균등화 원가에 의한 원자력수소 생산의 경제성 분석
조성한1)*
The Economic Analysis of the Hydrogen Production with Nuclear Energy Using a Levelized Cost Method
Sunghan Jo
*Abstract : Hydrogen economy starts to be an interesting issue of the future sustainable energy in energy network.
The growth rate of hydrogen demand is expected to increase rapidly after 2020. The R&D of new nuclear reactor is needed and the economic analysis is required for hydrogen production using 4th generation nuclear energy.
The purpose of this research is the estimation of hydrogen production cost using the levelized cost method when the hydrogen is produced by new nuclear reactor. And the hydrogen production cost is compared with various production systems. The research shows that the hydrogen production plant using nuclear energy has the capacity of 400,200tons per year at full capacity with 6 modules of nuclear reactors. And the hydrogen production cost using new nuclear energy is 1,209 won/kg when the discount rate is 4% and the utilization plant capacity is 90%. And the cost is 1,602 won/kg and 1,742 won/kg with 7% and 8% discount rate respectively. Economically, hydrogen production using new ear energy is more cost-effective than any other energy sources. The economical efficiency of hydrogen production using new nuclear energy is improved when oil price is increase or when the carbon tax is imposed.
Key words : Levelized cost, Hydrogen economy, High temperature reactor
요 약 : 수소에너지가 에너지공급체계 내에서 지속가능한 미래에너지로서 조명 받기 시작하였다. 2020년 이후 수소 수요는 급속도로 증가할 것으로 전망하였다. 수소를 생산할 수 있는 새로운 원자로의 연구와 개발이 필요하 며, 그에 따른 제4세대 원자로를 통한 수소생산의 경제성 분석이 필요할 것으로 보인다. 따라서 이 연구의 목적은 균등화원가 산출방법을 이용하여, 새로운 원자로를 이용하여 수소생산 원가를 산출하고 다른 방법에 의한 수소 를 생산한 원가와 비교하여 원자력 이용 수소생산의 경제성을 알아보는데 있다. 원자력에 의한 수소공장은 6모 듈로 100% 가동 시 400,200톤을 생산할 능력을 가지게 된다. 원자력발전의 실제 이용률인 90%인 경우는 할인율 이 4%일 때는 kg당 1,209원, 7%일 때는 kg당 1,602원, 8%일 때는 kg당 1,742원으로 계산되었다. 원자력을 이용 한 수소생산은 타에너지를 사용하는 것보다는 경제적인 것으로 판단되며, 원유가격이 상승할 경우와 탄소세를 부과할 경우 경제성은 더 좋을 것으로 보인다.
주요어 : 균등화원가, 수소경제, 고온가스냉각로
2010년 3월 8일 접수, 2010년 12월 1일 채택 1) 동국대학교 경영대학 회계학과
*Corresponding Author(조성한) E-mail; [email protected]
Address; Department of Accounting, Dongguk University, Seoul 100-715, Korea
서 론
수소에너지가 에너지공급체계 내에서 지속가능한 미 래에너지로서 조명받기 시작하였다. 그 이유로는 에너지 사용으로 인한 대기오염의 악화, 국제유가의 상승으로 석유시용의 필요성 제기, 기후변화협약에 따른 이산화탄
소 배출량감축, 환경을 고려한 청정에너지 개발 요구 증 가 등을 들 수 있다. 이러한 이유로 수소에너지의 사용은 우리나라 뿐 아니라 전 세계에서 진행되고 있다. 미국, 일본, 유럽국가, 캐나다와 중국과 같은 나라들에서는 운 송수단으로 수소에너지의 상용화를 위해 많은 연구와 투 자가 진행되고 있다.
미국은 2004년에 “A Hydrogen Economy - to 2030 and Beyond”에서 수소는 미국의 청정에너지 대안이라 는 비전하에 4단계 로드맵을 수립하여 추진 중에 있다.
특히, 수소연료전지자동차의 보급확대를 위해 총에너지 사용량의 10%를 수소로 공급할 계획을 가지고 있다. 이 연구논문
Table 1. The Estimation of Hydrogen Demand for Basic Plan Unit: Thousand Ton, % year
classification 2010 2020 2030 2040
Industrial 0
(0.0)
10 (33.9)
292 (35.4)
2,174 (28.0)
Transportation 0
(0.0)
12 (42.7)
330 (40.0)
3,545 (45.6)
Residential 0
(0.0)
1 (5.2)
32 (3.9)
355 (4.6)
Commercial 0
(0.0)
5 (18.1)
170 (20.7)
1,696 (21.8)
합 계 0
(0.0)
28 (100)
824 (100)
7,769 (100) Source: KEEI (2006)
를 위해 향후 Hydrogen Fuel Initiative, Freedom CAR 계획에 총 17억불을 투자할 예정이다.
