재생에너지 잠재량 및 LCOH를 활용한 ASEAN 그린 수소 수출 잠재력 분석

김현준 고려대학교 에너지환경대학원(그린스쿨) 2024 국내석사

그린 수소는 2050년까지 국제적으로 거래되는 에너지 상품으로 전 세계 에너지 시장의 주요 부분을 차지하게 될 것으로 예상된다. 본 논문은 ASEAN국가 중 그린 수소 수출 잠재력이 높은 국가는 어느 국가인지, 그리고 그린 수소 수출 잠재력 분석을 위해 필요한 지표는 무엇이고 어떻게 측정하는 것이 필요한지에 대해 연구를 수행하였다. 이를 위해 그린 수소 생산에 활용할 수 있는 재생에너지양과 그린 수소 수출 가능량을 추정하였고, 국가별 가중평균 전력단가를 바탕으로 LCOH값을 도출하였다. 초기 수소 시장에서의 수출 잠재력은 바이오매스를 활용하여 인도네시아가 시장에서의 비교우위를 지닐 것으로 예상되며, 이후 전세계 수소 수요가 기하급수적으로 증대된 이후에는 높은 잠재량을 바탕으로 미얀마가 ASEAN 국가 중 가장 매력적인 그린 수소 생산지로 각광받을 것으로 전망되었다.

ESG 제도 확립을 위한 그린워싱 규제 개선방안 : 주요 국가의 그린워싱 사례를 중심으로

신영인 고려대학교 에너지환경대학원(그린스쿨) 2024 국내석사

전 세계적으로 기후위기 대응을 위한 탄소중립 전략 및 지속가능한 성장의 중요성이 강조되고 있다. 기후위기 대응을 위한 정부의 환경규제가 강화되고 ESG 공시 의무화 추세에 따라, ESG 경영은 기업의 생존을 위한 중요한 전략이 되었다. 그러나 ESG 열풍에 따라 소위 ‘위장 환경주의’라 불리는 그린워싱 사례도 크게 증가하고 있다. 그린워싱은 ESG 제도 확립을 저해하고 궁극적으로는 기후위기 대응에 역행한다는 측면에서 심각한 문제점을 갖고 있으므로, 이에 대한 규제가 불가피하다. 그럼에도 현재 국내 그린워싱에 대한 규제는 다소 미흡한 실정이므로, 이에 대한 실효성 있는 규제방안 마련이 시급하다. 따라서 본 연구에서는 그린워싱 규제 개선방안을 도출하기 위해 현행 각국의 규제 프레임을 살펴보고, 사법적 또는 행정 당국의 판단을 거친 최근의 그린워싱 사례를 분석하였다. 분석결과, 환경에 관한 주장의 입증책임은 전적으로 기업에게, 그 입증정도는 더욱 엄격하게 마련되고 있으며, 그린워싱 판단을 위해 기업 내부 정보 접근권의 확대 필요성이 커지고 있다. 한편, 기업의 기후공약 관련 그린워싱은 미래의 장기적인 약속으로 현재의 검증이 어렵고, 법적 구속력이 없다는 점에서 이에 대한 향후 규제당국의 그린워싱 인정 여부 및 그 판단 근거에 귀추가 주목된다. 그린워싱의 폐해가 사회 전반에 미친다는 점에서 문제제기 주체 적격에 대한 제한 요건은 완화될 것으로 기대된다. 다만, 그린워싱에 대한 문제제기 확대 추세에도 불구하고, 그 처벌수위는 약한 편이라서 이에 대한 제도 개선이 필요하다. 본 연구는 그린워싱으로 판단된 실제 사례를 통해 각국 규제당국의 판단을 분석하고, 규제 개선방안에 대한 정책적 함의를 도출시켰다는 점에서 연구 의의가 있다. 이러한 점을 고려하여 향후 그린워싱의 규제방안이 개선된다면, 실효성 있는 기후위기 대응 및 글로벌 기준에 부합한 ESG 제도 확립에도 기여할 수 있을 것으로 기대해본다.

