제주도 잉여전기 해소방안
3. 국내 P2G의 경제성 평가
본장에서는 국내 알칼라인 방식의 수소 생산비용을 산정하고 민감도 분석을 통해 이의 경제성을 평가해 본다. 수전해(P2G)를 통한 수소생산 방식에는 크게 알칼라인(Alkaline), 고분자전해질막(PEM, Polymer electrolyte membrane), 고체산화물(SOEC, Solid Oxide Electrolyer Cell) 등이 있는데, 본 절에서는 상 업적으로 활용이 높은 수전해 방식 중에서 중대형 시스템에 적합한11) 알칼라인 수전해의 경제성을 분석 한다. 경제성 분석방법으로는 균등화발전원가(LCOH, Levelized Cost of Electricity)의 계산법과 유사하 게12) 균등 총비용에 균등 총수소생산량을 나누어 계산하는 균등화수소원가(LCOH, Levelized Cost of Hydrogen)를 사용한다.
3.1. 국내 알칼라인 방식 수소 생산단가
본 절에서는 2019년 기준 국내 알칼라인 방식의 수소 생산단가를 산출하기 위한 균등화수소원가(LCOH) 산식과 기본 가정 및 기본가정에 따른 결과를 알아본다.
1) 수소 생산단가 추정
본고에서는 균등화수소원가(LCOH) 방식을 통해 수소의 생산단가를 추정한다. 시간당 수소생산량(kg/h) 은 수전해기 용량(kW)을 필요전력량(kWh/kg)으로 나누어 산출하는데 여기에는 수전해기의 효율(%)과
수식 1 수소발생량 추정 산식
주 : 필요전력량은 고위발열량(39.4kWh/kg-H2) 기준 자료 : 박정호 외(2020). p.339 공정 모델링 참조
10) Gasunie 홈페이지, “Europe’s largest green hydrogen project starts in Groningen”, https://www.gasunie.nl/en/news/europes-largest-green-hydrogen-project-starts-in-groningen (최종접속일 : 2020.9.17.)
11) 이택홍(2015), 수전해 장치 기술 개요 및 전망. 전기저널, 14-17.
12) Viktorsson et al.(2017), p.3.참조. 균등화발전원가(LCOE) 방식처럼 균등화수소원가(LCOH)를 도출할 수 있다.
설비이용률(%)도 함께 고려한다([수식 1]13)). 이를 바탕으로 LCOH 산출식을 도출하면 [수식 2]와 같다.
LCOH 산식에서 균등총비용을 계산하는 방법은 다양하지만 본고에서는 [수식 2]와 같이 자본비와 운영 유지비를 합한 총비용을 균등한 값으로 계산한다.14) 총수소생산량(kg)은 설비수명기간 내 가동된 총시간 (h) 동안의 수소발생량으로 한다.
2) 2019년 수소 생산단가 추정을 위한 가정
다음으로는 2019년 기준 P2G 경제성을 분석하기 위한 기본 가정을 설명한다. 분석대상 설비는 알칼라인 수전해기로 수명은 10년, 설비투자비는 170만원/kW15)으로 가정한다. 자본비는 설비투자비용과 부대비용
수식 2 수소 생산단가(LCOH) 추정 산식
자료 : 저자 작성
표 4 수소 생산단가(LCOH) 산정 기본 가정
항목 계통연계형 독립형
설비이용률 75% 25%
설비효율 60% 60%
<자본 비용>
• 설비비용 170만원/kW
• 부대비용 설비비용의 20%
<운전유지비용>
• 전기 - 기본요금 7,750원/kW/월 0원/kW/월
- 사용요금 79.3원/kWh 0원/kWh
• 상수도 - 기본요금 1,080원/월
- 사용요금 950원/톤-H2
• 유지보수 자본비용의 2%
• 기타 자본비용의 1%
출처 : 저자 작성
13) 박정호 외(2020), 재생에너지 기반 그린 수소 생산 시스템의 기술 경제성 분석. 한국수소및신에너지학회 논문집, 31(4), 337-344. 참조하여 작성되었다.
14) IEA(2015), p.28. 균등화발전원가(LCOE) 산출식을 참고하여 저자 작성하였다.
15) 2019년 기준으로 국내 관련업계 전문가의 자문을 받아 설정하였다.