일본은 잃어버린 10년의 새로운 성장동력으로 수소연 료전지를 인식하여 연료전지 자동차 및 가정용 연료전자 산업화에 주력하고 있으며, 2020년까지 연료전지자동차 500만대, 가정용 연료전지 570만대 등을 보급할 예정에 있다. 이를 실천하기 위하여 혼다는 연료전지자동차에, 미쓰비씨와 에바라발라드는 가정용 연료전지 개발과 보 급에 앞장서고 있다.
유럽은 범유럽 차원에서 수소행동계획 및 로드맵을 작 성하여 연료전지와 수소를 전략적으로 개발을 추진하고 있다. 캐나다 역시 수소연료전지의 조기산업화를 위해 연료전지 상업화 및 수소개발 로드맵을 발표하고, 2010 년 동계올림픽을 대비해 캐나다-미국 간 수소고속도로 를 건설하였다. 중국은 환경오염을 줄이고 초고속 경제 성장을 견인할 에너지 대안으로 수소에 주목하고 수소연 료전지자동차 개발에 집중투자를 하고 있다.
우리나라도 2008년에 국가에너지기본계획(안)에서 신 재생에너지 보급 확대 및 성장 동력화를 위해 태양광, 풍 력과 함께 수소연료전지를 핵심 분야로 집중 투자할 필 요성을 인식하고 있다. 국가에너지기본계획에 의하면 수 소연료전기는 핵심분야로 지정하여 전략적으로 개발과 투자를 강화할 예정이며, 수소공급의 인프라 구축을 통 해 수소경제로의 이행을 촉진하고자 계획하고 있다.
정부는 2003년에 제2차 신재생에너지 기술개발 및 이 용보급 기본계획(2003～2012)을 발표하였다. 이 계획에 서는 2011년까지 연료전지를 이용한 발전은 총 370 MW 의 설비 보급을 정책목표로 수립하였다. 또한 총 전력생 산 중 연료전지 발전량은 2012년에 2,621.7 GWh으로 계획하고 있다. 이 기본계획에 따르면, 정부는 세계 3위
의 연료전지 기술보유국에 진입시키고, 세계 일류상품화 를 추진하는 개발목표를 세우고 있으며, 2012년까지 보 급형 연료전지의 집중적인 개발로 전력사업용 300기, 가 정용 RPG(Residential Power Generator) 1만기를 공급 할 계획을 가지고 있다. 정부는 선진국과의 기술격차를 줄이고 수소에너지 기술선진국 진입을 위한 기반을 확보 할 계획을 가지고 있다. 수소에너지 보급은 연료전지와 연계하여 추진되며, 수소자동차 보급에 대비하여 수소충 전소의 시범 운영 및 보급이 계획되고 있다. 수소연료전 지 자동차를 2012년까지 3,200대를 보급할 계획을 가지 고 있다. 수소에너지 발전시스템 및 수소-천연가스 중대 형 동력시스템 개발을 통해 설비부품의 국산화율을 제고 하며 실증연구를 연계, 추진하여 보급기반을 구축할 개 발 목표를 설정하였다.
에너지경제연구원(2006, 2007)의 연구에 의하면, 기준 안의 수요량의 경우 2015년에 1,600톤으로 시작하여 2040 년에는 777만톤으로 증가하는 것으로 전망하였다. 수소 수요량은 2020년 이후 급속도로 중가하고 있다. 2040년 도 부문별로는 수송부문이 355만톤으로 45.6%를 차지 하며 산업부문은 217만톤, 상업부문은 170만톤, 가정부 문은 36만톤으로 나타났다. 기준안의 수소수요량 전망 을 Table 1에 정리하였다.
또한 제4세대 원자로의 개발 및 상용화로 값 싼 수소 생산에 대한 연구가 추진되고 있다. 제4세대 원자로 중 고온가스로의 개발로 800℃～1,000℃의 높은 열을 이용 한 고온수증기 전해법에 의한 수소와 산소를 얻는 방법 에 대한 연구가 활발하게 진행 중에 있다. 물을 열로 직 접 분해하기 위해서는 4,000K 이상의 고온을 필요로 한 다. 그러나 저온의 화학반응을 이용하면 1,000℃ 이하의 저온에서도 물을 분해할 수 있다. 대표적인 열화학 공정
은 요오드-황을 이용하여 개발되었다. 이 공정과 같이 고 온가스로에서는 헬륨을 냉각재로 사용하여 900℃ 이상 의 열을 배출하여 수소를 생산할 수 있다.
