG↓1차E↓, 최종E↓, 전력↓

결 론• 지속가능 사회 시나리오는 ‘택해야 할’ 경로 (장기 목표 설정, 지금부터 실천)

• 수요 관리 최우선, 송∙배전 손실율 개선• 현재 건설중인 원자력만 허용(논의 필요), 원자력과 석탄의 수명연장 및 신규 건설 X• ’30년까지는 가스 CHP 보급. 풍력, 태양광 등 RE 통해 전력 공급• 고형폐기물발전, 신규 대규모 조력은 환경 향으로 제외

• 재생가능 전력으로 전환시 부수적 편익• 에너지 수입 의존도 감소, 연료 다양성 개선• 환경 부하(GHG, 대기오염, 온배수, 방사능, 핵폐기물 등) 감소

• 국내 RE 잠재량 map과 토지 이용을 고려한 재생가능 에너지 전략• 전력 부하 고려한 최적 배치 및 지리적 배치에 대한 보완 연구 필요

• 원전 의존 사회 대비 지속가능 사회의 사회적 총비용 비교: 기준 대비 1.20• 수요 관리, 기술 비용 개선, 최근 고유가 및 외부 비용 반 등 보완 연구 필요

• 에너지 전환 논의 과정 중요

21

감사합니다.2008년

세계 순위인구

GDP(PPP)

1차E

CO2

(연소)원자력용량

원자력발전비중

원전밀집(MW/㎢, ‘11)

RE 발전 비중

한국 26위 12위 10위 10위 6위 4위2위(31 보유국)

(1위, 10대보유국中)

30위(OECD 30국中)

22

자료: IEA. 2010a,c,d. Worldwatch Institute. 2011 재구성

출처 : Fujina & Hanaoka (NIES). 2009.

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23

연구의 배경 및 목적 (참고)

구 분 원자력 유연탄 국내탄 LNG 석유 양수 신재생 집단 합 계

설비용량

(MW, %)

200817,716 22,580 1,125 17,969 5,340 3,900 1,900 835 71,364

(24.8) (31.6) (1.6) (25.2) (7.5) (5.5) (2.7) (1.2) (100.0)2022 32,916 28,820 600 23,062 3,591 4,060 4,700 3,142 100,891(4차) (32.6) (28.6) (0.6) (22.9) (3.6) (4.0) (4.7) (3.1) (100.0)2022 34,416 30,320 1,125 23,517 4,108 4,700 7,425 4,846 110,457(5차) (31.2) (27.5) (1.0) (21.3) (3.7) (4.3) (6.7) (4.4) (100.0)

발전량(GWh, %)

2008144,756 161,984 5,589 92,316 8,110 1,710 6,016 5,303 425,783

(34.0) (38.0) (1.3) (21.7) (1.9) (0.4) (1.4) (1.2) (100.0)2022 265,180 195,646 3,176 34,132 887 7,112 25,844 21,320 553,297(4차) (47.9) (35.4) (0.6) (6.2) (0.2) (1.3) (4.7) (3.9) (100.0)2022 282,314 196,553 62,170 2,915 7,125 47,892

-598,968

(5차) (47.1) (32.8) (10.4) (0.5) (1.2) (8.0) (100.0)

24자료 : 지식경제부, 2008, 2010

⇒ 에너지체제 지속 가능성(경제, 환경, 사회적) 지속 ( 순진, 2008)

⇒ 전환 문, 특히 전력 문 출량 저감 필 성 증

참여 모형

25

모형에 대한이해 수준

이해당사자들의합의 수준

전문가 모델링

전형적 결과 : 이해관계자들의 지원

부족으로 모델링권고가 불이행됨

저 고

저

고 참여 모델링

전형적 결과 : 문제, 목표, 과정에 대해합의함으로써 정책을

효과적으로 이행

현상 유지

전형적 결과 : 대립적인논쟁 및 개선이 없음

자료 : Van den Belt, 2004, p.18 수정

사례 : 미국 샌안토니오유역관리 등 (Van den

Belt, 2004)

참여 토론

전형적 결과 : 문제, 목표에 합의.문제 또는 목표의

해결법에 대한 도움 부재

사례 : 전력정책시민합의회의 (시민패널,

2004)

단위전력 생산당 생애전주기(LCA)온실가스 배출량 문헌 검토

26

박년배 2011 재인용

EU, 에너지의 외부 비용 연구

27자료 : Bickel & Friedrich, 2005자료 : Rabl & Spadaro, 2005

* YOLL : Years of Life Lost

국가별 GHG 감축 및 재생가능 E 보급 목표 비교

28료 : 년 , 2011, pp.22-24

(5차, ’24년, 8.9%)