P2G 경제성 분석과 제주도 잉여전기 해소방안 동향과 분석 ②
의 두 항목으로 구성되며, 운전유지비는 상수도 및 전기요금, 유지보수비, 기타로 구성된다고 가정한다.16) 수 전해 방식을 활용한 수소 생산에는 물과 전기이외에 다른 연료는 투입되지 않으며, 상수도요금과 전기요금 은 기본요금과 사용단가17)18)가 모두 발생한다고 가정한다. 설비효율은 60%(고위발열량 기준)를 가정한다.
기본가정은 계통연계형 수전해기와 독립형 수전해기의 두 가지 경우를 고려한다. 먼저 한국전력으로부터 수전한 전기로 수소를 생산하는 계통연계형 수전해기는 경부하(하루 중 10시간)와 중간부하(하루 중 8시 간) 시간대 가동을 전제로 설비이용률이 75%임을 가정한다. 전기요금의 기본요금은 산업용(을) 평균요금 인 7,750원/kW를 적용하고, 사용요금은 산업용(을)19)의 경부하 및 중간부하 요금의 평균인 79.3원/kWh를 적용한다. 계통연계형 수전해기는 충전소 등 수요지 근처에 위치하여 저장비용만 발생하며 별도의 수송비 용은 발생하지 않는다고 가정한다.
다음으로 독립형 수전해기는 재생에너지 발전량으로 설비를 가동함을 전제하며, 설비이용률은 태양광 이 용률(15%) 및 풍력 이용률(30%)을 3:7 비율로 고려한 평균 수준인 25%로 가정한다.20) 또한 독립형 수전 해기는 재생에너지 발전기로부터 생산한 전기를 사용하며 한전으로부터 전기를 공급받지 않는다고 가정 하여 별도의 전기요금(기본요금과 사용요금)이 발생하지 않는다고 가정한다. 마지막으로 독립형 수전해기 는 수요지와 이격되어 수송 및 저장비용이 발생한다고 가정한다. 다음의 <표 4>는 수소 생산단가 산출을 위한 가정수치를 정리한 것이다.
3) 2019년 수소 생산단가 추정 결과
기본 가정에 따라 계산된 수소 생산단가는 2019년 기준 계통연계형 수전해기의 경우 수소 kg당 8,792원, 독립형 수전해기의 경우 kg당 7,955원으로 설비이용률이 높은 계통연계형 수전해기의 생산단가가 독립형 수전해기의 생산단가보다 837원/kg 더 높은 것으로 산출되었다. 각각의 가정에서 산출된 결과를 항목별 로 살펴보면, 계통연계형 수전해기에서 전기요금은 전체 생산단가에서 70%를 차지하며 생산단가 구성항 목 중 가장 큰 비중을 차지하는 것으로 분석되었다. 반면, 재생에너지 발전량으로 설비를 가동하여 전기요 금이 발생하지 않는 것을 전제로 한 독립형 수전해기의 경우에는 수전해기의 설비비용이 차지하는 비중 이 총 생산단가의 80% 이상으로 생산단가를 구성하는 항목 중 가장 큰 비중을 차지하였다(<표 5> 참조).
수소 생산단가에 저장비용과 수송비용을 합한 값인 공급단가의 경우, 계통연계형 수전해기는 9,077원/kg, 독립형 수전해기는 15,896원/kg으로 계산되었다. 이는 2020년 4월 기준 수소충전소의 매입가격, 6,000 원~7,500원/kg21)을 모두 상회하는 수준으로 향후 P2G 활성화를 위해서는 기술개발 촉진과 더불어 전기
16) Lee et al. (2017) 참고. 자본비 항목의 부대비용은 설비비용의 20%로 가정한다. 운전유지비 항목의 유지보수비는 자본비의 2%, 기타비용은 자본비의 1%로 가정한다.
17) 기본요금은 사용량에 상관없이 월정액으로 부과되는 요금이며, 사용단가는 사용량에 따라 부과되는 요금이다.
18) 상수도요금의 경우 기본요금은 수도계량기 구경 15mm 정액요금(1,080원/월) 사용단가는 일반용(50~300톤)에 적용되는 단가(950원/톤 적용)를 적용한다.
전기요금의 경우 본문에 있는 바와 같이 기본가정에 따라 다르게 적용한다.