본 연구는 이러한 환경 하에서 균등화원가 산출방법을 이용하여, 제4세대 원자력을 이용하여 수소생산 원가를 산출하고, 다른 공정에 의한 수소 생산 원가와 비교하여 원자력 이용 수소생산의 경제성을 알아보는데 그 목적을 두고 있다. 본 논문의 구성은 다음과 같다. 원자력에 의한 수소생산의 적용된 균등화 원가산출방법을 정리하고, 또 한 분석에서 사용된 자료와 분석결과를 서술한다. 마지막 으로 분석결과를 정리하고, 시사점을 도출하고자 한다.
수소생산원가의 균등화 산정 방식
균등화 원가란 연도별로 불규칙하게 발생하는 비용과 수소의 생산량을 화폐의 시간적 가치를 고려하여 연도별 로 균등하게 하고, 산출된 비용과 수소의 생산량을 이용 하여 원자력수소원가를 산출하는 방식을 의미한다. 수소 의 생산에 들어간 비용을 고정비와 변동비로 구분하여 각각 다른 방식으로 산출하여 단위 당 고정비와 변동비 를 더함으로써 수소의 생산원가를 산출하는 방법이다.
그리고 이용률에 따라 원가의 계산이 가능하여 이용률에 따른 원가를 산출하여 다른 방법으로 산출되는 수소의 원가를 비교할 것이다.
균등화수소생산원가에 의한 경제성 평가에서는 대상 수소생산 공장 하나만을 고려한 수소생산 공장 이용률 추정치를 사용한다. 그러나 수소수요의 형태가 달라지거 나 수소생산설비가 추가되면 다른 기존 수소생산 공장의 이용률이 변하게 되기 때문에 균등화비용에 의한 경제성 비교는 한계가 있다. 그러므로 이 방법은 전원간 우열의 개략적인 비교에 사용할 수 있으나 전체적인 수소공급망 전체적인 공급 전략 수립에 이용하기에는 한계가 있다.
그러나 이 방법은 이해와 계산이 편리하고, 국가 간의 수 소생산원가 비교에 이용할 수 있다는 장점이 있기 때문 에 많이 사용되고 있다.
원자력을 이용한 연간 수소의 생산량이 연도별로 다르 게 되는 것은 원자력수소생산공장의 고장정지, 보수, 계 획정지, 수소의 수요 등의 요소들이 시간에 따라 변화하 기 때문이다. 어떤 수소공장에 대한 t년도의 수소생산량 (Ht: kg)은 식 (1)과 같이 수소생산공장의 용량(P: kWth) 과 연평균이용률 (CFt)의 함수로 표시된다.
열효율
×
× (1)
8,760은 연간 시간이며, 수소 1 kg을 생산하기 위해서 는 39.4 kWh/열효율의 열량이 필요하다.
원자력수소생산공장 수명기간 동안에 대한 균등화 수 소생산량()은 식 (2)로 나타낼 수 있다.
열효율
×
××
(2)위 식의 의미는 원자력수소생산공장 수명기간 동안의 연간 균등화수소생산량은 모든 연도의 수소생산량에 대 한 현재가치의 합에 자본회수계수를 곱한 것이다. 위 식 은 균등화 용량계수()를 이용할 경우 식 (3)과 같이 표현된다.
열효율
×
× (3)
또한 ⋅
이 된다.는 자본회수계수(Capatal Recovery Factor)로 연 금계수라고도 부르며 초기비용 P를 수명기간 n(년)동안 시간가치(할인율 r)를 고려하여 매 기간 균등하게 회수 할 때, 회수해야하는 비용인 연금 A의 초기비용 P에 대 한 비율을 의미한다.
⋅ (4) 원자력수소생산공장의 고정비는 모듈 건설비와 싸이 트공통시설 건설비가 있다. 건설비에 대한 연간비용은
｢Overnight 건설비×용량×고정비율｣로 계산되는 비용이다.
원자력수소생산공장의 변동비는 핵연료비, 핵폐기물처 리비용, 원자로해체비로 구성되어 있는 핵주기비용과 모 듈별 운영비와 싸이트공통운영비로 구성되어 있는 운영 비가 있다. 변동비는 열비용단가를 구하여 수소를 생산 하는데 드는 열량을 곱하여 수소 1 kg을 생산하는데 드 는 단가로 환산하였다. 이러한 변동비를 연간 균등화하 여 변동비원가로 계산한다.