한국 RE100 제도의 정책 틀과 RPS 제도의 연계성 분석

양원창 고려대학교 그린스쿨대학원 2023 국내박사

한국 RE100 제도는 RPS 제도와 연계됨에 따라 글로벌 RE100 캠페인보다 복잡한 구조를 가지게 되었다. 기업들의 자발적인 재생에너지 이용을 통해 온실가스를 감축한다는 목적 외에 기업들의 경쟁력 약화를 방지하기 위해 기업들의 재생에너지 이용비용을 최소화해야 한다는 목적이 추가되었기 때문이다. 이행수단도 PPA, REC 구매와 함께 녹색프리미엄이 특별히 도입되었다. 한국은 2021년도에 글로벌 RE100 캠페인을 벤치마킹하면서 녹색요금제 대신 녹색프리미엄을 도입하였다. 한국 RPS 제도는 녹색프리미엄 설계에 큰 영향을 끼쳤다. RPS 제도와 연계된 녹색프리미엄의 도입은 한국 RE100 제도의 운영에도 많은 영향을 미쳤다. 기업들은 재생에너지 조달비용이 가장 낮은 녹색프리미엄을 이용하고 있다. 향후에도 녹색프리미엄을 가장 많이 이용할 것으로 전망된다. 그러나 녹색프리미엄은 온실가스 감축과 관련이 없다는 추가성의 한계를 갖고 있다. 추가성 문제를 보완하기 위하여 한국 RE100 제도는 녹색프리미엄기금을 별도로 도입하였다. 한국 RE100 제도를 종합적으로 이해하기 위해 한국 RE100 제도의 정책 틀인 정책목적 및 이행수단과 RPS 제도의 연계성을 분석한 결과, RPS 제도는 녹색프리미엄과 보완 관계에 있고 녹색프리미엄의 이행비용이 다른 이행수단의 이행비용보다 낮다는 것을 알게 되었다. 산업부문 전체의 전기사용량을 재생에너지로 전환할 경우 녹색프리미엄은 3조 374억원의 이행비용이 발생할 것으로 추정되었다. REC 구매는 6조 5,764억원의 이행비용이 발생하여 녹색프리미엄 보다 3조 5,390억원의 추가 이행비용이 발생하는 것으로 추정되었다. 태양광 PPA의 경우에는 13조 3,757억원∼16조 1,623억원의 추가 이행비용이 발생하는 것으로 추정되었다. 녹색프리미엄 자체는 재생에너지 공급 및 온실가스 감축과 직접 연계되어 있지 않다는 한계가 있다. 한국 RE100 제도는 녹색프리미엄 낙찰 수입으로 녹색프리미엄기금을 조성하고 조성된 기금을 재생에너지 공급에 투자함으로써 녹색프리미엄이 재생에너지 공급 및 온실가스 감축에 간접적으로 기여할 수 있도록 녹색프리미엄의 한계를 보완하였다. 녹색프리미엄으로 조성된 기금을 재생에너지 공급에 활용할 경우에는 PPA를 통한 재생에너지 공급의 약 30.7% 정도를 공급할 수 있는 것으로 분석되었다. 한국 RE100 제도는 글로벌 기업들의 RE100 요구에 경제적으로 대응할 수 있는 시스템으로 평가된다. 그러나 한국 RE100 제도가 녹색프리미엄 위주로 운영되어, 기업의 참여가 활성화될수록 녹색프리미엄이 그린 워싱(green washing)이라는 비판을 받을 가능성도 커질 것이다. ESG 경영이 강조됨에 따라 기업들이 그린 워싱의 비판을 받을 수 있는 녹색프리미엄을 통해 재생에너지를 조달하는 데에는 일정한 한계가 있을 것이다. 녹색프리미엄은 온실가스 감축량과 관련이 있는 EU의 탄소국경조정제도에 대응하는 데에도 한계가 있을 것이다. 이 경우에 기업들은 녹색프리미엄을 이용하는 것보다 PPA 등을 활용하는 것이 더 유리할 것이다. 정부는 한국 RE100 제도의 활성화를 위해 녹색프리미엄의 신뢰성을 강력히 유지할 필요가 있다. 녹색프리미엄의 이행비용이 낮은 수준으로 유지될 수 있도록 녹색프리미엄의 물량을 충분히 공급해야 하고 녹색프리미엄기금을 이용한 재생에너지 공급 약속을 충실히 지켜야 한다. 한국 RE100 제도의 이용실적이 글로벌 기업들에게 충분히 인정받을 수 있도록 기업의 재생에너지 이용 검증시스템도 구축해야 한다. 기업들이 PPA를 이용할 수 있도록 정책적 지원도 강화할 필요가 있다. 녹색프리미엄이 그린 워싱이라는 비판을 받아 갑자기 중단·축소되거나 다른 나라보다 상대적으로 높은 재생에너지 생산비용이 여전히 문제가 된다면 재생에너지 뿐만 아니라 원자력 발전, 수소 등 온실가스 감축에 효과가 있는 청정에너지를 포괄적으로 이용하는 방향(CE100)으로 정책을 확대하는 것도 고려할 필요가 있다. 핵심어: 한국 RE100 제도, 글로벌 RE100 캠페인, 재생에너지, 녹색프리미엄, REC 거래, PPA, 신재생에너지의무공급제도(RPS), 녹색프리미엄기금, CE100