19) 산업용(을) 전기요금은 광업, 제조업 및 기타사업에 전력을 사용하는 계약전력 300kW 이상의 고객에게 적용한다.
20) 박정호 외(2020)
21) 월간수소경제(2020.4.2.), “수소충전소 적자운영으로 문 닫을 판, 정부 지원 '절실'”
요금 설계 및 수요반응시장에서의 P2G 활용으로 경제성 제고를 모색할 필요가 있다고 판단된다. 특히 독 립형 수전해는 생산단가 대비 공급단가가 약 2배로 수송비용의 감소가 경제성 개선에 있어서 중요한 요 소임을 나타낸다.
4) 2019년 수소 생산단가(계통연계형) 민감도 분석
다음으로는 민감도 분석을 실시하여 주요 비용항목들이 계통연계형 수소 생산단가에 어떤 영향을 미치는 지 알아본다. 민감도 분석 항목으로는 설비효율, 설비비용, 전기요금, 설비이용률 등 4가지를 대상으로 하였 고, 각 민감도 분석에서 분석대상 이외의 기본 가정수치는 계통연계형에서 가정한 것을 바탕으로 하였다.
[그림 4]는 민감도 결과를 나타낸다.
우선 설비이용률에 따른 수소 생산단가의 변화를 살펴보면, 상시가동을 가정(100%)하면 생산단가는 7,903원/kg이지만 가동률이 하락할수록 생산단가가 크게 증가할 수 있음을 알 수 있다. 설비이용률이 20%까지 낮아지면 수소 생산단가는 18,619원/kg까지 증가한다.
다음으로 전기요금의 변화에 따른 수소 생산단가의 변화를 살펴보면, 전기요금의 기본요금은 계통연계형 에서와 마찬가지로 월 7,750원/kW이 계속 발생한다고 가정하고, 사용단가의 차이에 따라서 수전해 생산 단가가 어떻게 달라지는지 살펴보았다. 산업용(을) 전기요금 평균(104.4원/kWh)에 근접한 수준인 100원/
표 5 2019년 수소 생산단가(LCOH) 및 공급단가 산정 결과
구분 항목 계통연계형 독립형
생산단가
생산단가(LCOH) 8,792 7,955
<자본 비용> 2,572 7,717
•설비비용 2,144 6,431
•보조설비(supplement) 비용 429 1,286
<운전유지비용> 6,220 237
•전기 6,127 0
- 기본요금 928 0
- 사용요금 5,199 0~
•상수도 16.0 5.7
- 기본요금 0.1 0.4
- 사용요금 15.8 5.3
•유지보수 51.4 154.3
•기타 25.7 77.2
수송, 저장 비용 수송비용 0 7,656
저장비용 285 285
공급단가 공급단가 9,077 15,896
출처 : 저자 작성
P2G 경제성 분석과 제주도 잉여전기 해소방안 동향과 분석 ②
kWh으로 가정 시 수소단가는 10,149원/kg이다. 기본가정에서 가정한 것과 같이 경부하 및 중부하 시간대 에 적용되는 요금의 평균(79.3원/kWh) 가까운 80원/kWh일 때 생산단가는 8,792원/kg으로 낮아진다. 전 기요금이 20원/kWh 수준으로 낮아지면 생산단가는 4,905원/kg까지 감소할 수 있다. 이는 수소의 생산단 가가 전기요금의 수준에 따라 변화됨을 알 수 있다.
설비효율이 기본가정(60%) 수준보다 높거나 낮을 경우를 가정할 때 생산단가는 다음과 같다. 기본가정에 서는 2019년 알칼라인 수전해기 설비효율로 60%(65.56㎾h/㎏)를 가정하였다.22) 우리나라는 수소 기술 개발 로드맵(안)23)에서 2040년까지 국내기술로 90%에 근접한 수준(43k㎾h/㎏)까지 효율을 개선시킬 수 있을 것으로 보았는데, 본고의 분석에서 효율이 90%까지 개선되었다고 가정할 때 수소 생산단가는 5,867 원/kg까지 감소할 수 있다.
