제3장
1. 분석모형 및 전제
우리나라 전력시장은 미국, 유럽국가 등의 가격입찰제도(Price bidding)가 아닌 변동비반영(Cost based pool)에 기초한 강제풀 시장을 운영하고 있다. 변동비반영 시장제도에서는 시간대별 전력도매시장가격인 SMP(System marginal costs)가 가 격결정발전계획에서 결정되며, 실제 계통운영은 운영발전계획에서 시행된다. 이러한 국내 전력시장제도를 현실적으로 반영하여 전력부문 에너지세제 개편에 따른 전기 요금과 온실가스 배출량을 분석하기 위해 본 연구에서는 검증된 전력계통 및 정산 모형인 M-Core를 활용한다.37) M-Core 모형은 이미 독립적 계통운영자인 한국전 력거래소뿐 아니라, 한국전력 및 발전자회사, 민간발전사, 학계 및 연구기관 등에서 활발히 활용되고 있다는 점에서 동 모형은 일정 부분 그 신뢰성과 정확성이 검증되 었다고 볼 수 있다.
37) 분석모형인 M-Core에 대한 설명은 장인의공간(2011.10.19), 발전계획과 전력시장 모의기법, 장인의공간 내부 자료 / 장인의 공간(2011), M-Core 사용자 설명서 v1.3. / 노동석(2013.12), 원자력발전의 경제적·사회적 비용을 고려한 적정 전원믹스 연 구, 에너지경제연구원 기본연구보고서 13-27, pp.165~175 / 조성진·박찬국(2015.12), 원자력발전의 경제적·사회적 비용을 고려한 적정 전원믹스 연구(3차년도), 에너지경제연구원 기본연구보고서 15-24, pp.52~72 및 pp183~190 / 조성진･박광수 (2018.12), 발전부문 에너지전환 달성을 위한 세제 개편 방안 연구, 기본연구보고서 18-07, pp.37~39, 에너지경제연구원 등 의 연구를 참고하기 바람.
M-Core는 국내 전력시스템과 시장정산제도를 반영한 엔지니어링 전산모형으로 기본적으로 LR(Lagrangian Relaxation)법과 SUDP(Single Unit Dynamic Programming)의 알고리즘이 적용된다. M-Core모형은 발전기별 모델링은 LR법을 통해 전력생산 비용을 최소화하고, 비용 최소화를 위한 시간대별 발전기 기동･정기 계획((Unit Commitment) 최적화는 SUDP법을 적용한다(조성진･박찬국, 2015.12, [부록 1], pp.183~190)38).
M-Core 최적화 알고리즘은 다음과 같이 요약할 수 있으며, 이 내용은 조성진･박 찬국(2015.12, [부록 1], pp.183~190)의 연구에서 인용･요약한 것이다. “LR 방법 은 대규모 전력계통에 대한 발전기 기동정지계획에 널리 활용된다. 기동정지계획에 서의 목적함수는 발전기 기동비용(start-up-costi)과 개별발전기 발전 비용(Fi)의 합 을 최소화하는 것이고, 이 목적함수를 최소로 할 때의 Ui가 해당 시간의 발전기 기동 및 정지 계획이 된다. 이때 제약조건은 시스템 제약조건(다수의 발전기의 출력이 동 시에 고려되어야 하는 coupled constraint)인 수급균형 문제가 식 (2)에 표현되어 있으며, 식 (5)는 개별 발전기 제약조건(decoupled constraint)인 각 발전기 출력 제약이다. 이외에 발전기 제약조건으로 발전기 Min up/down time(최소가동/정지), Ramp rate(증감발률) 등이 추가될 수 있다(조성진･박찬국, 2015.12, pp.185~186).”
minimize
식 (1)
subject to
식 (2)여기서
: i 번째 발전기의 발전비용
: i 번째 발전기의 t 시간의 발전량
Startupcostit: i 번째 발전기의 t 시간의 기동비용
: i번째 발전기의 t 시간의 기동/정지 표시기 (기동 시:1, 정지 시:0)
38) 조성진·박찬국(2015.12), 원자력발전의 경제적·사회적 비용을 고려한 적정 전원믹스 연구(3차년도), 에너지경제연구원 기본연 구보고서 15-24, [부록 1], pp.183~190.
: t 시간의 계통 부하 T: 전체 모의시간N: 전체 발전기 대수
이 문제를 LR 방법을 사용하여 결합제약(coupled constraint)인 식 (2)만을 고 려하여 라그랑지 승수(Lagrange multiplier) λ를 사용하여 라그랑지 함수로 바꾸 면 식 (3)과 같이 된다.
식 (3)
식 (3)에서 상수항(constant)을 제거하면 식 (4)가 된다.39)
식 (4)
식 (4)를 개별 발전기의 발전비용 최소화 문제로 디커플링(decoupling) 하면 식 (5)와 같이 표현된다.
식 (5)즉, LR 방법을 통하여 전체 발전비용의 최소화라는 원래 문제를 개별 발전기의 발전비용 최소화 문제로 디커플링하여 해를 구할 수 있다.