스트레처블 태양광발전시스템 분야 특허기반 기술경쟁력 연구

유소진 고려대학교 그린스쿨대학원 2021 국내석사

올해 2021년은 파리협정의 이행이 시작되는 첫 해로, 기후환경 분야에서 중요한 해에 해당한다. 지난 5월 30일과 31일에는 서울에서 제2차 P4G 정상회의가 진행되어, 기후변화 대응과 지속가능발전목표의 달성을 가속화하기 위한 논의가 이루어졌으며, 12개 중견국가와 국제기구, 기업들의 참여가 있었다. 세계적인 코로나 팬데믹 사태를 겪으면서 국제적인 연대와 협력의 중요성이 강조되는 분위기가 형성되었고 미국의 파리기후변화협약 재가입까지 성사되면서, 올해는 기후변화에 대한 국제적인 결속이 더욱 공고해질 것으로 기대되고 있다. 작년 2020년에는 한국판 그린뉴딜 정책이 발표되었는데, 앞으로의 위드 코로나 및 포스트 코로나 시대를 맞이하는 방안이 될 것으로 기대를 모으고 있다. 한국판 그린뉴딜 정책은 ‘도시·공간·생활 인프라 녹색전환’, ‘저탄소 분산형 에너지확산’, ‘녹색산업혁신 생태계 구축’에 대해 2025년까지 투자와 지원이 이루어질 예정이다. 특히, 저탄소 분산형 에너지확산 정책은 지속가능한 신재생에너지를 사회에 확산시키기 위하여 에너지관리 효율화 지능형 스마트 그리드 구축, 신재생에너지 확산기반 구축 및 공정한 전환 지원, 전기차·수소차 등 그린 모빌리티 보급 확대라는 주요 과제들이 진행될 것이다. 여기에는 2025년까지 총 사업비 35조 8천억 원 투자가 계획되어 있고 일자리 20만 9천 개 창출이 기대된다. 특히, 한국판 그린뉴딜 정책에서 신재생에너지의 확산 지원은 관련 기술을 연구하고 기획하는 연구기관이나 기업, 대학에 큰 기회가 될 것으로 기대된다. 2010년대 중반부터 2010년대 후반까지 세계를 관통하는 이슈는 ‘4차 산업혁명’이었다. 4차 산업혁명과 관련된 사물인터넷, 빅데이터 및 인공지능 기술이 급격히 발전하면서 시장은 모바일폰, 테블릿PC, 전자시계 및 드론 등 전자제품의 소형화와 휴대성을 요구하고 있다. 이러한 현상은 2020년 코로나로 인한 팬데믹 사태를 겪으면서 더욱 가속되었고, 관련 시장과 산업이 크게 성장하게 이끌었다. 이는 전기에너지를 생산하고 저장하는 기존의 이차전지 분야뿐만 아니라 신재생에너지를 이용한 전지 분야에도 영향을 미쳤다. 특히, 신재생에너지 중 태양광발전시스템(solar photovoltaic cells)은 얇고 가볍게 제작할 수 있어 현 시대에 요구되는 다양한 제품에 적용할 수 있다. 태양광발전시스템은 태양전지를 통해서 태양에너지를 바로 전기에너지로 변환하는 구조이고, 다른 신재생에너지 기술과 달리 간단한 구성이 가능하다. 또한, 1세대 결정질 실리콘, 2세대 박막 화합물, 3세대 연료감응형 및 유기물, 4세대 퀀텀닷 및 페로브스카이트 기술까지 꾸준히 기술개발이 진행되고 있다. 최근에는 유연성만 포함한 플렉서블 기술을 넘어서, 신축성까지 포함한 스트레처블 기술이 주목을 받고 있다. 스트레처블 기술은 태양광발전시스템 분야 보다 디스플레이 분야에서 먼저 대두되었다. 디스플레이는 휴대할 수 있는 대형 화면을 추구하기 때문에 일찍부터 롤러블(Rollable)이나 스트레처블(Stretchable) 디스플레이에 대한 요구가 있었고, 이는 연구개발과 특허출원으로 이어졌다. [그림.Ⅰ-1]과 같이 한국특허청 보도자료에 따르면, 국내 스트레처블 디스플레이관련 특허가 2010년대 중반과 후반에 크게 증가한 것을 확인할 수 있다.(한국특허청 보도자료, 2019) 이러한 국내 스트레처블 디스플레이 기술은 세계를 선도하고 있다. 그럼에도 불구하고 태양광발전시스템 분야에서는 스트레처블 기술에 대한 동향 자료조차 부족한 실정이다. 이에, 스트레처블 태양광발전시스템과 관련된 특허기술을 조사하고 이를 기반으로 기술경쟁력을 분석하는 연구를 계획하게 되었다. 스트레처블 태양광발전시스템과 관련된 특허기술 기반 주요국가별 기술경쟁력을 분석하고 기초 기술동향자료를 제공함으로써, 스트레처블 태양광발전시스템 기술의 발전과 활용 방안을 제시하고자 한다.