균등화수소생산 원가는 연간 균등화한 고정비원가와 연간 균등화한 변동비원가를 더하여 구한다.
균등화 수소생산 원가
= (균등화)고정비원가 + (균등화)변동비원가 (5) 위의 식은 비용 및 이용률이 매년 동일하다는 가정이 포함되어 있다.
Table 2. The Costs for 4th Generation Nuclear Plant
Classifications Costs Consideration in Conversion
Construction cost
per module $195,000,000 capacity, temperature, price level common cost $105,000,000 capacity, price level Nuclear
cost
nuclear fuel $2,600,000/year price level radio active waste $710,000/year price level
decommission $355,000/year price level
Operating cost
per module $4,600,000/year capacity, temperature, price level
common cost $4,400,000/year price level
Source: Thomas (1991), Modular Gas-Cooled Reactor Economics: The Application of Contingent Claims Analysis
Table 3. The Conversion Costs for 4th Generation Nuclear Plant
Classifications Conversion Cost Conversion Rate
Construction cost
per module $657,000,000 32/3 X 1.2 X 1.35
common cost $425,000,000 3 X 1.35 (3600 MWth) Nuclear
cost
nuclear fuel $3,5100,000/year 1.35
radio active waste $958,500/year 1.35
decommission $479,250/year 1.35
Operating cost
per module $15,500,000/year 32/3 X 1.2 X 1.35 common cost $5,940,000/year 1.35 (3600 MWth) Source: Thomas (1991), Modular Gas-Cooled Reactor Economics: The Application of Contingent Claims Analysis
원자력수소 생산 원가의 산정 및 비교
경제성 분석의 가정
분석 대상 수소생산 공장은 미국의 고온가스냉각로를 기준으로 전량 수소를 생산하는 것으로 가정하였으며, 열출력기준 600 MWth로서 100% 가동 시 최대 66,700 톤을 생산할 수 있다. 이때에 열효율은 50%로 가정하였 으며, 건설비는 N-th Plant로 가정하였다. 또한 수명은 60년으로 하였다.
분석자료는 Thomas(1991)에서 산정한 비용구조를 활 용하여 현재의 비용으로 환산하여 분석하였다. Thomas (1991)에서 산출한 비용은 1991년을 기준년도의 가격으로 산출되어 있다. 열출력은 200 MW(th), 출구온도 850℃, 6 모듈 싸이트로 비용을 산정하였다. 또한 Thomas(1991) 에는 건설기간은 24개월이며, 기기발주 선행기간을 30 개월로 보고 있으나, 본 연구에서는 Overnight 건설로 가정하고 경제성 분석을 하였다.
Thomas(1991)의 비용분석을 2003년과 분석대상의 원 자로로 환산하기 위해서는 소비자물가지수, 용량에 따른 비용상승, 온도상승에 의한 비용상승을 각 항목별로 고
려하였다. Table 2에 Thomas(1991)의 비용내역과 환산 을 위한 고려사항을 정리하였다.
모듈별 건설비의 계산을 위하여 용량에 따른 비용 상 승은 2/3승에 비례하고, 온도상승에 의한 비용 상승은 1.2배, 소비자물가는 1.35배로 상승하는 것으로 가정하 였다. 싸이트공통시설 건설비는 싸이트 용량에 따라 비 례하며, 소비자물가지수에 의해 1.35배 상승한다. 핵주 기비는 실제 발생한 열량에만 비례하기 때문에 소비자물 가지수에 의해 1.35배 증가한다. 모듈별 운영비는 용량 에 따른 비용 상승에 의해 2/3승에 비례하고, 온도상승 에 의한 비용 상승 1.2배, 소비자물가지수 1.35배에 의해 상승된다. 싸이트공통시설 운영비는 소비자물가지수에 의한 상승 1.35배를 하였다.
이에 따라 환산된 비용은 Table 3에 정리하였다. 모듈 별 건설비는 657 M$이며, 싸이트공통시설 건설비는 3600 MWth 기준 425 M$로 증가하게 된다. 핵주기기비용은 핵연료비는 연간 3.51 M$이며, 핵폐기물처리비용은 연 간 $958,500의 비용이 들어가고, 원자로해체비용은 연 간 $479,250의 비용을 사용한다. 운영비로는 연간 15.5M 의 모듈별 운영비와 3600 MWth 기준 5.94 M$의 싸이
Table 4. The Variable Costs for Hydrogen Production Unit: won/kg Classifications Production Cost per kg
Nuclear cost
nuclear fuel 189.44 radio active waste 51.73
decommission 25.87
Total 267.04
Operating cost
per module 278.86 common cost 17.81
Total 296.67
Total Variable Cost 563.71 트공통시설 운영비가 산정되었다.