다음의 <표 3-1>은 M-Core 모형에서 국내 전력시장운영에서 실제로 사용하고 있는 가격결정발전계획과 운영발전계획에 필요한 입력자료, 목적함수 및 제약조건 엔진을 간략히 보여주고 있다(조성진･박찬국, 2015.12, pp.53). 동 모형은 결정론 적(deterministic) 분석모형으로 시장 모의에 필요한 입력 자료는 외생적으로 결정
39) 수요와 발전의 동시 최적화는 매우 어렵기 때문에, LR(Lagrangian Relaxation)에서 부하(수요)는 외생적으로 주어진 값 (deterministic), 즉 상수로 간주하고, 각 시간대별 수요를 충족하는 발전기 출력(즉 λ)을 반복수행을 통해 도출하게 됨.
된다. 즉 외생적으로 결정된 설비구성, 전력수요, 과거 실적에 기반한 예방정비 및 각종 제약을 모형의 입력 자료로 사용하게 된다.
가격결정발전계획 운영발전계획
특징 전력시장가격(SMP) 결정을 위한 가상의 계획 실제 운영을 위한 계획
입력자료
시간별 계통 부하
발전기특성 및 수력·양수 제약
송전손실계수
시간별 지역별 부하
발전기특성 및 수력·양수 제약
송전손실계수
송전제약, 자기제약과 예비력 조건
목적함수 발전비용 최소화
제약조건
부하수급 조건
발전기특성(최소운전/정지시간)
발전기 용량
수력과 양수 제약
제주 송전 제약
부하수급 조건
발전기특성(최소운전/정지시간)
발전기 용량
수력과 양수 제약
송전제약
예비력제약
자기제약(열제약, 연료제약)
<표 3-1> M-Core 모형의 국내 전력계통 및 운영제도 반영 구조
자료: 조성진･박찬국, 2015.12, pp.53의 <표3-3> 인용.
전력부문 에너지세제 시나리오별 전력요금 변동과 온실가스 배출량 영향을 분석 하기 위해 이 연구에서는 전력시장 시뮬레이션을 시행한다. M-Core 모형을 통한 전력시장 시뮬레이션을 수행하기 위해서는 다음과 같은 몇 가지 중요한 입력자료 및 전제가 필수적이다.
기본적으로 모형 분석은 ‘9차 수급계획’40)의 ‘발전량 기준 시나리오’를 준용한다 (9차 수급계획,2020.12.28, p.41). ‘발전량 기준 시나리오’는 에너지 정책당국이 시 행을 검토하고 있는 석탄발전량 제약(일명, 석탄발전상한제도)은 포함되지 않으며, 2022년부터 시행 중인 전력시장에서 배출권거래비용의 변동비 반영 제도도 반영되지 않는 시나리오이다. 9차 수급계획에 따르면 ‘발전량 기준 시나리오’의 2030년 석탄 발전량 비중은 2019년 40.4%에서 2030년 34.2%로 감소하고, 2030년 전력부문 온실가스 배출량은 2.049억 톤으로 전망하고 있다(9차 수급계획,2020.12.28, p.41). <표 3-2>는 9차 수급계획의 ‘발전량 기준 시나리오’에서 전망한 2030년 연료 원별 발전 비중이다.
40) 자료: 산업통상자원부, 2020.12.28, 제9차 전력수급기본계획(2020~2034), 산업통상자원부 공고 제2020-741호.
연도 원자력 석탄 LNG 신재생 양수 기타 계 2019년
(실적) 25.9% 40.4% 25.6% 6.5% 0.6% 1.0% 100%
2030년 25.0% 34.2% 19.0% 20.8% 0.7% 0.3% 100%
<표 3-2> 9차 수급계획 ‘발전량 기준 시나리오’의 2030년 연료원별 발전 비중 전망
(단위: %)
자료: 9차 수급계획,2020.12.28, p.41.
지난해 10월 ‘2050탄소중립위원회(탄중위)’는 ‘2050 탄소중립 시나리오’와 ‘2030 국가 온실가스 감축목표(이하 2030 NDC)’를 심의･의결하였는데41), ‘2030 NDC’와 9차 수급계획의 2030년 발전 비중 전망치는 상당한 차이가 발생한다. 특히 ‘2030 NDC’는 2030년 전력부문의 온실가스 배출목표를 약 1.5억 톤(1.499억 톤)으로 설 정하고 있다(탄소중립녹색성장위원회, 2021.10.18, p.6)42). 이는 ‘9차 수급계획’의 동년 온실가스 배출 전망치인 2.049억 톤 대비 약 0.5억 톤 낮은 수준이다. 온실가 스 감축에 대한 우리나라가 국제사회에 약속한 온실가스 감축목표를 달성하기 위해 서는 전력부문의 경우 9차 수급계획의 전망보다 약 0.5억 톤의 온실가스를 더 감축 해야 하는 것이다. <표 3-3>은 ‘2030 NDC 상향안’에서 전망한 2030년 전력부문 의 연료원별 발전비중이다. <표 3-2>의 9차 수급계획 전망과 비교해 볼 때 석탄의 발전 비중은 대폭 감소한 반면 신재생에너지 비중은 9차 수급계획보다 대폭 증가하 였다. LNG 발전 비중 전망은 유사하지만 ‘2030 NDC 상향안’에서는 암모니아 혼 소발전이 새롭게 추가된 것이 9차 수급계획과는 다른 특징이다.
