Particle and Aerosol Research
Par. Aerosol Res. Vol. 10, No. 1: March 2014 pp. 19-25 http://dx.doi.org/10.11629/jpaar.2014.10.1.019
셰일가스 도입으로 인한 전원믹스 재구성 및 환경 영향 분석
최나래, 여민주, 김용표* 이화여자대학교 환경공학과
(2014년 2월 27일 투고, 2014년 3월 13일 수정, 2014년 3월 15일 게재확정)
Reconfiguration of the Power Mix in Korea with the Introduction of Shale Gas and Analysis of Its Impact on Atmospheric Environment
Narae Choi, Minjoo Yeo, Yong Pyo Kim*
Department of Environmental Science and Engineering Ewha Womans University (Received 27 February 2014; Revised 13 March 2014; Accepted 15 March 2014)
Abstract
In line with the expected price reduction of natural gas associated with the introduction of shale gas, it is expected that the optimal power mix for the electric power generation be changed. In this study, the reconfigured power mix is estimated with the varying natural gas price by using the Screening Curve Method (SCM). It is found that about 3% and 9% coal in the overall power mix is replaced with natural gas if the natural gas price falls 20% and 40%
of the current price, respectively. It is also found that the reconfigured power mixes would provide the reduction of the emissions of air pollutants which are equivalent to 369 and 807 MUS$.
Keywords：Shale Gas, Screening Curve Method, External Cost, Power Mix, Air Pollutants’ Emissions
**Corresponding author.
Tel：+82-2‐3277‐2832, E-mail：[email protected]
1. 서 론
셰일가스란 셰일 층에서 형성된 천연가스로 매크 로 공극 시스템(macro-porosity system) 또는 셰일의 미세공극 안에 저장되거나 미네랄 또는 유기물에 흡착된 형태로 매장되어 있다. 비전통가스에 해당하 는 셰일가스의 시추정은 수직 또는 수평적으로 시 추되며 시추정 자극을 위해 수압파쇄가 요구된다.
셰일가스는 메탄이 90% 이상 차지하는 전형적인 건 성 가스(dry gas)이며 유기물이 매우 풍부한 형질을 갖는데, 화학적 조성은 전통가스와 크게 다르지 않 다(Curtis, 2002). 이러한 셰일가스는 석유와 석탄에 크게 의존적인 현 에너지 구조에 새로운 대안으로 떠오르고 있다.
셰일가스의 시추공정(수평시추법과 수압 파쇄법) 의 발달 및 이들 기술의 가격효율성 향상은 셰일가 스의 상용화에 크게 이바지 하였다(Arthur et al., 2008). 경제적인 채취방법과 함께 중요한 변수는 셰 일가스의 막대한 매장량이다. 미국의 천연가스 매장 량은 1,744 Trillion Cubic Feet 이상일 것으로 파악되 고 있는데 그 중 셰일가스를 포함한 비전통가스는 이 매장량의 60%을 차지하고 있다. 셰일가스는 2020년까지 북아메리카 가스 생산의 64%를 차지할 것으로 예측되고 있으며 최근 세계은행(World Bank)도 셰일가스의 방대한 매장량과 시추공정의 발전 및 비용 효율성을 근거로 액화 천연가스 (Liquefied Natural Gas, LNG) 가격이 2012년 16.3$/MMbtu 에서 2020까지 13.8$/MMbtu로 인하될 것으로 전망하고 있다. 이와 같은 맥락에서 최근 우 리나라 정부도 2020년 까지 천연가스의 약 20%을 셰일가스로 도입하겠다고 발표(MKE, 2013)하여 국 내에서도 이에 대한 관심은 물론 그 환경적, 경제적 영향력에 대한 논의가 활발하게 진행되고 있다 (Stephenson et al., 2011).
2013년도에 공시된 제 6차 전력수급계획에서도 셰일가스 도입으로 인한 가스발전 비용 하락을 예 상하고 신규 설비에 이용되는 LNG 연료비를 25%
하락시켜 수급계획에 적용하고 있다(MKE, 2013). 이 와 같이 셰일가스 도입에 따른 LNG 가격인하는 기 존의 전원믹스에서 LNG가 석탄을 일부 대체하도록 할 것이며 이로 인한 긍정적인 환경적 영향을 또한 기대할 수 있을 것이다.