마지막으로 설비비용은 2019년 170만원/kg 수준에서 향후 기술발전 등으로 2019년 대비 약 1/3수준까지 감소될 수 있음을 가정하였다. 설비비용이 kW당 50만 원까지 하락하면 수소 생산비용은 6,922원/kg까 지 하락할 수 있는 것으로 나타났다. 하지만 본고의 민감도 분석 시나리오에서 설비비용에 의한 단가변화 는 최대 8,792원/kg에서 최소 6,922원/kg으로 그 차이가 1,870원/kg 수준에 불과해 설비비용 감소에 의 한 수소 생산단가 감소 효과는 다른 요인들(설비효율, 전기요금, 가동률)에 의한 효과보다는 크지 않을 것 으로 분석되었다.
그림 4 수소 생산단가(계통연계형) 민감도 분석 결과
자료 : 저자 작성
20% 40% 60% 80% 100%
21,000 18,000
18,619
11,915
9,683 8,570 7,903 15,000
12,000 9,000 6,000 3,000 설비이용율, % 설비이용률, %
50% 60% 70% 80% 90%
21,000 18,000
10,547
8,752 7,538 6,598 5,867 15,000
12,000 9,000 6,000 3,000 0 설비효율(%)설비효율, %
20.0 40.0 60.0 79.3 100.0
21,000 18,000
4,905 6,216 7,527 8,732 10,149 15,000
12,000 9,000 6,000 3,000 0
전기요금(원, kwh) 전기요금(원, kw)
50 80 110 140 170
21,000 18,000
6,922 7,389 7,857 8,325 8,792 15,000
12,000 9,000 6,000 3,000 0
설비비용(만원, kw)설비비용(만원, kw)
22) 선행연구에서는 국내 100MW급 알칼라인 수전해기 설비효율을 70%로 가정하였다. 박정호 외(2020) 참고 23) 관계부처합동(2019b), 수소 기술개발 로드맵(안) p.25. 참조
3.2. 2030년 제주도 잉여전기를 활용한 P2G 경제성 분석
다음으로는 2030년 제주도에서 잉여전기 발생을 가정하여 수전해기를 가동함을 전제로 P2G 경제성을 알 아보기 위한 분석을 실시하였다. 본 절에서는 잉여전기 활용 수전해 경제성 전망을 위한 가정과 그에 따른 분석 결과를 살펴본다.
1) 2030년 잉여전기 활용 수소 생산단가 산정을 위한 가정
2030년의 P2G 경제성을 분석하기 위해 P2G 설비가 잉여 재생에너지 전기로만 가동됨을 가정한다. 따라 서 P2G 수전해기의 설비이용률은 제주도 잉여전기 발생 분석 결과24)를 반영하여 22.1% 수준으로 가정한 다. 전기 기본요금에 대해서는 산업용(을) ‘선택Ⅰ’의 평균요금인 6,813원/kW를 적용하였다. 2030년 잉여전 기 활용 수소 생산단가 전망은 2019년 가정과 동일하게 계통연계형 수전해기와 독립형 수전해기의 두 가 지 경우를 고려한다.
먼저 2030년 계통연계형에서 잉여전기에만 전기를 사용하는 전기요금 규정이 부재하므로 기본요금과 사 용요금을 다음과 같이 가정한다. 전기 발생 시에만 전기를 사용하는 수전해기의 기본요금은 주로 발전기 투 자비 일부와 송배전비용으로 구성되어 있다고 가정하여 2019년에서 적용한 기본요금인 6,813원/kW/월에 서 최소값을 1/3 수준인 2,271원/kW/월까지 책정된다고 가정한다. 또한 수전해기에 투입되는 전기가 잉여
24) 제주특별자치도(2019) p.62. 참조
표 6 2030년 생산단가 전망을 위한 입력수치
항목 2030년 계통연계형 2030년 독립형
설비이용률 22.1%
설비효율 80%
<자본 비용>
• 설비비용 85~127.5만원/kW
• 부대비용 설비비용의 20%
<운전유지비용>
• 전기 - 기본요금 2,271~6,813원/kW/월 0원/kW/월
- 사용요금 29.6~59.2원/kWh 0원/kWh
• 상수도 - 기본요금 1,080원/월
- 사용요금 950원/톤-H2
• 유지보수 자본비용의 2%
• 기타 자본비용의 1%
출처 : 저자 작성
P2G 경제성 분석과 제주도 잉여전기 해소방안 동향과 분석 ②