양자 간 거버넌스를 적용한 도서 지역 MG 사업모델의 경제적, 사회적 편익에 관한 연구 : 수요자의 태양광 에너지 공동체를 중심으로

이상희 고려대학교 에너지환경대학원(그린스쿨) 2022 국내석사

The purpose of this study is to develop a business model that efficiently converts diesel power generation systems to renewable energy microgrids (MG) in large-scale islands. Most of the previous studies on the conversion of renewable energy MG in islands had limitations dealing with efficiency from the perspective of suppliers. However, the microgrid has the characteristic of getting benefits through the interaction between the consumer and the supplier. In addition, the efficient MG business model from the perspective of new institutional economics is a structure with bilateral governance in which consumers and suppliers jointly participate. Therefore, this study assumed that the MG business model in which the supplier’s MG and the consumer’s community solar participated would benefit all participants, and verified the assumptions using domestic island data. In terms of supplier investment, the cost of power supply (LCOE) of assumed model was calculated to be 14.0% lower than that of the diesel model and 3.7% lower than that of the supplier-only MG model. From the perspective of consumer investment, electricity bills are expected to be reduced by more than 200,000 won per household per year through self-generation of solar power. Social benefits are expected to reduce external environmental costs. The CO2 emissions of the assumed model were calculated to be 39.5% lower than the diesel model and 1.5% lower than the supplier-only MG model. Therefore, the MG business model with consumer participation proposed in this study is expected to be an efficient alternative to renewable energy MG conversion in domestic islands, and is meaningful as an energy plan that improves the benefits of local residents. 도서 지역의 전력설비 건설과 에너지 공급은 매우 복잡한 문제이다. 내륙과 연결되지 않은 지리적 여건과 기술적 타당성을 고려하여 현대 생활의 필수재인 전기를 도서 지역 주민이 안정적으로 사용할 수 있도록 에너지를 공급해야 하기 때문이다. 이때 직면한 가장 큰 문제는 내륙지역과 떨어진 도서 지역을 연결하는 전력설비 건설에 필요한 매우 높은 비용이다. 이 비용 문제로 인하여 대부분의 도서 지역은 육지 연계 전력설비 건설보다 상대적으로 초기 투자비용이 낮은 중유 기반 디젤발전기를 해당 도서에 설치하고 전력을 공급하여 많은 오염물질을 배출하며 환경에 악영향을 끼치고 있다. 최근에는 전 세계적으로 많은 연구에서 위와 같은 경제적, 환경적 문제를 해결하기 태양광, 풍력 발전 등 재생에너지의 효율 향상과 친환경성을 활용하고 안정성, 지속가능성, 자립성, 비용 절감 등을 고려하여 재생에너지 마이크로그리드(MG) 시스템을 도서 지역 디젤발전 시스템의 대안으로 검토하고 있다. 한국 정부도 경제·사회의 과감한 녹색전환을 이루기 위해 탄소 중립(Net-Zero) 사회를 지향점으로 2020년 그린뉴딜 계획을 수립하고 3대 분야 8개 과제를 추진한다. 이 그린뉴딜 계획 중 “저탄소·분산형 에너지 확산 분야의 에너지관리 효율화, 지능형 스마트 그리드 구축 과제”의 하나로 앞서 언급한 도서 지역 디젤엔진 발전기의 환경오염 물질 배출량 감축을 위해 전국 42개 도서 지역에 친환경 발전시스템 구축 및 재생에너지 마이크로그리드 도입을 계획하고 있다. 