무(無)탄소 신(新)전원 해외사례 및 정책방향 연구

국문 초록 (Abstract)

1. 연구의 필요성 및 목적
■ 연구의 필요성
○ 국내외에서 2050 탄소중립 달성에 대한 공감대 확산
- 이산화탄소를 배출하는 기존 화석연료 기반 전원의 대체 필요성 고조
- 석탄발전 중심의 전력믹스의 친환경‧무탄소 전원믹스로의 전환이 요구
○ 온실가스 배출정점 이후 국내 탄소중립 소요기간과 에너지믹스, 산업구조 등을 감안 시 우리나라 탄소중립 달성은 도전적 과제
○ 우리 정부는 ‘2050 탄소중립’ 추진 과정에서 경제구조 저탄소화의 일환으로 ‘에너지전환 가속화’를 천명
- 화석연료에서 신재생에너지로의 주 공급원 전환 방안을 구체화하기 위해 무(無)탄소 신(新)전원의 전원믹스 활용 등에 대한 해외사례에 대한 체계적 연구 및 정리가 요구되는 상황
■ 연구의 목적
○ 2050 탄소중립 이행을 위해 친환경 혁신기술을 적용한 새로운 형태의 발전원에 대한 해외사례 연구 동향 파악
○ 원전 및 화석연료 기반 전통전원(석탄 및 LNG)을 대체할 수 있는 다양한 무(無)탄소 신(新)전원의 발굴 및 전원믹스로의 활용 가능성 모색
- 해외사례로부터 국내 정책적 시사점 도출 등
2. 연구내용 및 주요 분석 결과
■ 무탄소 신전원의 범위와 화력발전의 활용
○ 2050 탄소중립 목표 이행을 위해 무(無)탄소 신(新)전원 활용의 필요성 확대
- 무탄소 신전원의 개념은 2050 탄소중립 시나리오 초안에서 공식적으로 언급되었으며(2021.8),
- 이후 2050 탄소중립 시나리오 최종안이 최종 발표되면서(2021.10) 무탄소 가스터빈 발전으로 범위가 구체화되었고 2030 NDC 상향안에서는 암모니아의 활용으로도 언급
- 저탄소 전력시스템으로 접어드는 2030년 이후에도 원전의 활용은 일정수준 유지되는 상황을 감안할 때 차세대 소형원자로의 활용까지도 무탄소 신전원의 범위에 포함될 것으로 예상
○ 탈탄소화된 전력 시스템에서의 화력발전의 역할 변화
- 2050 탄소중립 목표 달성 과정에서 변동성 재생에너지 중심의 전력믹스는 필연적이지만 재생에너지 발전원의 지속가능한 보급을 위해서는 전력계통의 안정성을 유지할 수 있는 방안의 확보가 중요
- 탄소 등 대기오염물질의 배출이 많은 화력발전원의 조기폐쇄를 통해 발전부문의 탈탄소화를 진행할 수 있으나 그에 따른 사회적 갈등 및 경제적 비용은 국가의 산업과 고용구조에 큰 충격 유발
- 일본 등 일부 선진국에서는 경제수명이 남아있는 화력발전설비의 유연성 및 예비력 자원으로의 활용을 통해 좌초자산 양산을 방지하면서 2050 탄소중립 이행 시 전력시스템 운영의 안정성을 동시에 달성할 계획 수립
- 2050 탄소중립 이행 과정에서 일부 화력발전설비를 유연성 자원으로 지속적으로 활용하려면 화력발전설비의 탄소배출 저감이 필수적이며, 저탄소 연료와의 혼합발전 및 CCUS의 활용은 화력발전의 탄소배출을 저감하는 대표적 방안으로 대두
- 석탄 및 가스복합 화력발전에서 혼소가 가능한 저탄소 연료는 수소와 암모니아가 대표적 → 대규모 상용발전소에서의 혼소율을 높이기 위한 R&D 확대
■ 주요 무탄소 신전원의 기술적 특징
○ 수소 및 암모니아 혼소발전
- 저탄소 연료(수소 및 암모니아)를 석탄, LNG와 혼소하여 발전할 경우 기존화력발전소의 탄소배출을 저감하면서 퇴출 시점을 탄력적으로 조정 가능
- 현재 기술 수준에서 수소는 가스터빈에 직접적으로 주입하여 혼소발전이 가능하며, 암모니아는 석탄화력 부문의 혼소발전으로 활용 중
- 그러나 수소는 자착화(autoignition) 및 역화(flashback) 문제를 해소하고 화염의 안정성을 유지하기 위한 기술 연구가 필요한 반면,
- 암모니아의 경우 수소 대비 느린 연소속도와 낮은 가연성이 발전효율을 저해하는 문제를 개선해야 하며, 연소 과정에서 발생하는 질소산화물과 독성물질을 다루는 기술 확보가 중요
○ CCUS
- 이산화탄소의 포집 및 저장을 통해 저탄소 연료를 활용한 혼소발전 시 탄소배출 저감 등 환경적 측면에서의 시너지 효과 발생
