†To whom corresponding should be addressed.
Korea Midland Power Co., Ltd 167, Samsung-dong, Gangnam-gu, Seoul, Korea
Tel : 041-680-7683;
E-mail : [email protected], [email protected]
국내 발전부문에서의 목재펠릿 경제성 연구
정남영†·김래현† 서울과학기술대
(2010년 11월 8일 접수, 2010년 11월 30일 수정, 2010년 12월 5일 채택)
The Study of Economic Feasibility of Wood Pellet in Domestic Power Plants Sector
Nam-Young Jeong
†and Lae-Hyun Kim
†The Graduate School of Energy and Environment Seoul National University of Science and Technology
(Received 8 November 2010, Revised 30 November 2010, Accepted 5 December 2010)요 약
우리나라는 기후변화 대응 및 효율적인 에너지 이용을 위하여, 2012년부터 신재생에너지 공급의무제(RPS, Renewable Portfolio Standard)를 시행할 계획이나, 신재생에너지 자원의 부족, 관련기술 수준의 한계 등으로 국내 발전부문에서의 RPS 공급의무율 이행에는 어려움이 예상되며 목질계 바이오매스의 석탄화력 혼소가 대안 중에 하나이다. 목질계 바이오매스의 석탄화력 혼소는 기술적 접근이 용이하고, 유연탄과 비교했을 경우 CO2 편익, 신재생에너지 인증서(REC, Renewable Energy Certificate) 편익 등을 고려시 경쟁력이 있으며, 발전 원가 측면에서 타 신재생에너지 전원보다 우수하다. 따라서 국내발전부문에서 중장기적인 RPS 공급의무율 이행을 위해서는 목질계 바이오매스의 활용이 요구된다.
주요어 : 목재펠릿(Wood Pellet), 신재생에너지 공급의무제(RPS), 석탄화력 혼소(Co-firing)
Abstract ― Korea have a plan to enforce the Renewable Portfolio Standard(RPS) in 2012 for climate change action and effective use of energy but because of lack of renewable energy resources and limits of technology development, it will be hard to fullfill a target for RPS obligation in domestic power generation sector and woodchip biomass cofiring with coal combustion is the one of the alternative methods of the goal. Woodchip biomass cofiring with coal combustion is easy to approach technical design and has competitiveness of CO2 &
renewble energy certificate benefit and also has much lower generation cost than any other renewable energy resources. Because of that reason, woodchip biomass cofiring with coal combustion should be needed to fullfill the goal for RPS obligation in domestic power generation sector with midlong-term direction.
Key words : Wood Pellet, RPS, Co-firing
1. 서 론
최근 기후변화 및 유가상승 등으로 신재생에너지 개 발의 필요성이 대두되고 있다. 정부는 신재생에너지
보급확대 및 관련산업 육성을 위해 발전차액지원제도 (FIT, Feed In Tariff) 도입, 지방보급 사업 추진, 에너 지공기업과의 신재생에너지 공급협약(RPA, Renewable Portfolio Agreement)체결 등을 시행하고 있으나, 2009 년말 국가 신재생에너지 보급률은 1.3%(전체발전량 대 비)의 수준에 불과하다. 특히 RPS 대상자인 발전부문 의 신재생에너지 보급률은 지난 2006년~2009년 1,2차
Fig. 1. Procedure of RPS obligation.
Table 1. Power resource’s capacity and gross generation in 2009.
Types Nuclear Bituminous Anthracite LNG Heavy oil Kerosene Pumped-storage Renewable Total
Capacity MW 17,720 23,800 1,130 15,740 5,550 160 3,900 5,340 73,340
% 24.2 32.5 1.5 21.5 7.6 0.2 5.3 7.3 100
Generation GWh 141,100 178,800 7,300 57,600 12,800 0 2,800 5,200 405,600
% 18.6 40.0 3.0 27.7 6.9 0.0 1.6 1.3 100
RPA협약을 통해 개발했음에도 불구하고 매우 낮은 수준이다. 2012년 RPS 시행전까지 신재생에너지 개 발에 최선을 다하겠지만 신재생에너지 자원의 부족, 기술수준의 한계 등을 고려했을 경우 정부의 RPS 공 급의무율 달성은 어려울 전망이다.
본 연구에서는 국내 RPS 시행기준, 국내 신재생에 너지 개발전망, 해외의 RPS 이행 및 목질계 바이오매 스의 활용 동향, 목재펠릿의 경제성 등을 고려한 국 내 발전부문의 RPS 시행에 대비한 목재펠릿 활용방 안에 대해서 연구하고자 한다.