그러나 현재 소규모 도서 지역은 신재생에너지 보급 지원 사업 추진에 따라 재생에너지 설비 비중이 높은 것과 달리 대규모 도서의 재생에너지 설비 비중은 매우 낮은 편이다. 대규모 도서는 재생에너지 MG 시스템 전환에 많은 초기 투자비가 소요되어 추진에 어려움이 있기 때문이다. 따라서 대규모 도서에 대해 경제적인 MG 전환 방안 마련이 필요하다. 본 연구의 목적은 상기 문제 해결을 위해 국내 대규모 도서 지역 전력 공급 디젤발전 시스템을 재생에너지 MG로 효율적 전환하는 사업모델을 개발하는 것이다. 이와 관련하여 도서 지역 재생에너지 MG 전환에 관한 선행연구 조사결과 대부분 공급자 관점의 효율성을 다루는 한계가 있었다. 반면 마이크로그리드의 이론적 배경을 보면 기술적으로 수요자와 공급자가 상호작용(Interaction)을 통해 경제적, 환경적, 기술적 이점을 얻을 수 있다. 수요자는 자가발전 시스템 또는 중앙전력망으로부터 경제적으로 전기를 얻을 수 있고, 전력망 운영자(DSO)는 분산 에너지원과 수요관리 계획을 활용한 최대부하 대응으로 에너지 공급과 사용의 효율성을 높일 수 있으며 이로 인해 온실가스 배출 저감이 가능하다. 그리고 발전사업자는 MG 또는 중앙전력망에 전력을 공급함으로써 경제적 편익을 얻을 수 있다. 신제도경제학(New Institutional Economics) 관점에서 본 MG는 과거 공급자 중심의 단독 사업자가 독점 자산과 거버넌스를 갖고 있었던 것과 달리, 수요자인 주민 또는 제3자의 분산전원이 전력사업에 참여하는 새로운 형태의 에너지 인프라이다. 즉, 특정 지역에만 전력을 공급하는 특수한(Idiosyncratic) 자산으로써 발전 자산, 배전망 자산, MG 제어권 등 다양한 재산권이 존재하며 이 재산권 또한 공급자(유틸리티)를 포함한 다수의 참여자가 소유할 수 있다. 이처럼 분산전원이 전력사업에 참여하는 에너지 인프라인 마이크로그리드에 적합한 사업모델과 효율적 거버넌스는 거래비용 이론(Transaction cost economics)에 따르면 수요자와 공급자가 공동 참여하는 사업모델이며, 참여자 상호 간 협력하는 거버넌스(Governance) 설계와 거래를 보호하는 제도(Institution)적 보완을 통해 거래비용이 절감될 수 있고 이는 거래의 효율(Efficiency) 향상으로 이어진다. 위 이론을 근거로 국내 도서 지역에 수요자와 공급자 공동 참여 MG 사업모델과 양자 간 거버넌스(Bilateral governance)를 적용하고 양자가 거래에 있어 협력적인 계약(Relational contracting) 관계라면 재생에너지 MG의 효율적 대안이 될 수 있을 것으로 예상된다. 이와 관련하여 수요자 및 공급자 양자 간 재생에너지 거래에 대해 협력적 계약 관계가 가능한 국내 제도 검토 결과 도서 지역 전력공급과 수요자 분산 에너지원 설치 정부 보조금 지원정책, 자가발전 재생에너지 전기요금 상계거래 제도가 거래를 뒷받침하고 있다. 이에 본 연구는 공공 유틸리티가 주도하고 수요자 태양광 에너지 공동체가 참여하는 도서 지역 MG 사업모델이 효율적이며 참여자에게 모두 편익이 있을 것이라고 가정하였다. 가설 검증을 위해 국내 도서 지역인 조도면의 관련 데이터를 수집하고 HOMER, SAM Tool을 활용하여 가정 MG 사업모델의 수요자 PV 참여 개발방식 추진과 MG 시스템의 기술적 실현 가능성을 검증하였다. 또한, 참여자 투자자본 관점에서 경제적 편익, 사회환경적 편익을 분석하였다. 가설 검증결과 최적화된 수요자 참여 MG 에너지 모델을 구성하는 PV 규모를 해당 도서 지역 수요자의 가구 수와 전력사용량 고려 시 참여 예상 주택용 PV 설비용량이 충족하여 수요자 PV 참여 MG 개발방식 추진이 가능하다. MG 에너지 시스템은 해당 도서의 총 전력수요에 부족 없이 대응하여 기술적 실현 가능성도 있는 것으로 분석되었다. 그리고 수요자 참여 MG 사업모델에 참여한 수요자와 공급자 모두 경제적, 사회적 편익이 있을 것으로 예상된다. 가정 사업모델의 경제적 편익은 공급자 투자 관점에서 전력공급원가(LCOE)가 디젤 모델보다 14.0% 낮고, 공급자(정부보조금) 단독 MG 모델보다 3.7% 낮게 산출되어 전력공급비용 절감이 예상된다. 수요자(주민) 투자 관점에서는 태양광 자가발전으로 1가구당 연 20만 원 이상 전기요금 절감이 예상된다. 사회적 편익은 가정 사업모델의 CO2 배출량이 디젤 모델보다 39.5% 낮고, 공급자 단독 RE-MG 모델보다 1.5% 낮게 산출되어 외부환경비용 절감이 가능하다. 더하여 본 연구에서 제안한 수요자 참여 지역 에너지 프로젝트 개발 프레임워크는 사회적 의사결정에 대중의 선호도와 가치를 포함함으로써 “사회적으로 좀더 강건한”결정을 내릴 수 있는 이점이 있을 것이다. 그러므로 본 연구에서 제안한 수요자 참여 MG 사업모델은 국내 도서 지역 재생에너지 MG 전환의 효율적 대안이 될 수 있을 것으로 기대되고, 지역 주민의 편익을 개선하는 수요자 중심의 에너지 계획으로 의미가 있다.