건설비는 Overnight 비용으로 가정하였으며, 설계수명 은 60년이 되는 것으로 가정하였다. 법인세율은 기존의 한국전력공사에서 원자력 및 기타 발전소에서 적용하는 0.016%를 적용하였다. 그리고 환율은 2003년 기준으로 달러당 1,200원을 적용하였다.
수소 1 kg을 생산하는데 39.4 kWth-hr의 열량이 필요 하며, MIT보고서에서 분석한 원자로의 열효율은 45%로 되어 있으나, 본 연구에서의 열효율은 온도상승으로 인 하여 50%로 상승하는 것으로 가정하였다.
할인율에 의한 시나리오는 2003년의 콜금리가 4%이 었기 때문에 4%의 할인율을 적용하였다. 또한 제1차 전 력수급기본계획과 제2차 전력수급기본계획에서 각각 8%
와 7%의 할인율을 적용하였으므로 이에 따른 7%와 8%
의 할인율에 대한 수소생산원가를 계산하였다.
경제성 분석의 결과
수소 생산원가는 고정비와 변동비로 구분하여 분석하 였다. 고정비는 모듈별 건설비와 싸이트 공통시설 건설 비를 사용하였으며, 변동비는 핵주기비와 운영비를 이용 하여 분석하였다.
고정비는 모듈별 건설비와 싸이트 공통시설 건설비를 합하여 1,456,000원/kWth으로 계산되었으며, 60년 수명 기간으로 할인율이 4%, 7%, 8%일 때 자본회수계수는 각각 4.42, 7.12, 8.08로 계산하였다.
변동비는 핵주기비와 운영비를 수소 1 kg을 생산하는 데 필요한 열량을 가지고 kg당 가격으로 계산하였다. 핵 주기비는 핵연료비, 핵폐기물 처리비용과 원자로 해체비 용을 고려하였으며, 운영비는 모듈과 공통운영비로 구성 되어 있다. 핵주기비는 267.04원/kg으로 계산되었고, 운 영비는 296.67원/kg으로 계산되어 총 변동비는 1 kg의 수소생산에 563.71원이 드는 것으로 계산하였다. Table 4에 변동비의 구성별 내역이 정리되어 있다.
이용률에 따른 수소생산량은 1%일 경우 모듈당 667 톤을 생산할 수 있으며 6모듈인 경우 4,002톤을 생산할 수 있다. 따라서 6모듈로 100% 가동 시 400,200톤을 생 산할 능력을 가지게 된다.
분석결과는 시나리오 별 할인율이 4%, 7%, 8%에 따 른 수소생산공장의 이용률에 따라 산출하였다. 4%의 경 우는 이용률이 1%일 경우 kg 당 58,653원부터 100%이 용률일 때 kg 당 1,145원으로 계산되었다. 7%의 경우는 이용률이 1%일 경우 kg 당 94,043원부터 100%이용률 일 때 kg 당 1,499원으로 계산되었다. 8%의 경우는 이 용률이 1%일 경우 kg 당 106,573원부터 100%이용률일 때 kg 당 1,624원으로 계산되었다.
원자력발전의 경우 발전소의 이용률은 2003년에 90%
정도를 유지하고 있다. 이는 발전소의 고장정지, 보수, 계획정지, 급전정지, 전력계통 수요 등의 요소들에 의해 이용률이 결정되기 때문이다. 이를 적용하여 시나리오별 로 수소생산원가를 살펴보면, 4%일 때는 kg당 1,209원, 7%일 때는 kg당 1,602원, 8%일 때는 kg당 1,742원으로 계산되었다. 이용률에 따른 수소생산량과 시나리오별과 이용률별 수소생산원가가 Table 5에 정리하였다. 시나리 오별과 이용률 1%별 수소생산원가가 부록에서 보여 주 고 있다.