따라서 본 논문에서는 (1) 셰일가스의 도입으로 새로이 구성될 최적 전원믹스를 심사곡선법 (Screening Curve Method, SCM)에 환경비용이 고려된 LNG 가 격을 적용하여 구상하고, (2) 현재 계획과 새로이 구 성되는 최적 전원믹스의 차이에 따른 환경적 영향 을 대기 오염물질의 단위 환경 외부 비용을 적용하 여 정량화하였다.
2. 자료와 방법론
2.1 제6차 전력수급기본 계획 및 최적 전원믹스 한국전력 전력거래소에서 2년 마다 수립, 시행하 고 있는 전력수급계획은 전기 사업법 제 25조 및 동 법 시행령 제 15조에 기초하여 향후 15년간 수요 전 망, 수요관리 목표, 적정 예비율 및 전원믹스의 도 출, 발전소 건설계획 등을 포함하도록 한다. 2013년 도에 발표된 제 6차 전력수급기본계획은 수급 불확 실성의 확대, 전원별 제약요인 및 고립계통의 위험 성을 반영하여, 적극적 수요관리를 통한 신규 발전 설비 건설 소요 최소화, 안정적 예비율 확보, 발전시 설의 확충을 기본 목표로 설정하고 있다(MKE, 2013).
제6차 전력수급계획의 또 하나의 특징은 우리나라 에서는 최초로 대기오염물질에 의한 환경비용을 연 료가격에 포함한 것이다. 3차 이후의 계획부터는 환 경비용 중 온실가스 비용을 산정하여 수급계획에 적 용하였지만, 오염물질(SOx, NOx, 분진) 환경비용과 송전비용, 기타 정책 비용 등은 적용되지 않았다. 그 러나 6차 계획에서는 EU 집행위 환경국 자료를 활용 하여 인구 10만 도시 기준의 오염물질 환경비용을 산출(Mike et al., 2002), 국내 오염물질 배출량 실적 (KPX, 2011)을 기준으로 발전기별 환경비용을 산정 후 전원별로 연료비에 평균 적용하였다(KPX, 2011).
전력수급 계획에서 중요하게 다뤄지는 최적 전원 믹스는 경제적 측면을 고려하여 전력수요를 충족시 킴에 있어 설비투자와 운전비의 현재가치 합계가 최소로 되는 설비구성을 말한다. 이는 비용 최소화 원칙 하에서 미래에 예상되는 수요에 대비하고 적 정 공급신뢰도 범위 내에서 전력을 공급하기 위해 가장 경제적인 발전원별 투입시기 및 투입 용량을 결정하는 것이다. 즉, 도출 방법론적으로 공급신뢰 도를 충족해야 한다는 제약조건 아래에서, 매년도
Price (Won/kWh)
LNG Coal Nuclear
Baseline Scenario 1 Scenario 2
60(100%) 48(80%) 36(60%)
22 3
Table. 1. Modeling scenario used in this study.
투자비 및 운전비의 현재가치 합을 목적함수로 하 고 이를 최소화 하여 발전원별 설비 비중을 구성하 는 것을 지칭한다(Kim et al., 2005).
2.2 심사곡선법(Screening Curve Method, SCM) 심사곡선법이란 정태적 접근방법으로 발전 설비 확장 계획 후보 발전기의 이용률 별 연간 비용의 변 화를 나타내는 연간비용곡선을 작성하고, 이를 이용 하여 적정 발전기 구성, 즉 발전 유형별 적정 구성 비를 찾아내는 방법이다(Jang et al., 2012). 이 때, 연 간 발전비용은 고정비 및 고정운전 유지비로 이루 어진 연간 고정비(annual fixed cost)와 발전량의 변 화에 비례하는 변동비(variable cost)로 나뉜다. 단위 용량 당 원자력, 유연탄, 천연가스 발전기에 대한 이 용률(capacity factor, %)에 따른 연간 발전 비용의 변 화를 나타낸 그래프에서 접점을 찾아 각 연료 별 최 적 이용률을 도출한다(Jang et al., 2012). 즉, 심사곡 선법은 각 발전원의 경제성을 고려하여 우선투입순 위와 투입용량을 정하는 방법이다(Kim et al., 2007).