- CCUS 설비를 화력발전소에 도입했을 때 크게 두 가지 경로를 통해 탄소배출을 저감할 수 있는데, 하나는 개별 화력발전소 설비 자체를 개조하여 발전 과정에서 CCUS를 활용하는 경로며 다른 하나는 연료변환 발전소에서 혼소용 저탄소 수소 또는 암모니아를 생산할 때 CCUS를 활용하여 이산화탄소를 포집하는 경로
- CCUS 부가를 위해 개조된 화력발전소와 수소 및 암모니아 혼소 화력발전소 모두 재생에너지 확대 국면에서 전력계통 운영의 안정성을 제고하여 지속가능한 청정에너지 전환을 돕는 순(純) 효과 존재
- 그러나 혼소발전의 경우 석탄이나 LNG 대비 연료비가 비싸고 CCUS 활용을 위해 기존 발전설비를 개조하는 경우 혼소 발전소보다 물리적으로 고려해야할 요소가 더 많아 비용이 증가할 가능성은 상존
○ 소형원자로(SMR)
- IAEA는 원자력이 탄소중립에 필수적인 역할을 한다는 보고서를 발표한 바 있고 이에 대해 미국, 캐나다, 프랑스, 영국, 핀란드, 폴란드, 러시아, 일본, 중국 등 주요 9개국이 지지를 표명
- 특히 IAEA는 장기적으로 탄소중립(net-zero) 달성 과정에서 원자력이 석탄 및 화석연료를 대체하고 재생에너지의 추가적인 보급을 가능하게 하는 친환경 기저전원으로 중요한 역할을 담당할 것으로 전망
- 프랑스 등 해외 주요국에서는 탄소중립 이행 과정에서 원전을 청정에너지로 분류하고 탄소중립의 이행수단으로 활용하고자 하는 움직임이 활발
- 다만 기존 대형원전의 활용보다는 안전성이 강화된 SMR의 활용이 주요 선진국들의(미국, 프랑스 등) 원전활용 정책으로 대두되고 있으며, 기존 전통원전도 그린수소의 생산수단으로서 새로운 활용도를 모색 중
- SMR은 기술적 측면에서 기존 대형 상용원전의 검증된 기술을 중점적으로 사용할 경우 가압경수로 기술에 기반한 ‘경수형 소형원자로’로 분류되며 장기적 관점에서 혁신적인 기술을 적용한다면 ‘비경수로형 4세대 소형원자로’로 분류
■ 해외 주요국의 무탄소 신전원 활용 사례
○ 일본 등 해외 주요국의 무탄소 신전원 활용
- 일본은 암모니아와 수소의 혼합발전을 통해 전력계통 측면에서의 화력발전 활용도를 제고하면서 탄소저감까지 달성하는 계획을 수립(제6차 에너지기본계획)
- 저렴한 수소 및 암모니아 확보를 위한 다양한 공급루트를 개척(중동, 남미, 호주 등)하는 한편, 암모니아 및 수소 혼소율을 높이기 위한 R&D를 꾸준히 진행 중
- 중동(사우디)의 경우 천연가스 기반의 암모니아를 수입하고 남미(칠레 등)로부터는 태양광 및 풍력 등 재생에너지 기반 암모니아 및 수소를 수입, 호주로부터는 저렴한 석탄으로부터 생산된 수소를 수입
- 암모니아를 가스터빈에 직접 주입 및 혼소하는 경우 수소를 활용하는 경우보다 기술적 성숙도가 아직 낮은 것으로 평가되지만 일본 Mitsubishi Power 社를 포함한 주요 가스터빈 제조업체들은 2025년까지 대규모 암모니아 연소용 가스터빈을 출시할 계획
○ 인도, 인도네시아 등 신흥국에서는 전력공급체계에서 석탄화력비중이 높아 화력발전설비의 조기 폐지를 적극적으로 시행하기 어려운 구조 → 암모니아와 수소의 혼소발전을 통한 화력발전 탄소배출 저감에 적극적
- 다만 선진국의 경우 단위당 일정 금액의 탄소세를 부과할 것이고 그에 따른 배출비용 절감분이 혼소에 따른 연료비 상승분을 상쇄하여 혼소 연료비 절감효과가 발생 가능
- 인도, 인도네시아 등 신흥국에서는 산업충격 등을 고려하여 탄소세를 부과하지 않을 가능성이 높아 저탄소 연료 혼소 시 연료비용 증가분을 상쇄할 요소 無
- 혼소에 의한 연료비 상승을 절감할 방안이 마련되지 않는다면 신흥국 발전사업자 입장에서는 굳이 수소 및 암모니아 혼소를 추진할 경제적 유인이 없어 결과적으로 저탄소 연료의 혼소도입이 저해되는 상황이 발생 가능
■ 무탄소 신전원의 효과적인 활용을 위한 정책방향 검토
○ 국가적 특수성을 구체적으로 고려한 해외사례 벤치마킹 필요