2. 신재생에너지 공급의무제(RPS)에 대한 고찰
신재생에너지 공급의무제(RPS)는 의무대상자로 하 여금 자신이 공급하는 에너지의 일정분을 신재생에너 지로 공급하도록 의무화하는 제도이다. 따라서 RPS 의 무대상자는 신재생에너지 공급의무율을 이행하기 위해 신재생에너지 사업에 직접투자(자체조달)하거나 신재 생에너지 인증서(REC, Renewable Energy Certificate) 구매 등을 통해서 의무량을 이행해야 하며, 만약 이 행하지 못했을 경우, 미이행량에 대해서 과징금을 부 과 받는다. Fig. 1는 RPS 제도에 대한 주요절차에 대 해 보여주고 있다.
영국, 이태리, 스웨덴, 벨기에, 호주, 일본 등에서는 에너지 확보, 온실가스 저감 및 신재생에너지 보급확 대를 위해 2000년대 초부터 시행하고 있으며, 미국은 2008년 현재 27개주에서 RPS를 시행하고 있다. 아울 러 RPS의 공급 목표도 영국 15.4%(2015년), 이태리 7.55%(2012년), 스웨덴 11.1%(2019년), 호주 4%(2010 년) 수준이다.
2010년 10월 고시한 정부의 RPS 시행기준에 따르 면 RPS 의무대상자는 설비규모 500 MW 이상의 발 전사업자로서 발전6사, 지역난방공사, 포스코파워 등 13개사가 해당되며, 공급의무율은 2012년 2.0%에서 시작하여 2022년 10.0%까지 확대할 계획이다. 또한 신재생에너지전원별 발전원가를 고려하여 전원별 신 재생에너지 가중치를 부여하며, 가중치는 풍력 및 바 이오매스 1.0, 폐기물 0.5, 해양에너지 및 연료전지는 2.0이다.
3. 국내 RPS 공급의무율 이행전망 분석
2009년 전력시장 운영실적에 의하면 Table 1에서 보는 것과 같이 국내 신재생에너지 설비용량은 총 5,340 MW로 7.3%를 점유하고 있으며, 신재생에너지 발전량은 총5,200 GWh로 1.3%를 점유하고 있다.
Table 2. Outlook of midlong-term gross generation.
Year Unit Nuclear Coal LNG Oil Renewable Pumped-storage
/District Heating Total
'10 GWh
(%)
145,070 (31.3)
190,089 (41.0)
91,192 (19.7)
10,465 (2.3)
11,943 (2.6)
15,132 (3.3)
463,891 (100.0)
'15 GWh
(%)
199,726 (38.6)
206,482 (39.9)
66,577 (12.9)
934 (0.2)
20,942 (4.0)
23,206 (4.5)
517,867 (100.0)
'20 GWh
(%)
249,848 (45.8)
206,837 (37.9)
34,592 (6.3)
914 (0.2)
25,844 (4.7)
27,859 (5.1)
545,894 (100.0)
'22 GWh
(%)
265,180 (47.9)
198,822 (35.9)
34,132 (6.2)
887 (0.2)
25,844 (4.7)
28,432 (5.1)
553,297 (100.0)
Table 3. Comparison between RPS obligation target and midlong-term gross generation.
Year '12 '13 '15 '17 '20 '22
Gross generation(GWh) 490,192 499,965 517,867 532,737 545,894 553,297
RPS Target rate(%) 2.5 3.0 4.0 5.0 8.0 10.0
Renewable Quota(GWh)ⓐ 11,915 14,479 19,877 25,345 41,604 52,745
Renewable Generation(GWh)ⓑ 13,577 17,320 20,942 25,844 25,844 25,844
Insufficiency(GWh)ⓐ-ⓑ -1,662 -2,841 -1,065 -499 15,760 26,901
또한 2008년 12월 발표한 “제4차 전력수급기본계획”
에서는 대용량 조력, IGCC, 부생가스 발전 등 대용량 신재생에너지 개발계획이 반영되어 있으며, 2022년까지 발전량 대비 4.7%를 개발하는 것으로 전망하고 있다 (Table 2 참조).
정부의 RPS 공급의무율과 제4차 전력수급기본계획 에 반영된 신재생에너지 발전량을 비교했을 경우, 국가 전체적으로 2017년까지는 RPS 공급의무율 이행이 가 능하나, 제4차 전력수급기본계획에는 가로림조력(530 MW, 2014.12), 강화조력 (813 MW, 2016.06), 인천만 조력(1,440 MW, 2017.06)등 대규모 조력발전 사업이 반영되어 있으므로, 사업이 차질이 발생될 경우 RPS 이행에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 2018년부터는 RPS 공급의무율 이행이 매우 어려울 전망이다 (Table 4 참조).