국내에서 연간 40만톤의 수소를 납사원료 증기개질법 으로 생산하여 탈황 및 정제에 사용하고 있다. 이때의 수 소생산 원가는 2002년 가격으로 톤당 $1,100으로, 2004 년 가격으로 톤당 $1,630으로 추정하고 있다. 원유 도입 가는 2002년 평균 $23.3/bbl이고, 2004년에는$36.3/bbl 이었다. 2002년의 평균환율은 달러당 1,200원으로, 2004 년 평균환율은 달러당 1,150원을 적용하여 계산하였다.
kg당으로 계산된 원가가 Table 6에 정리되어 있다.
원유가격이 더 상승할 경우 원자력수소 생산은 납사원 료 증기개질법의 수소생산단가는 상승할 것으로 추정한 다. 이를 2002년과 2004년의 자료를 이용하여 원유 도 입가에 따라 일정하게 증가한다고 가정하여 원유도입가 가 $50이 될 경우와 $60이 될 경우를 계산하면 각각 2,232원/kg과 2,648원/kg으로 예상된다.
또한 납사원료 증기개질법의 경우는 생산 시 온실가스인 이산화탄소가 발생하기 때문에 탄소세의 부과가 원가의 상 승을 초래한다. 이는 유럽에서 거래되고 있는 이산화탄소의 배출권거래 가격의 최저가격(2005년 1월에 6.68유로/tCO2) 과 최고가격(2005년 7월에 29.14유로/tCO2)을 탄소세로 가정할 경우 납사원료 증기개질법의 수소생산단가는 각 각 51원/kg과 204원/kg 만큼 상승하게 된다. 원유가격의 상승과 탄소세의 부과에 따른 납사원료 증기개질법의 수
Table 5. Hydrogen Production and Production Cost on the Plant Factor Unit: Thousand Ton, won/kg Plant Factor
(%)
Hydrogen Production Production Cost on Scenario
1 module 6 modules 4% 7% 8%
10 6.67 40.02 6,373 9,912 11,165
20 13.34 80.04 3,468 5,238 5,864
30 20.01 120.06 2,500 3,680 4,097
40 26.68 160.08 2,016 2,901 3,214
50 33.35 200.10 1,725 2,433 2,684
60 40.02 240.12 1,532 2,122 2,331
70 46.69 280.14 1,394 1,899 2,078
80 53.36 320.16 1,290 1,732 1,889
90 60.03 360.18 1,209 1,602 1,742
100 66.70 400.20 1,145 1,499 1,624
Table 6. The Cost Comparison between Steam Reforming and Using Nuclear Power
Classifications Steam Reforming from LPG Nuclear Power
Conditions 2002 Year 2004 Year Discount rate
4% 7% 8%
Production Cost (Won/kg) 1,320 1,875 1,209 1,602 1,742
Production Conditions Oil Import Price
90% Plant Factor in 600 MWth x 6 module
$23.3/bbl $36.3/bbl
Table 7. Carbon Tax and The Cost of Hydrogen Production Unit: $/bbl, won/kg
Oil Price without Carbon Tax
With Carbon Tax Minimum Maximum
23.3 1,320 1,371 1,524
36.3 1,875 1,925 2,078
50.0 2,232 2,283 2,436
60.0 2,648 2,699 2,852
소생산단가가 각 경우 별로 Table 7에 정리되어 있다.
원자력 수소 생산 방식과 비교 할 경우, 원자력 수소생 산방식이 원유가격의 상승과 탄소세의 부과 시 원자력 수소 생산 방식이 경제성이 있는 것으로 나타났다.
요약 및 시사점
수소에너지가 에너지공급체계 내에서 지속가능한 미 래에너지로서 조명 받기 시작하였다. 미국, 일본, 유럽국 가, 캐나다와 중국들의 국가에서는 운송수단으로 수소에
너지의 상용화를 위해 많은 연구와 투자가 진행되고 있 다. 우리나라도 2008년에 국가에너지기본계획(안)에서 신 재생에너지 보급 확대 및 성장 동력화를 위해 태양광, 풍 력과 함께 수소연료전지를 핵심 분야로 집중 투자할 필 요성을 인식하고 있다. 수소연료전지는 4대 핵심분야로 지정하여 전략적으로 개발과 투자를 강화할 예정이다.
또한 수소공급의 인프라 구축을 통해 수소경제로의 이행 을 촉진하고자 계획하고 있다.
에너지경제연구원(2006, 2007)의 수소 수요전망은 2020 년 이후 급속도로 증가할 것으로 전망하였다. 이러한 수 요에 대비하여 수소생산의 역량을 증가할 필요성이 있는 것으로 보고 있다. 이를 위해 값 싸고 대량을 생산할 수 있는 제4세대 원자로의 개발 및 상용화의 연구가 필요하 며, 그에 따른 제4세대 원자로를 통한 수소생산의 경제 성 분석이 필요할 것으로 보인다.