○ 일본의 경우 발전연료의 높은 수입의존도, 전력수급에서 화력발전의 기여도, 고립계통이라는 특성, 중앙 집중형 에너지정책 수립 및 운영체계 등 우리나라와 전력산업 거버넌스와 물리적 구조 측면에서 유사한 측면 多
- 따라서 일본이 탄소중립 이행 경로로 제시하는 수소와 암모니아의 혼소발전은 우리나라 전력정책에 큰 이질감 없는 시사점과 정책 이정표를 제시
○ 일본 정부는 제6차 에너지기본계획이 확정되기까지 다양한 수소‧암모니아 혼소 실증사업을 지원하면서 상용화를 위한 기반을 충실히 닦아왔고, 그 과정에서 발전연료로서의 수소 및 암모니아 소비량이 크게 증가할 것을 예상하여 상대적으로 저렴한 수소와 암모니아 공급처를 확보하는 노력도 병행
○ 탄소중립 이행을 위한 일본의 표면적인 정책만을 모방하기보다 사회경제적 비용을 절감하면서 탄소저감을 효과적으로 이행할 수 있는 경로를 개척해나가는 과정과 정책적 일관성 등 정책결정의 소프트웨어적인 측면을 벤치마킹 필요
○ 전력계통의 특성과 전력산업구조 등 전력부문에 있어 한-일간 물리적 특성이 유사한 만큼 탄소중립 및 에너지산업 전환의 경계에서 중시되는 정책적 가치관과 목표가 무엇이 되어야하며 그것을 어떻게 실천하는지를 심도있게 고찰해보아야 할 것
3. 결론 및 정책제언
○ 2050 탄소중립 이행 과정에서 일본 정부가 저탄소 연료(수소 및 암모니아)의 효과적인 활용을 위해 기울인 노력에 대해 연구 필요
- 일본 정부는 수소와 암모니아의 혼소율 제고를 위해 장기적인 관점에서 인내심을 갖고 연구개발 투자를 진행
- 기술개발 외에 기술지표 달성 후 저탄소 연료 수요증가에 대비한 저렴한 원료 공급루트 확보 노력도 병행
○ 우리나라도 탈탄소 과정에서 화력발전의 질서있는 퇴출과 재생에너지 보급에 따른 계통관성 유지라는 과제에 직면 → 정부가 장기적 관점에서 인내심을 가지고 수소 및 암모니아 혼소율 제고와 혼소발전 확대를 위한 R&D 투자를 시행하되 발전사업자들이 혼소발전을 적극 도입할 수 있는 경제적 인센티브를 동시에 제공할 필요성 존재
- 특히 수소의 혼소율을 높여 2050년경에 수소 전소가 가능한 상황을 만들기 위해서는 정부와 전력공기업의 역할 뿐 아니라 수소터빈 개발 등과 관련된 민간부문의 기술개발과 투자를 유인할 수 있는 법‧제도적 체계 구축 要
- 석탄 등 화석연료보다 연료비가 비싼 수소의 특성을 고려했을 때 수소발전 공급의무 내지는 수소발전 우선 구매 등의 법‧제도적 지원이 이루어진다면 투자에 대한 리스크를 일부 완화하는 효과가 있을 것으로 예상
- 이 경우 민간의 수소발전 사업 및 기술개발 참여가 보다 용이해질 것이며, 중단기적으로는 수소발전의 총량을 정책적 의지를 갖고 확대하는 지원책도 고려 가능
○ 기후변화 대응 및 2050 탄소중립 이행을 시대흐름에 부응한 불가역적(irreversible) 정책목표로 본다면 이를 달성하는 과정에서 발생할 사회적‧경제적 비용을 최소화하는 액션플랜(action plan) 구축이 중요
- 수소와 암모니아, 그리고 SMR로 대표되는 무탄소 신전원의 적극적인 활용은 그에 대한 하나의 대안으로 평가 가능

목차 (Table of Contents)

• 요약
• 제1장 서론
• 제2장 무탄소 신전원의 범위와 화력발전의 활용
• 1. 에너지전환과 화력발전의 역할 재정립
• 2. 무(無)탄소 신(新)전원의 범위
• 제3장 무탄소 신전원의 기술적 특징과 해외 주요국의 활용 사례
• 1. 화력발전의 탈탄소화를 위한 기술: 수소와 암모니아 혼소발전
• 2. 화력발전의 탈탄소화를 위한 기술: CCUS
• 3. 차세대 원전의 활용과 탄소중립: Small Modular Reactor(SMR)
• 제4장 무탄소 신전원의 효과적인 활용을 위한정책방향 검토
• 1. 전력분야 수소 시장의 성장기회
• 2. 일본의 에너지정책 환경 변화: 제6차 에너지기본계획
• 3. 국내 탄소중립 이행을 위한 정책적 시사점
• 제5장 결론
• 참고문헌
• 부 록