국내 기업의 RE100 달성을 위한 이행방안 비교 연구 : 경제성분석 중심으로

안상효 고려대학교 에너지환경대학원(그린스쿨) 2022 국내석사

글로벌 RE100 캠페인은 2050년까지 사용하는 전력을 100% 재생에너지로 전환하는 민간 차원의 자발적인 캠페인이지만 아직 글로벌 RE100에 가입하지 않은 국내 기업에도 많은 영향을 미친다. 이에 우리나라는 지난 2021년에 한국형 RE100(K-RE100) 제도를 도입하여 국내 기업이 RE100에 대응할 수 있는 제도적 장치를 마련하였다. 하지만 국내는 해외 다른 나라 대비 높은 재생에너지 LCOE 및 전력거래제도의 제도적 한계로 인하여 기업들이 다양한 방법으로 RE100을 이행하기에는 한계점이 존재한다. 이에 본 연구에서는 K-RE100 제도 하에 RE100을 이행할 수 있는 녹색 프리미엄, REC 구매, 제3자 PPA, 직접 PPA 및 자체건설에 대한 RE100 이행 비용을 비교 분석하여 RE100을 이행하는 기업의 입장에서 20년간 발생되는 비용의 순현재가치(NPV)가 가장 낮은 이행방안 순서를 도출하였다. 그 결과 2023년 RE100 이행 기준 자체건설이 가장 경제적인 방안으로 분석되었으나, 녹색 프리미엄을 통한 이행방안이 가장 현실적인 이행방안으로 보였다. 그러나 점차 하락하는 LCOE를 감안할 때 2025년 및 2026년에는 직접 PPA 및 제3자 PPA가 녹색 프리미엄 대비 경쟁력을 확보할 수 있어 기업의 입장에서 RE100을 이행하기 위한 다양한 포트폴리오 구성이 가능할 것으로 예상된다. 단, 제3자 PPA 및 직접 PPA의 조기 활성화를 위해서는 망이용료 및 부가금에 대한 제도적인 지원이 이어야 할 것으로