물의 화학반응을 돕기 위해 각종 촉매와 원자력으로부 터 열에너지를 공급 받아 물을 분해하여 수소를 생산하 는 방식이다. 촉매인 요오드(I)를 촉매로 사용하여 물을 분해하여 수소를 만드는 방법이다. 현재 미국의 고온가 스냉각로(NGNP)의 개발로 실용화 가능성이 높은 방식
이며, 대용량 수소생산에 적합한 것으로 알려져 있다. 또 한 원가 면에서 저렴할 것으로 예상이 된다.
이러한 필요성에 의해 균등화원가 산출방법을 이용하 여, 제4세대 원자력을 이용하여 수소생산 원가를 산출하 고 다른 방법에 의한 수소를 생산한 원가와 비교하여 원 자력 이용 수소생산의 경제성을 알아보는데 그 목적을 두고 있다.
균등화 원가란 연도별로 불규칙하게 발생하는 비용 과 수소의 생산량을 화폐의 시간적 가치를 고려하여 연 도별로 균등하게 하고, 산출된 비용과 수소의 생산량을 이용하여 원자력수소원가를 산출하는 방식을 의미한다.
수소의 생산에 들어간 비용을 고정비와 변동비로 구분 하여 각각 다른 방식으로 산출하여 단위 당 고정비와 변동비를 더함으로써 수소의 생산원가를 산출하는 방 법이다.
분석 대상 수소생산 공장은 미국의 고온가스냉각로를 기준으로 전량 수소를 생산하는 것으로 가정하였으며, 열 출력기준 600 MWth로서 100% 가동 시 최대 66,700톤을 생산할 수 있다. 열출력은 200 MW(th), 출구온도 850℃, 6 모듈 싸이트로 비용을 산정하였다. 법인세율은 기존 의 한국전력공사에서 원자력 및 기타 발전소에서 적용 하는 0.016%를 적용하였다. 수소 1 kg을 생산하는데 39.4 kWth-hr의 열량이 필요하며, 열효율은 온도상승으 로 인하여 50%로 상승하는 것으로 가정하였다. 또한 할 인율에 의한 시나리오는 4%, 7%와 8%의 할인율을 적 용하였다.
원자력에 의한 수소공장은 6모듈로 100% 가동 시 400,200톤을 생산할 능력을 가지게 된다. 4%의 경우는 이용률이 1%일 경우 kg 당 58,653원부터 100%이용률 일 때 kg 당 1,145원으로 계산되었다. 7%의 경우는 이 용률이 1%일 경우 kg 당 94,043원부터 100%이용률일 때 kg 당 1,499원으로 계산되었다. 8%의 경우는 이용률 이 1%일 경우 kg 당 106,573원부터 100%이용률일 때 kg 당 1,624원으로 계산되었다. 원자력발전의 실제 이용 률인 90%인 경우는 4%일 때는 kg당 1,209원, 7%일 때 는 kg당 1,602원, 8%일 때는 kg당 1,742원으로 계산되 었다.
연간 40만톤의 수소를 납사원료 증기개질법으로 생산 한 경우, 수소생산 원가는 2002년 가격으로 톤당 $1,100 으로, 2004년 가격으로 톤당 $1,630으로 추정하고 있다.
이는 각각 kg당 1,320원과 1,875원으로 산출되었다. 이 방법과 비교하여 원자력을 이용한 수소생산의 경제성은 있는 것으로 판단되며, 탄소세의 부과할 경우 경제성은 더 좋을 것으로 보인다.
균등화 원가방식은 경제성평가에 있어서 다른 방식으
로 수소를 생산하는 공장과 비교에 있어서 좋은 방식일 수 있으나, 수소의 수요가 변하거나 다른 수소생산 설비 가 추가가 될 경우 설비의 이용률이 변하게 되기 때문에 비교에 많은 한계가 있다. 그를 위한 수소에너지로 인한 전체적인 환경의 영향과 에너지 수급의 영향에 대한 포 괄적인 모형의 개발이 시급할 것으로 보인다.
우리나라는 지구 온난화 문제의 해결을 위해 온실가스 의 저감이 필요하며, 특히 에너지의 97%를 수입에 의존 해야 하는 입장에서는 석유와 가스를 대신할 수 있는 대 체에너지 개발의 필요성을 심각하게 받아드릴 수밖에 없 다. 제러미 리프킨은 “The Hydrogen Economy”에서 석 유와 천연가스가 결국 고갈될 것이 분명하며 이를 대체 하기 위해서는 수소에너지의 개발이 시급하다고 역설하 고 있다. 수소는 우주에서 가장 풍부한 원소이고, 물의 구성 원소인 만큼 거의 무궁무진한 자원이라는 점이다.