심사곡선법과 부하지속곡선(LDC, Load Duration Curve)는 그림 1(a)와 같이 나타난다. 이로 하여금 연간 발전비용을 최소화할 수 있는 전원 설비 구성 을 결정하게 되는 것인데, 천연가스(LNG), 석탄 (Coal), 원자력(Nuclear)에 대해 연간 발전 비용을 이 용률 별로 도식하면 경제성 분기점 A, B 가 발생하 게 된다. 첫 번째 경제성 분기점 A 까지는 석탄 화 력에 대한 비용이 가장 낮기 때문에, 석탄이 기저부 하를 담당한다. 마찬가지로 A 에서 B 구간까지는 천 연가스가 중간 부하를 담당하게 되며, 마지막으로 B 이후의 구간인 첨두부하 담당에는 원자력이 사용되 게 된다. 이렇게 생성된 분기점에서 부하지속곡선 상으로 끌어내리면 각 전원별 구성비율 C, D 가 결 정되는데, 이는 0∼D 의 범위에서는 원자력, D∼C 에서는 석탄, C 이상에서는 LNG 사용이 가장 유리함
을 의미한다(Jang et al., 2012).
3. 결과 및 검토
3.1 모델링 시나리오 및 결과
심사곡선법을 이용하여 셰일가스의 도입으로 인 한 천연가스 가격 인하로 기대되는 전원믹스의 변 화 분을 도출해내기 위해 기존설비의 석탄과 원자 력 에너지의 연료비는 고정시킨 후, 제 6차 전력수 급 계획에서 제시된 2012년 LNG 가격의 80%, 60%
에 해당하는 LNG 가격을 설정함으로써 Table 1과 같은 시나리오를 작성하였다. 고려된 원자력, 석탄, LNG의 가격은 탄소비용, 송전요금, 환경비용을 고 려하여 설정되었다.
위와 같은 연료비에 관한 시나리오와 각각의 이 용률에 따른 고정비를 앞에서 살펴본 심사곡선법에 적용하여 그림 1 과 같이 각 시나리오 별 LNG 와 석 탄 비중을 도출한 결과, 그림 2 에서 보듯이 기존 가 격의 20% 천연가스의 가격이 인하된다고 가정할 시 LNG 에 의한 석탄 대체 효과는 3%, 40% 인하 시에 는 9%의 대체효과가 확인되었다.
3.2 대기오염 배출량 및 외부비용 산정
3.2.1 대기오염 물질 배출량 산정
앞서 구한 최적 전원믹스(electricity energy mix)로 부터 기인하는 대기오염물질의 미래 예측 배출량을 기존 발전소의 과거 대기오염물질 배출량을 적용하 여 산정하고자 하였다. 과거 대기 오염물질 배출량 실적을 조사하기 위해서 LNG 46 개 발전시설, 석탄 63 개 발전시설의 전력 수급 기술지침 최종 보고서 에서 산정된 발전소 별 배출량 자료(KPX, 2011)을 활용하였다.
Emission factors (kg/MWh)
SOx NOx TSP
Coal LNG
0.384 -
0.583 0.226
0.018 - Table. 2. Emission factors of existing power plants.
Fig. 1. Screening Curve & Load Duration Curve of (a) Baseline, (b) Scenario 1 and ⒞ Scenario 2.
Fig. 2. Configuration of the optimal electricity energy mix for each scenarios.
Table 2 의 각 기존 발전소 대기오염물질 배출 실 적과 심사곡선법을 활용하여 새로 산정한 최적 전 원 믹스에 의한 대기오염물질의 배출량을 구하였 다. 이 때 총 전력량은 2025 년 예측 전력 수요량인 105,056 MW(KPX, 2011)을 적용하였으며 각각의 설 비 이용률(capacity factor)은 심사곡선법에서 도출된 Table 3 의 값을 활용하였다.
새로 산정한 최적 전원믹스에 의한 대기오염불질 배출량을 정량적으로 분석하면, 천연가스 가격이 기
존가격에 비해 20% 감소했을 때 SOx, NOx, TSP 각 각의 저감량은 10,395, 12,095, 487 톤이며, 40% 감소 했을 시에는 각각 24,572, 24,685, 1,152 톤의 저감을 보였다.