4. 목질계 바이오매스 동향 고찰
4-1. 목질계 바이오매스
목질계 바이오매스는 “농작물, 목재, 폐목재 또는 부산물, 축산분뇨, 도시쓰레기 등의 재생에너지로 사 용할 수 있는 모든 유기물 중 셀룰로오스(cellulose) 및 리그닌(lignin)으로 구성된 목질계 자원(lignocellulosic resource)”으로 정의하며, “신에너지 및 재생에너지개 발이용보급촉진법”에서는 “생물 유기체를 변환시킨 땔 감 ․ 목질칩 ․ 펠릿 및 목탄 등의 고체연료”로 정의하고
있다. 일반적으로 목질계 바이오매스는 간벌재, 주벌 재 등 벌목재와 임목폐기물 등 폐기목재로 분류하고 있으며, 이를 이용하여 생산되는 제품으로는 목재칩 (Wood Chip), 목재펠릿(Wood Pellet) 등이며 함수율 에 따라 2,500~4,500 kcal/kg의 열량을 보유하고 있 다. 목재펠릿의 경우에는 발열량이 약 4,500 kcal/kg 이며, 목재칩보다 부피가 약 1/3 수준으로 운송 등이 용이한 친환경연료이다.
4-2. 세계 목질계에너지 이용현황
세계적으로 2004년 기준 재생에너지 사용량은 총 1차에너지 사용량중의 16.7% 수준이며, 이중 54%가 농업폐기물 등 바이오매스를 이용하고 있다. EU는 목 질계 바이오매스의 이용이 활발한 지역으로 2004년 기준으로 프랑스 9.2백만TOE, 스웨덴 8.3백만TOE, 핀란드 7.2백만TOE, 독일 6.3백만TOE을 이용하고 있 으며, 2001년에 발표한 ‘재생에너지 지침(DIRECTIVE 2001/77/CE)’에 따르면 2010년까지 재생에너지를 21%
까지 확대하고 이중 바이오매스를 40%까지 이용할 계획이다. 이를 위해 녹색인증서 구매, 발전차액지원 (FIT), 세금환급 및 탄소세 도입 등 다양한 지원정책 을 시행하고 있다. 미국과 일본도 바이오매스 이용확 대를 위해 “Biomass Nippon(일본)” 계획 및 2030년 까지의 “바이오매스 비전 (미국)”을 수립하여 시행하 고 있다.
Fig. 2. Present status of biomass cofiring in EU.
Fig. 3. Present status of biomass production in World.
4-3. EU의 목질계 바이오매스 화력발전소 혼소동향 EU에서는 기후변화 및 신재생에너지 공급의무에 대응하고 SOx, NOx 등 대기환경 개선을 위해 기존 화력발전소에 목질계 바이오매스 혼소(Co-firing)를 시 행하고 있다. 2007년 현재 EU지역에서 바이오매스를 혼소중인 발전소는 약 100여개 정도이며, 독일, 영국, 핀란드 순으로 많다 (Fig. 2 참조).
4-4. 세계 목재펠릿 시장동향
세계 목재펠릿 생산량은 2000년에 약 150만톤의 펠릿이 생산된 이후 유럽 ․ 북미를 중심으로 지속적으 로 증가하여 2006년 약 700만톤, 2007년 약 1,000만 톤의 펠릿이 생산되었으며, 2010년에는 약 1,500만톤 이상의 펠릿이 생산될 것으로 전망하고 있다 (Fig. 3 참조).
5. 국내 목질계 바이오매스 활용방안
5-1. 국내 목재펠릿 품질규격
2009년 5월 국립산림과학원에서 고시한 “목재펠릿 품질규격”에서 1등급은 발열량은 4,300 kcal/kg 이상, 함수율 10% 미만, 겉보기밀도 640 kg/㎥ 이상, 회분
0.7%이하, 유황분 0.05% 이하로 규정하고 있으며, 목 재펠릿의 종류로는 목부펠릿(수피함량 5%이하), 수 피펠릿(수피함량 50%이상), 일반펠릿(수피함량 5~50%) 으로 분류하고 있다. 국내 석탄화력에서 사용하는 무 연탄, 유연탄의 성상과 비교할 때, 발열량은 낮으나, 회분 및 유황분 등 함량은 매우 적은 편이다.