연료전지시스템 경제성 사례분석에 의한 에너지기술개발 투자예산 산정 모델 연구

안종득 고려대학교 그린스쿨대학원 2022 국내박사

본 연구는 국가연구개발사업으로 추진되는 에너지기술개발 투자 예산의 산정 방법론을 제시하는 데 목적이 있다. 연구 진행은 사례연구(case study) 방식으로 에너지시스템 구성과 연구 조건을 설계하고 분석모형을 적용하여 연구 결과를 분석, 검증하는 과정으로 전개하였다. 사례연구를 위한 에너지시스템은 전기 및 열 병합 시스템으로 활용 가능한 고온형 고분자연료전지(HT-PEMFC) 기반의 삼중열병합시스템을 대표 사례로 고려하였다. 그리고, 해당 시스템을 정부 R&D 과제의 개발품으로 가정하여, 수요처로서 데이터센터에 적용되는 구조로 구성하였다. 여기서, 에너지시스템과 데이터센터는 연구 CASE 조건을 바꿔가며 실험할 수 있는 테스트베드(test bed) 역할을 한다. 연구 조건 설계는 R&D 수행 이전과 R&D 수행 이후의 기술개선 효과를 비교하기 위하여, R&D 수행 이전의 현재 기술 수준을 “Reference 조건”으로 설정하고, R&D 수행에 따른 연구 조건을 사례연구의 CASE 조건으로 설정하였다. 그리고, 각 CASE의 구체적인 조건과 기술개선 목표는 연료전지 분야의 연구 동향을 고려하여 R&D 유형을“성능개선, 가격저감 기술개발, 대용량 기준”으로 구분하고 기술개선 변수에 따라 설정하여 총 12개의 CASE를 구성하였다. 분석모형 설계는 에너지시스템의 최적화 설계를 바탕으로 경제성 분석 결과를 도출하기 위하여 “에너지시스템 최적화 모형”과 “경제성 분석 모형”을 연계하여 구성하였다. 분석 모형1에서는 선형계획법을 이용하여 목적함수와 제약조건을 만족하면서 수요처(즉, 데이터센터)에 도입되는 에너지시스템의 최적화 결과를 도출하는 모형을 설계하였다. 그리고, 분석 모형2에서는 경제성 분석 모형을 설계하였다. 국가연구개발사업 예비타당성 조사에서 경제적 타당성 평가는 기본적으로 비용-편익 분석기법(Cost-Benefit Analysis)을 이용한다. 이를 감안하여 본 연구에서는 비용-편익분석을 활용하여 에너지시스템의 기술개선을 위한 R&D 과정에서 요구되는 비용 즉, 고정투자비, 유지보수비, 연료비 등을 추정하고, 기술개선에 따른 경제적 효과는 시스템이 적용되어 운전되는 기간의 편익을 현재가치로 추정하는 방법으로 설계하였다. 이러한 연구 과정을 통하여 R&D 투자비용으로서 지출할 수 있는 최대 R&D 투입 금액을 의미하는 “허용R&D투자규모”와 R&D투자로 발생하는 직접적인 기술개선 효과를 의미하는 “투자효과”를 산정하였고, 이를 토대로 에너지기술개발 투자예산 산정 방법론과 정책적 함의를 다음과 같이 제시하였다. 첫째, 기술개선을 주제로 하는 R&D 과제의 직접적인 기술개선 효과는 실험환경의 설계와 기준조건과의 비교 분석의 방법으로 측정할 수 있다. 여기서, 기술개선 R&D 결과물을 측정할 수 있는 실험 환경(test bed)을 설계한다. 그리고, 기준조건과의 비교 분석을 위한 『기준조건(Reference)-CASE 간 비교 분석』의 방법으로 기술개선 R&D의 직접적인 기술개선 효과를 측정한다. 둘째, 본 연구에서 제시한 “허용R&D투자규모”는 R&D 투자 전과 투자 후의 누적 NPV 차이값으로 정의하여 산출한다. 여기서, 비용편익분석 기법을 활용하여 제시한 “허용R&D투자규모”의 산정 방법은 기술개선을 목적으로 하는 신규 R&D 과제에서 R&D 수행으로 발생하는 직접적인 기술개선 효과를 편익으로 산출하는 방법으로서 신규 R&D 과제의 투자 예산 산정의 기준(guideline)으로 활용할 수 있다. 셋째, 본 연구에서 제시한 투자예산 10억원당 “투자효과”는 비교 대상이 되는 R&D 후보 과제 간에 균등한 투자비용을 기준으로 투자효과를 산출함으로서 경제성 관점에서 투자우선 순위를 결정하는 방법론이 된다. “허용R&D투자규모”와 R&D 투자 전과 후의 내부수익률(IRR) 최대 차이 값을 이용하여 투자예산 10억원당 내부수익률(IRR)의 증가분으로 산출한다. 본 연구의 결과로서 제시한 “허용R&D투자규모”와 “투자효과”산정 방법은 에너지기술개발사업에서 경제성 관점에서 사업 당위성과 투자예산을 산정하는 방법론으로서 활용될 수 있을 것이다.

The Analysis of Policy Implementation in China’s Energy Transition : The Case of Clean Heating Transition

Lee, Eun Ju 고려대학교 그린스쿨대학원 2023 국내박사

Tailoring shape and exposed crystal facet of single-crystal layered-oxide cathode particles for all-solid-state batteries