3.2.2 외부비용 산정
외부비용이란 환경적, 사회적 또는 경제적으로 다 른 그룹에 영향을 주지만, 그 비용이 완전히 계산되 지 않거나 보상되지 않을 때 발생하는 비용을 말한
Table 5. Unit external cost of air pollutants in several studies.
Unit external costs (US$/tonnes)
Research Organization BeTa UNEP EC NRC
SOx NOx TSP
9,821 7,932
-
3,299 5,453 27,458
14,415 16,964 29,661
6,926 1,910 549
* Reference：Benefits Table Database (BeTa), United Nations Environment Programme (UNEP), European Commission (EC), National Research Center (NRC)
Emission of atmospheric pollutants (tonnes) Reduction
SOx NOx TSP
Baseline Scenario 1 Scenario 2
58,803 48,409 34,231
91,696 79,601 67,011
2,756 2,269 1,605
22,976 50,408 Table 4. Emission of air pollutants of each cases.
External costs (MUS$)
SOx NOx TSP Total Profit
Baseline Scenario 1 Scenario 2
848 698 493
1,556 1,350 1,136
82 67 48
2,485 2,116 1,678
369 807 Table 6. External cost of each scenarios.
Capacity factors
LNG Coal
Baseline Scenario 1 Scenario 2
0.1 0.19 0.35
0.77 0.77 0.77 Table 3. Capacity factors of each cases.
다(EC, 1995). 수년에 걸쳐 많은 연구기관들에서 대 기오염물질 별 단위 외부비용에 대한 다양한 연구 들이 진행되어 왔는데, 이를 정리하면 Table 5 와 같 다(Holland et al., 2002; Krewitt, 2002; Markandya et al., 1999).
1990 년 초부터 2005 년까지 진행된 EU 집행위 (European Commission, EC)의 환경 외부비용에 관한
연구는 경제, 환경, 의료, 건축 등 다 학제를 어우르 는 연구(EC, 2005)로써 가장 많은 신뢰를 얻고 있다.
따라서 본 연구에서는 도출된 각 시나리오의 전원 믹스의 환경 외부비용을 계산하기 위해 EC 의 연구 결과를 활용하였다.
EC 의 외부비용 연구결과를 앞서 구한 각 시나리 오 별 대기오염물질 발생량에 대입시켜 구한 결과,
셰일가스로 인해 천연가스 가격이 20%, 40% 감소했 을 때, 각각 369 MUS$, 807 MUS$의 환경 외부비용 상의 이득이 발생함을 알 수 있었다. 이는 셰일가스 로 인한 천연가스의 석탄 대체 효과를 단편적으로 보여주는 지표로, 이로써 셰일가스의 도입이 사회적 비용을 감소시킴을 Table 6 과 같이 확인할 수 있다.
4. 결 론
본 연구를 통해 셰일가스의 도입으로 인한 LNG 가격 인하는 최적 전원믹스의 변화 및 대기 오염물 질 배출량을 감소시킬 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 천연가스 가격이 20%, 40% 감소했을 때 전원 믹스 상에서 LNG 의 석탄 대체 효과는 각각 3%, 9%
로 다소 미미하였지만, 이를 단위 환경 외부비용을 적용하여 환경적 영향을 정량화해 본 결과 각각 369 MUS$, 807 MUS$의 상당한 환경상의 이득이 발생 하였다. 미래 발전 설비의 증가가 예상됨을 고려한 다면 셰일가스의 도입으로 인한 효과는 기존 설비 의 수명이 끝나는 시점 이후부터 더욱 커질 것으로 전망되며, 셰일가스의 막대한 매장량 측면까지 고려 한다면 향후 셰일가스에 의한 긍정적인 환경 영향 력은 점점 증가할 것으로 예측된다. 하지만 생산 및 전송, 공급과정에서 발생하는 비용으로 셰일가스로 인한 가격인하 효과는 크지 않을 것이라는 점을 고 려한다면 셰일가스가 기존 전원 믹스에 미치는 영 향은 미미할 것이라는 견해도 간과할 수 없다(MKE, 2013).
