미래 전력시스템에서의 원자력수소 통합의 경제적 및 환경적 영향 분석

국문 초록 (Abstract)

1. 연구의 필요성 및 목적
 연구의 필요성
○ 탈탄소화 추세에 따른 재생에너지 확대로 전력 시스템의 간헐성과 변동성 증
가에 따른 유연성 자원 확보의 필요성
○ 원자력수소 시스템의 전력망 통합이 가져올 경제적, 환경적 영향에 대한 체계
적 분석의 필요성
○ 2050년 탄소중립 달성을 위한 원자력수소의 역할 정립의 필요성
 연구의 목적
○ 2038년 한국 전력 시스템에서 원자력수소 통합의 경제적, 환경적 영향 분석
○ PyPSA 모델링을 통한 원자력수소의 전력 시스템 유연성 기여도 평가
○ 원자력수소와 BESS 등 타 유연성 자원과의 상호보완성 검토

2. 연구내용 및 주요 분석 결과
 전력수요 및 재생에너지 발전 패턴 분석
○ 2014~2023년 10년간의 전력수요 및 재생에너지 발전 패턴을 활용한 2038년
전력수요 예측
○ 11차 전력수급기본계획(2038년 설비계획)을 반영한 전력시스템 모델을 구축
하고, 재생에너지 확대와 유연성 자원(원자력수소·BESS·양수발전)의 상호작용
을 중심으로 시뮬레이션 진행
 시나리오 분석 결과
○ 원자력수소 2GW 도입 시 BESS 필요용량 2~3GW 감소 효과 확인
○ 원자력수소 수전해 설비의 높은 이용률 유지 가능성 확인
○ 연도별 전력수요 및 재생에너지 패턴에 따른 유연성 자원 필요량 변동성 파악
○ 전력계통에 직접 연계된 원자력수소는 화석발전 증가를 유발할 수 있지만, 해
외수소 수입을 대체하고 산업부문에서 온실가스 감축 여지 존재
○ 독립형 전원을 통해 수소를 생산할 경우, 전력부문 화석발전 증가를 줄일 수
있으나, 전기요금·사회적 수용성·기회비용 등 고려 필요
3. 결론 및 정책 시사점
 결론
○ 원자력수소는 24시간 이상의 장주기 저장이 가능해 재생에너지 잉여전력 활용
과 전력계통 안정성 제고에 기여
○ BESS 등 기존 저장설비와 달리 장주기 자원으로서 차별화된 유연성을 제공하
지만, 계통 운영에 따라 화석발전 증가를 초래할 위험 존재
○ 재생에너지 출력제한 수준에 따른 에너지저장장치 필요량의 민감도 확인
○ 독립형 원자력 전원을 수소생산에 활용하면, 전력계통의 화석발전 증가 문제를
줄이면서 청정수소를 확보할 수 있으나, 계통 및 소비자 관점에서 저렴한 전원
을 수소용으로만 사용하는 데 대한 사회적 합의 필요
 정책 시사점
○ 원자력수소, BESS, 양수발전 등 유연성 자원의 포트폴리오를 최적화해 재생에
너지 변동성에 대응하고 계통 안정성 제고 필요
○ 재생에너지 출력제한 수준에 따라 필요한 저장설비 규모가 달라지므로, 비용·
편익 분석을 통해 최적의 출력제한 정책 설계
○ 원자력수소의 경제성 확보를 위해 설비이용률을 높이고, 철강 등 수소 수요처
를 확보하며, 배출권 거래제·탄소국경세 등의 제도적 신호를 적극 활용
○ 기술발전 추이를 수시로 모니터링하고, 배터리 비용·전해조 효율·SMR 상용화
시점 등에 맞춰 정책과 지원 방안을 유연하게 조정
○ 독립형 원전으로 수소를 생산할 때에는 전기요금, 기회비용, 사회적 수용성 등
을 종합적으로 고려해야 하며, 충분한 무탄소 전원이 확보된 상태에서 수소가
반드시 필요한 산업에 우선 활용

목차 (Table of Contents)

• 요약 ⅶ
• 제1장 서론 1
• 제2장 관련 문헌 검토 3
• 1. 원자력 기반 수소 생산 기술 3
• 1.1. 주요 생산 기술 4
• 1.2. 전기분해 기술의 지배적 보급 5
• 2. 국내외 정책 동향 6
• 2.1. 국내 6
• 2.2. 국외 7
• 3. 원자력수소의 유연성 효과에 관한 문헌 검토 10
• 제3장 연구 방법론 13
• 1. 분석 절차 13
• 2. PyPSA 활용 현황 14
• 3. 시간대별 전력수요 패턴 예측 방법 15
• 3.1. 데이터 준비 및 부하 지속 곡선 생성 16
• 3.2. 최대값과 최소값 조정 16
• 3.3. 비선형 변환 함수 정의 및 적용 17
• 3.4. 최적의 지수 α 값 도출 18
• 3.5. 조정된 부하 지속 곡선 도출 및 결과 분석 19
• 3.6. 소결 20
• 4. PyPSA 모델 수식 개요 20
• 4.1. 목적함수(objected function) 20
• 4.2. 발전기 운전계획 제약 조건(Unit commitment constraints) 21
• 4.3. 램핑 제약 조건(Ramping constraints) 23
• 4.4. 저장 장치 제약 조건 (Storage Unit Constraints) 24
• 4.5. 링크 제약 조건(link constraints) 25
• 4.6. 기타 제약 조건(other constraints) 25
• 제4장 분석 전제와 결과 27
• 1. 분석전제 27
• 1.1. 11차 전력수급기본계획 27
• 1.2. 시뮬레이션 분석 전제 29
• 1.3. 경제성 분석 전제 33
• 1.4. 환경성 분석 전제 40
• 2. 분석결과 42
• 2.1. 2038년 전력수요 및 재생에너지 출력 패턴 42
• 2.2. 시나리오별 봄철 기준 BESS 필요 용량 추정 46
• 2.3. 시나리오별 원자력수소 수전해 입력 전력(MW) 추이 49
• 2.4. 시나리오별 경제성 검토 53
• 2.5. 시나리오별 환경성 검토 56
• 2.6. 경제성 및 환경성 검토 시사점 58
• 제5장 결론 및 정책 시사점 61
• 1. 요약 및 결론 61
• 1.1. 전력계통 유연성 측면에서의 원자력수소의 역할 61
• 1.2. 재생에너지 출력제한과 저장장치 규모의 관계 62
• 1.3. 전력수요 및 재생에너지 발전 패턴의 영향 62
• 1.4. 원자력수소의 경제성과 환경성 63
• 2. 정책 시사점 63
• 2.1. 유연성 자원의 최적 포트폴리오 구성 63
• 2.2. 재생에너지 출력제한 정책방향 설정 64
• 2.3. 원자력수소의 경제성 확보를 위한 제도적 지원 64
• 2.4. 기술발전을 고려한 유연한 정책 프레임워크 구축 65
• 2.5. 전력·산업·수소 시장의 통합적 접근 65
• 2.6. 독립형 전원을 통한 수소생산 고려 65
• 2.7. 안전성·사회적 수용성 확보 66
• 참고문헌 69
• 부록 77