Hoyeol Jeon 고려대학교 에너지환경대학원(그린스쿨) 2022 국내석사

복합 양극의 미세구조의 설계는 전고체 전지의 성능을 개선하는 데 중요하다. 미세구조가 효율적인 이온/전자 침투, 우수한 양극/SE 접촉 및 최소 공극 공간을 제공할 수 있기 때문이다. 양극과 SE 입자의 크기 효과가 광범위하게 조사되었지만 양극 입자의 형상 효과는 아직 조사되지 않았다. 본 연구에서는 균열이 없는 단결정 NCM과 내산화성의 LYC를 사용해 양극 입자의 형상과 노출 결정면이 전고체 전지의 성능에 영향을 준다는 것을 증명했다. 첫번째로 수열 합성 방법을 통해 aspect ratio가 다른 막대 형상의 NCM을 합성했으며, 합성 시 황산염 이온의 농도 변화에 따른 막대 형상 NCM의 합성 메커니즘을 확인하였다. 합성 시 황산염 이온의 농도가 높아질 수록 입자의 aspect ratio가 커지는 것을 확인했다. 황산염 이온은 양이온에 높은 친화도를 가지는데, 황산염 이온이 많을수록 망간 양이온에 많이 흡착되어 핵생성을 방해해서 큰 aspect ratio를 가지는 이산화망간 입자를 합성할 수 있다. 양극 입자의 aspect ratio가 커질수록 양극 입자간 뭉침 현상이 심해져 셀의 전기화학적 특성이 떨어지게 된다. 균일한 복합 양극을 제조하기 위해서는 aspect ratio가 작은 입자를 사용해야한다. 두번째로, 용융염 합성법으로 (012) 면이 노출된 팔면체 양극 입자와, (001)면이 노출된 판상의 양극 입자를 합성했고, 합성 분위기에 따른 NCM 합성 메커니즘을 확인했다. 팔면체와 판상의 평평한 면은 고체 전해질과 넓은 접촉에 유리해 사이클 특성을 높일 수 있다. 또한 Li+ 이온 확산이 유리한 (012)면을 가진 팔면체 NCM은 높은 C rate에서도 높은 전기화학적 특성을 기대할 수 있다. 세번째로 앞선 실험을 통해 밝혀진 최적 형상의 양극 활물질과 여러 고체 전해질의 조합해 전고체 전지의 특성을 분석하였다. 그 결과 팔면체의 NCM과 미분화된 LYC 전해질로 복합 양극을 제조했을 때, 높은 C-rate에서 우수한 성능을 보였다. 이는 미분화된 전해질은 양극 활물질과 균일하게 접촉할 수 있고, percolation network를 잘 형성할 수 있기 때문이다. 본 논문에서는 양극 활물질의 형상과 노출 결정면이 전고체 전지의 전기화학적 특성에 끼치는 영향을 이해하고자 했다. 따라서, 본 연구는 전고체 전지의 상용화에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. The design of composite cathode microstructure is important for improving the performance of all-solid-state batteries (ASSBs), because the microstructure can provide efficient ionic/electronic percolation, good cathode/solid electrolyte (SE) contact, and minimal void space. Although the size effects of cathode and SE particles have been extensively investigated, the shape effect of cathode particles remains unexplored. Here, we demonstrate that the shape and exposed crystal facet of cathode particles affect the electrochemical performance of ASSBs using crack-free single-crystalline LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NCM) and oxidation-tolerant Li3YCl6 (LYC) as an SE as a model. Firstly, rod-shaped NCMs with different aspect ratios were synthesized through the hydrothermal synthesis method, and the synthesis mechanism of rod-shaped NCMs according to the concentration of sulfate ions during synthesis was confirmed. It was confirmed that the higher the concentration of sulfate ions during synthesis, the greater the aspect ratio of the particles. Sulfate ions have a high affinity for cations, and the more sulfate ions are, the more they are adsorbed to manganese cations, which prevents nucleation, so that MnO2 particles having a large aspect ratio can be synthesized. As the aspect ratio of the cathode particles increases, the aggregation between the cathode particles becomes more severe and the electrochemical properties of the ASSBs deteriorate. In order to manufacture a uniform composite cathode, it is necessary to use particles with a small aspect ratio. Second, octahedral cathode particles with (012) plane exposed and plate-like cathode particles with (001) plane exposed were synthesized using the molten salt synthesis, and the NCM synthesis mechanism according to the synthesis atmosphere was confirmed. The flat surfaces of the octahedron and the plate NCM favor wide contact with the solid electrolyte, increasing the cycling stability. In addition, an octahedral NCM having a (012) plane favorable for Li+ ion diffusion can expect high electrochemical properties even at a high C rate. Third, the electrochemical properties of ASSBs were analyzed by combining various solid electrolytes with cathode active materials having the optimal shape revealed through previous experiments. As a result, when a composite cathode was prepared with octahedral NCM and pulverized LYC electrolyte, it showed excellent performance at high C rate. This is because the pulverized electrolyte can uniformly contact the cathode active material and form a percolation network well. In this paper, we tried to understand the effect of the shape of the cathode active material and the exposed crystal facet on the electrochemical properties of the ASSBs. Therefore, this study is expected to make a significant contribution to the commercialization of ASSBs.

The Combining of MXene and Bimetallic MOF-derived Transition Metal Sulfide as Binder-Free Electrode for High-Performance Supercapacitor

Hyobeen Cho 고려대학교 에너지환경대학원(그린스쿨) 2023 국내석사

MOF (Metal-Organic Framework) has been studied as electrode material for high- performance supercapacitors with the advantage of fast redox reaction as a porous material with a large surface area. However, increasing internal resistance and volume change occur due to continuous charging and discharging, leading to a decrease in long-term stability. In this paper, particle aggregation was suppressed by coating MXene (Ti3C2Tx) nanosheets on the current collector to improve electrical conductivity and reduce internal resistance. In addition, a synergistic effect was obtained by synthesizing MOF with two transition metals, nickel and cobalt. The synthesized NCSMX@NF electrode has a capacitance of 2169.9 F g-1 at 0.5 A g-1 and shows a 30.9% improvement in performance compared to the NCS@NF. The asymmetric supercapacitor (ASC) test obtained the energy density of 19.2 Wh kg-1 at a power density of 375 W kg-1 and the power density of 7500 W kg-1 at an energy density of 7.6 Wh kg-1. 80.49% of capacitance retention was obtained from long-term cycle test of 10,000 cycles. Finally, high-performance supercapacitor electrode that improves capacitance and satisfies long- term stability was fabricated.