5-2. 국내 발전설비 현황
2009년 국내 발전설비 보유용량은 총 73,340 MW 이며, 이중 유연탄 화력이 32.5%, 원자력 24.2%, LNG 복합 21.5%, 유류화력이 7.8%, 양수가 5.3%, 기타 국 내탄 화력과 신재생에너지가 1.5%, 7.3%를 차지한다.
2009년 기준 국내 석탄화력(국내탄 포함) 발전설비는 총50기가 있으며, 설비용량은 총 24,930 MW이다.
또한 2009년 석탄화력의 발전량은 186,100 GWh이 며, 연료사용량은 총 73,783천톤을 사용했다.
5-3. 국내 석탄화력의 목재펠릿 혼소 필요성 기후변화 대응 및 국내 녹색성장의 일환으로 2012년 RPS 제도가 시행될 계획이나, 국내 신재생에너지자원 의 부족, 기술수준의 한계성 등으로 RPS 공급의무율 이행에 어려움이 예상되며, 이에 대한 대책으로 목질 계 바이오매스, 폐기물고형연료(RDF), 하수슬러지 등 바이오매스의 석탄화력 혼소가 현실적인 대안이다. 그 러나 RDF 및 하수슬러지의 발생량은 매우적어 안정 적인 연료수급은 어려운 실정이므로 장기적으로 안정 적인 연료수급을 위해서는 목질계 바이오매스가 가장 적합하며, 목재펠릿은 운반 및 저장 등 취급의 용이 성을 고려할 때 목재칩보다 유리하다.
5-4. 목재펠릿의 경제성 분석
석탄화력에서 혼소되는 목재펠릿의 경제성을 분석 하기 위해서는 먼저 대체되는 유연탄의 가격과 향후 RPS 시행에 따른 신재생에너지 인증서(REC) 요금, CO2
편익 등이 고려되어야 한다. 유연탄의 공급가격은 전 력거래소에서 발표한 2009년 1월 ~ 2010년 6월 발전 소 평균 공급가격을 적용하였으며, 목재펠릿의 공급 가격은 지역과 공급물량에 따라 가격편차가 크므로 톤당 150,000원 ~ 220,000원의 범위를 정하여 4개의 시나리오로 분석하였다 (Table 4 참조).
신재생에너지 인증서(REC, Renewable Energy Certi- ficate)의 요금은 지난 2010.10월 “RPS 고시제정 공
Table 4. Standard of wood pellet economic feasibility.
Bituminous Wood pellet
Cost (won/ton) 110,866* 150,000～220,000
Calorie (kcal/kg) 6,080 4,500
*2009.01~2010.06 KPX data
Table 5. Calculation of wood pellet economic feasibility.
Fuel Quantity per kWh(kg/kWh) [generation(kWh) × 860(kcal/kWh)]/[calorie(kcal/kg) × generation efficiency(%)]
* Generation efficiency : Bituminous average generation efficiency 39%
Fuel cost per kWh(won/kWh) fuel quantity per kWh(kg/kWh) × fuel cost(won/kg) CO2 profit per kWh(won/kWh) 2.75 won/kWh
* CO2 reduction coefficient(0.55 kg/kWh) × CO2 cost(won/kg)
REC cost 40 won/kWh
Table 6. Result of wood pellet economic feasibility study in each cases.
Bituminous Coal
Wood Pellet
scenario ① scenario ② scenario ③ scenario ④
Feul cost (won/ton) 110,866 150,000 170,000 200,000 220,000
Calorie (kcal/kg) 6,080 4,500
Fuel Quantity per kWh (kg/kWh) 0.363 0.490
Fuel cost per kWh (won/kWh)
REC cost 30won/kWh
Fuel cost 39.60 73.50 83.30 98.01 107.81
CO2 profit 0.00 -2.75 -2.75 -2.75 -2.75
REC cost 0.00 -30.00 -30.00 -30.00 -30.00
Total 39.60 40.75 50.55 65.26 75.06
REC cost 40won/kWh
Fuel cost 39.60 73.50 83.30 98.01 107.81
CO2 profit 0.00 - 2.75 - 2.75 - 2.75 - 2.75
REC cost 0.00 - 40.00 - 40.00 - 40.00 - 40.00
Total 39.60 30.75 40.55 55.26 65.06
REC cost 50won/kWh
Fuel cost 39.60 73.50 83.30 98.01 107.81
CO2 profit 0.00 -2.75 -2.75 -2.75 -2.75
REC cost 0.00 -50.00 -50.00 -50.00 -50.00
Total 39.60 20.75 30.55 45.26 55.06
청회”에서 지경부가 제시한 kWh당 40원을 적용하였 으며, 목재펠릿 혼소에 따른 CO2 편익은 국내 온실가 스 감축사업으로 통해 발급되는 KCER(Korea Certified Emission Redustion)에 대한 정부의 구매가격(5,000원 /톤)을 적용하였다.