원자력 석탄 LNG 신재생 암모니아 양수·기타 합계
발전량 146.4 133.2 119.5 185.2 22.1 6.0 612.4 비중 23.9% 21.8% 19.5% 30.2% 3.6% 1.0% 100.0%
<표 3-3> ‘2030 NDC 상향안’의 2030년 전원믹스 구성
(단위: TWh)
자료: 탄소중립녹색성장위원회, 2021.10.18, ‘2030 국가 온실가스 감축목표(NDC) 상향안’, p.6.
41) 자료: 탄소중립녹색성장위원회, 2021.10.18, ‘2050 탄소중립 시나리오안’ 및 ‘2030 국가 온실가스 감축목표(NDC) 상향안’, https://www.2050cnc.go.kr/base/board/list?boardManagementNo=4&menuLevel=2&menuNo=12 (홈페이지 접속 일: 2022. 6. 25).
42) ‘2030 NDC’의 전환부문 온실가스 감축목표는 149.9백만 톤으로, 이는 2018년 동 부문 배출량인 269.6백만 톤보다 약 44.4%를 감축한다는 것임.
본 연구에서는 9차 수급계획을 기준안으로 설정하고, 전력부문의 다양한 에너지 세제 개편(안) 시나리오에 따른 전기요금 및 온실가스 배출 영향을 분석한다. 이러 한 세제 개편의 2030년 ‘2030 NDC 상향안’의 목표 달성 여부를 검토하기 위해 2030년 전력부문의 온실가스 배출목표는 동 ‘상향안’에서 설정한 약 1.5억 톤 (1.499억 톤)을 준용한다. 즉, 본 연구의 분석 초점은 2030년 전력부문 온실가스 배출목표인 1.5억 톤을 달성하는데 필요한 유연탄과 LNG의 다양한 세제 개편(안) 을 검토하는 것이다. 전력부문 에너지세제 개편(안)은 다양하게 검토될 수 있으나, 개편의 기본 방향은 전기요금 인상을 최소화하면서 유연탄과 LNG의 전원믹스 전환 이 가능한 방안을 탐색하는 것이다.
M-Core 모형 운용을 위해 필요한 연도별 설비구성(전원구성) 및 목표 전력수요 는 9차 수급계획을 공히 준용한다. <표 3-4>는 9차 수급계획의 2025년과 2030년 의 설비구성과 목표 전력수요 전망치를 정리한 것이다. 수력, 양수 및 신재생발전의 시간대별 발전패턴은 2019년 실적자료를 적용한다. 열병합발전 등 열제약 발전기의 패턴은 2019년 시간대별 발전실적을 적용하였다.43) 발전량에 중요한 영향을 미치 는 연료원별 예방정비 및 고장정지일 전제44)는 9차 수급계획 수립에 적용되는 전제 를 준용하였는데, 이 전제를 적용한 원전의 이용률은 약 79~80%가 된다.45) 연료원 별 변동비 산정에 필수적인 열량단가(원/Gcal)는 2019년 5월~2020년 4월 기간의 실적 평균을 적용한다.46) 2018년 ‘개별소비세법 개정’47)에 따라 유연탄과 LNG에 부과되는 세율이 2019년 4월부터 적용된 점을 고려한 것이다. 연료원별 열량단가 중 특히 LNG는 가스공사에서 적용하는 평균요금과 직도입 요금이 다르기 때문에 이를 구분하였다. 9차 수급계획에 따르면 기존 가스공사의 평균요금을 적용받던 LNG발전기들은 장기적으로 직도입 LNG발전으로 전환이 예상됨에 따라 유연탄과 LNG간의 급전순위역전 효과 분석은 유연탄과 직도입 LNG의 열량단가 차이를 비 교하는 것이 적절하다.
43) 수력, 양수, 신재생에너지, 열제약 발전의 2019년 실적 자료는 ‘장인의공간(주)’의 제공한 비공개 내부 자료를 이용함(자료: 장인 의공간 내부 자료, 취득일: 2021.2).
44) 9차 수급계획에서 원전의 예방정비 및 고장정지일은 84일, 석탄은 53일, LNG는 47일로 전제함.
45) 자료: 한국전력거래소 내부 자료, 취득일: 2021.2, / 이 입력 전제는 연구목적에 한정하여 한국전력거래소로부터 취득한 비공개 자료임을 밝힘.
46) 열량단가 실적 자료는 ‘장인의공간(주)’의 제공한 비공개 내부 자료를 이용함(자료: 장인의공간 내부 자료, 취득일: 2021.2).
47) 기획재정부. 2018. ｢2018년 세법개정안 상세본｣. p.65 / 기획재정부 보도자료. 2018. ｢2018년도 세법개정안 보도자료 문답 자료｣. pp.38~39.