또한 연료전지를 통해 전기를 발생할 수 있으며, 기체로 생산할 경우 에너지를 저장할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 에너지 발생 시 이산화탄소가 나오지 않아 기후 온 난화를 해결하는데도 좋은 대안이라고 할 수 있다. 특히 원자력을 이용한 수소생산은 타 에너지원에 비해 대량생 산할 수 있으며 비용효과적일 수 있고 이산화탄소의 저 감에도 도움이 될 것으로 본다.
그러나 현재의 기술로는 수소는 타에너지에 비해 효율성 이 떨어지고, 수소가 상품이 되려면 액화를 위한 에너지가 필요하다. 또한 수소를 수송하고 최종소비자에게 판매하는 network를 형성해야 하는 어려움이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위한 연구와 개발이 필요하다. 또한 제4세대 원 자력 기술의 연구와 기술 개발이 필요할 것으로 보인다.
사 사
본 연구는 2007년도 동국대학교 신임교원 정착연구비 지원으로 이루어졌다.
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조 성 한
현재 동국대학교 경영대학 회계학과 부교수 (本 學會誌 第46券 第3号 參照)
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부록(Appendix)
The Cost of Hydrogen Production on Scenario and Plant Factor
Unit: won/kg Plant
Factor
Production Cost Plant Factor
Production Cost Plant Factor
Production Cost
4% 7% 8% 4% 7% 8% 4% 7% 8%
1 58653 94043 106573 34 2272 3313 3682 67 1431 1959 2146
2 29608 47303 53568 35 2223 3235 3593 68 1418 1938 2123
3 19927 31724 35900 36 2177 3160 3508 69 1406 1918 2100
4 15086 23934 27066 37 2134 3090 3429 70 1394 1899 2078
5 12182 19260 21766 38 2092 3024 3353 71 1382 1880 2057
6 10245 16144 18232 39 2053 2961 3282 72 1371 1862 2036
7 8862 13918 15708 40 2016 2901 3214 73 1359 1844 2016
8 7825 12249 13815 41 1981 2844 3149 74 1349 1827 1996
9 7018 10950 12343 42 1947 2789 3088 75 1338 1810 1977
10 6373 9912 11165 43 1915 2738 3029 76 1328 1794 1959
11 5845 9062 10201 44 1884 2688 2973 77 1318 1778 1940
12 5404 8354 9398 45 1855 2641 2919 78 1308 1762 1923
13 5032 7754 8718 46 1827 2596 2868 79 1299 1747 1906
14 4713 7241 8136 47 1800 2553 2819 80 1290 1732 1889
15 4436 6796 7631 48 1774 2511 2772 81 1281 1718 1872
16 4194 6406 7189 49 1749 2471 2727 82 1272 1704 1857
17 3981 6063 6800 50 1725 2433 2684 83 1264 1690 1841
18 3791 5757 6453 51 1703 2397 2642 84 1255 1677 1826
19 3621 5484 6143 52 1681 2361 2602 85 1247 1663 1811
20 3468 5238 5864 53 1660 2327 2564 86 1239 1651 1796
21 3330 5015 5612 54 1639 2295 2527 87 1231 1638 1782
22 3204 4813 5382 55 1620 2263 2491 88 1224 1626 1768
23 3089 4628 5173 56 1601 2233 2457 89 1216 1614 1755
24 2984 4459 4981 57 1583 2204 2424 90 1209 1602 1742
25 2887 4303 4804 58 1565 2175 2391 91 1202 1591 1729
26 2798 4159 4641 59 1548 2148 2360 92 1195 1580 1716
27 2715 4026 4490 60 1532 2122 2331 93 1188 1569 1704
28 2638 3902 4350 61 1516 2096 2302 94 1182 1558 1691
29 2567 3787 4219 62 1501 2071 2274 95 1175 1548 1680
30 2500 3680 4097 63 1486 2048 2246 96 1169 1537 1668
31 2438 3579 3983 64 1471 2024 2220 97 1163 1527 1657
32 2379 3485 3876 65 1457 2002 2195 98 1156 1518 1645
33 2324 3396 3776 66 1444 1980 2170 99 1150 1508 1635
100 1145 1499 1624