유연탄 대비 목재펠릿의 경제성 비교에서 kWh당 연료량, kWh당 순연료비 및 CO2 편익에 대한 계산식 과 REC 요금은 Table 5와 같다.
kWh당 연료량은 발열량 차이로 인해 유연탄은 kWh 당 0.363 kg이며, 목재펠릿은 kWh당 0.490 kg이다.
kWh당 연료비의 경우에는 유연탄은 39.60원이며, 목 재펠릿의 공급가격을 톤당 150,000원으로 했을 경우 73.50원이나, CO2 편익과 REC 요금(40원/kWh) 등을
고려했을 경우에는 30.75원으로 유연탄보다 경제성이 있다.
목재펠릿의 공급가격을 톤당 170,000원으로 했을 경우, kWh 당 연료비는 83.30원이나, CO2 편익과 REC 요금(40원/kWh) 등을 고려했을 경우에는 40.55원으로 유연탄과 비슷한 수준이다. 목재펠릿의 공급가격을 톤 당 200,000원으로 했을 경우에는 kWh당 연료비는 98.01원으로 CO2 편익과 REC 요금 등을 고려했을 경우에도 경제성은 없을 것으로 전망된다. 따라서 REC 요금을 kWh당 40원으로 했을 경우 목재펠릿 공급 가격은 톤당 170,000원이 적정하나, CO2 편익과 REC 요금에 따라 목재펠릿의 적정 공급가격은 유동적으로 변화될 수 있다(Table 6 참조).
Fig. 4. Fuel cost of bituminous coal and wood pellet in each cases.
5-5. 신재생에너지 전원별 발전원가 비교
2006년 3월 지식경제부에서 발표한 “신재생에너지 발전차액지원제도 개선방안” 및 최근 신재생에너지 건 설비용을 고려할 경우의 신재생에너지 전원별 발전원 가는 태양광은 kWh당 600~450원이며, 풍력은 97~
148원, 소수력은 90~117원, 조력(방조제무)은 76~98 원이다. 건설단가는 태양광은 kW당 600만원이며, 풍 력은 250만원, 소수력은 250만원, LFG 발전은 180 만원, 조력은 176만원이다.
목재펠릿을 기존의 석탄화력에 혼소할 경우에는 별 도의 설비개조가 필요하지 않으므로 연료비에 의해 발전원가가 결정할 수 있는데 목재펠릿의 공급단가를 톤당 150,000원~200,000원으로 공급할 경우의 발전 원가는 kWh당 73.50원~98.01원(CO2 편익과 REC 요 금 미고려)으로 신재생에너지 전원에 있어 경쟁력이 있는 전원이라 할 수 있다.
6. 결 론
미국, 유럽 등 해외 선진국들은 이미 1990년대 후 반부터 RPS를 시행하고 있으며, RPS의 효과적인 대 응수단으로 바이오매스의 혼소를 시행하고 있다. 목 질계 바이오매스는 탄소중립(Carbon Neutral) 특성으 로 인해 이산화탄소 배출이 없으며, 기존의 석탄화력 혼소시에는 별도의 설비개조가 필요하지 않으므로 초
기투자비 등을 절감할 수 있다.
특히 목재펠릿은 타 바이오매스 연료에 비해 에너 지 밀도 및 연료수급의 안정성이 높고, 경제성에 있어 서도 목재펠릿을 톤당 170,000원에 공급한다면, kWh 당 연료비는 83.30원으로 발전원가 측면에서 태양광, 풍력 등 타 신재생에너지 전원보다 유리하며, CO2 편 익과 REC 요금(40원/kWh)을 고려했을 경우 kWh 당 연료비는 40.55원으로 유연탄과 비슷한 수준이다.
우리나라는 에너지 자원이 부족하며, 세계 10위의 온실가스 배출국으로 신재생에너지 개발의 필요성은 절실하나, 신재생에너지 자원의 한계와 기술수준의 부 족 등으로 인해 신재생에너지 개발에 어려운 점들이 많다. 따라서 해외 목질펠릿 도입을 통한 자원확보는 물론 기후변화 대응과 신재생에너지 보급에 활용하는 것이 필요하다.
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