본 연구에는 활용된 심사곡선법은 정태적 접근 방법이기 때문에 발전기의 투입시기, 용량, 그리고 설비 대수에 대한 정보를 반영하지 못하였다는 한 계점이 내재되어 있다. 또한 심사곡선법은 발전기의 고장정지에 대한 확률적 고려가 불가하기 때문에, 공급신뢰도를 유지하기 위한 설비 예비력의 크기 또한 도출할 수 없다(Jang et al., 2012). 따라서 이와 같은 심사곡선법의 한계점을 극복하기 위해 향후 연구에서는 주어진 경제적, 기술적 제약 조건 아래 에서 동태적으로 최적 발전 설비확장계획을 도출하 는 모형인 WASP(Wien Automatic System Planning Package, 1974)을 이용하여 보다 의미 있는 최적전원 믹스를 구상하여 셰일가스의 도입으로 인한 전원믹
스의 재구성 및 환경상의 영향에 대해 접근해 볼 필 요가 있겠다.
Acknowledgement
이 논문은 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국 연구재단의 지원을 받아 수행된 중견연구사업 (No.2011-0016297)의 지원으로 작성되었습니다.
References
Arthur, J. D., B. Bohm, B. J. Coughlin and M. Layne (2008) Hydraulic Fracturing Considerations for Natural Gas Wells of the Fayetteville Shale, Ground Water Protection Council Annual Forum, Cincinnati, Ohio, U.S.A.
Curtis, J. B. (2002) Fractured Shale-Gas Systems, AAPG bulletin, 86(11), 1921-1938.
Cohon, J. L., M. L. Cropper, M. R. Cullen, E. M. Drake, M. English, C. B. Field, D. S. Greenbaum, J.
K. Hammitt, R. F. Henderson, C. L. Kling, A.
J. Krupnick, R. Lee, S. Matthews, T. E.
McKone, G. E. Metcalf, R. G. Newell, R. L.
Revesz, I. S. Wing and T. G. Surles (2009) Hidden Costs of Energy: Unpriced Conse- quences of Energy Production and Use, National Research Council (NRC), Washing- ton, DC, U.S.A. 978-0-309-14640-1, 466 pp.
European Commission (EC), ExternE: Externalities of Energy, Methodology 2005 (2005) Luxemburg, Germany, EUR21951.
Holland, M. and P. Watkiss (2002) Benefits Table Database (BETA): Estimates of the Marginal External Costs of Air Pollution in Europe , AEA Technology, NETCEN.
Jang, S. W., J. B. Park and J. H. No (2012) Analysis of Optimal Electricity Outlook of South Korea using Screening Curve Method and WASP-Ⅳ (in Korean with English Abstract), The Transactions of the Korean Institute of
Electrical Engineers, 61(4), 534-541.
Krewitt, W. (2002) External Costs of Energy—Do the Answers Match the Questions?: Looking Back at 10 Years of ExternE. Energy Policy, 30(10), 839-848.
Kim, Y. H., B. Lee, S. K. Choi, M. Y. Kim, J. H. Yeon and M. R. Kim (2005) A Estimation Method for Ratio of Generator Composition included Combined Heat and Power using Screening Curve Method (in Korean with English Abstract), The Korea Institute of Electrical Engineers, 36(A), 736-738.
Kim, Y. H., J. H. Moon, J. H. Yeon, H. S. Jung, S. M.
Woo and M. Y. Kim (2007) The Analysis of Effect in Order to Consider Combined Heat and Power Capacity in the Basic Plan of Long Term Electricity Supply & Demand (in Korean with English Abstract), Journal of Energy Engineerng, 16(1), 22-31.
Korea Power Exchange (KPX), 2nd Technology Guideline for Basic Plan on Electricity Demand Supply (2011).
Markandya, A. and R. Boyd (1999) The indirect costs and benefits of greenhouse gas limitations:
Mauritius Case Study, Handbook Reports:
Economics of Greenhouse Gas Limitations, UNEP Collaborating Centre on Energy and Environment, Riso National Laboratory, Roskilde, Denmark.
Ministry of Knowledge Economy (MKE), 6th Basic Plan on Electricity Demand Supply (2013).
Stephenson, T., J. E. Valle and X. Riera-Palou (2011) Modeling the Relative GHG Emissions of Conventional and Shale Gas Production.
Environmental science & technology, 45(24), 10757-10764.
