탈(脫)화석에너지 사회실현을 위한 재생에너지의 전망

이 원고는 일본《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다. 탈(脫)화석에너지 사회실현을 위한 재생에너지의 전망 (재)전력중앙연구소_야마모토 히로미(山本博巳) 개요 온실가스 배출을 줄이기 위한 선택으로 재생에너지, 원자력발전, 화석연료 CCS(CO2 분리회수·격리), 에너지 절감 등의 방법이 있다. 그 중에서도 재생에너지는 온실가스의 삭감뿐 아니라 지속가능성을 높이기 위해 장기적으로 중요한 옵션이다. 재생에너지는 바이오에너지, 수력, 풍력, 지열, 태양열, 태양광, 그 외로 여러 가지 다양한 재생가능한 에너지로 구성된다. 여기에서는 탈화석에너지 사회를 실현하기 위한 재생에너지의 장기적인 전망에 대해 소개한다. 온실가스 배출 삭감을 위한 선택 온실가스 배출을 줄이기 위해 취할 수 있는 선택에는 다양한 것들이 있다. IPSS AR4 WG3(제4차 보고서 워킹 그룹 3)에 의하면, 화석연료 CCS는 2015년 이후에 채용되는 과도적인 연결 기술로, 그 후 탈(脫)탄소에너지 이용의 진전에 의해 감퇴될 것으로 예상된다. CCS는 향후 수십 년간의 기술레벨에 있어서 중요한 기술이다. 그러나 장기적으로 보면 CCS용 발전소 내 동력 사용에 의해 화석연료 고갈을 앞당김으로써 화석연료 고갈과 함께 CCS는 사라질 것으로 전망된다. 한편 원자력의 경우 고속증식로(FBR)가 보급되면 우라늄의 이용 효율이 상승하여 우라늄 이용가능 연수가 1000년을 넘기 때문에 준(準)지속가능한 에너지로 생각될 수 있다. 따라서 2100년이 넘는 장기간 동안 준지속가능한 에너지의 원자력과 지속가능한 에너지의 재생에너지가 에너지 공급을 담당할 것으로 예상된다. 단, 원자력의 향후 도입량은 경제성 이외의 요인에도 영향을 받기 때문에, 본고에서는 원자력 도입량을 외생적으로 할당한다. 구체적으로 말하면 2020년까지는 원자력발전 계획 값이 실현되고 그 이후에는 도입량이 일정할 것으로 가정한다. 에너지 절감은 저코스트로 온실가스 배출을 많이 줄일 수 있는 선택 방법이다. 그러나 장기적으로 보면 에너지 절감에는 열역학적인 한계가 존재한다. 양질의 지하자원이 고갈됨에 따라, 질적으로 떨어지는 지하자원 및 폐기물 자원을 이용하게 되면서 자원이용에 대한 투입에너지가 증가하는 경우도 있을 것이다. 또 에너지 절감에는 단위 서비스당 에너지 비용 삭감을 통해 단위 서비스 비용을 삭감하기 위해 서비스 수요를 증대시켜, 결과적으로 에너지 소비를 증가시키는 경우도 있을 것으로 예상된다.(‘제본스 패러독스(Jevons Paradox)’라고 불린다. ‘에너지’를 자원으로 치환하는 것도 가능) 각종 재생에너지 재생에너지는 바이오에너지, 화력, 풍력, 지열, 태양열, 태양광 등 여러 가지로 다양하다. 땔나무 등과 같은 전통적인 바이오에너지의 이용은 100만 년 이상의 긴 역사를 가지고 있다. 19세기 후반까지는 전통적인 바이오에너지가 세계 최대 1차 에너지원이었다. 근대적인 바이오에너지의 이용으로는 제2차 세계대전 중 일본에서 항공연료로 송근유(松根油)를 이용한 예를 들 수 있다. 또 1970년대 이후에는 흑액(黑液) 및 일반폐기물 등에 의한 발전·열 공급이 개시되었다. 한편 필자는 연구를 통해 바이오에너지의 궁극 공급가능량(1990년 기준)은 폐기물계 약 84EJ/년, 삼림의 입목(立木)에너지 이용 191EJ/년이라는 것을 밝혀냈다. IPCC AR4 WG3에 의하면, 잉여경지(剩餘耕地)에서의 궁극 공급가능량(미래)은 22EJ/년에서 500EJ/년이라는 폭이 있다고 한다. 수력(수차)은 제분 등의 용도로 2000년이 넘는 긴 이용의 역사를 가지며, 수력발전의 역사도 110년이 넘는다. 세계 수력발전의 이론적인 포장수력 자원량은 126EJ/년(1㎾h = 3600kJ), 경제성을 고려한 실제적인 포장수력 자원량은 34EJ/년이었다.(2003년의 발전량은 9.7EJ/년이었다) 풍력(풍차)은 수력과 마찬가지로 2000년이 넘는 긴 역사를 가지고 있다. 네덜란드 등 유럽에서는 12세기부터 풍차의 이용이 활발히 이뤄졌으며, 풍력발전의 역사도 110년이 넘는다. 풍력발전은 1970년대 오일쇼크 이후에 본격적인 보급이 시작됐다. 세계 풍력발전의 궁극자원량은 1,2000EJ/년(1㎾h = 3600kJ)이 넘을 것으로 예상된다. 그러나 바람상태를 고려한 자원량은 1800EJ/년 정도일 것으로 예측되며, 토지 이용 및 인구밀도 등 풍력발전의 입지제약을 고려한 실제적인 풍력발전의 자원량은 18~180EJ/년 정도다. 유럽풍력에너지협회(EWEA : European Wind Energy Association) 및 그린피스(Greenpeace)는 ‘Wind Force 12’라는 야심적인 풍력 도입목표를 내세웠다. 이 계획은 2020년까지 세계 발전량의 12%를 담당하도록 하는 것이다. 현재 수력이 차지하는 비중은 16%로 전체 발전량 3/4에 해당한다. 태양광에서 직접 동력을 얻은 것은 약 50년 전인 1954년 미국에서 발명된 태양광발전이 최초다. 태양광발전은 주로 일본과 독일에서 보급이 이루어지고 있으며 각각의 설비용량이 1000㎿가 넘는다. 태양광발전의 자원량은 설비장소를 건물의 옥상에 한정하지 않고 미이용지·저이용지까지 확대하면 더욱 많아진다. 국제연맹식료농업기구(FAO)가 정의하는 ‘그 외 토지(삼림, 경지, 목초지 이외의 토지)’의 1/10을 사용하는 것으로도 세계 태양광발전의 공급가능량은 2000EJ/년에 달한다. 그러나 태양광발전은 설비단가가 높고 설비 이용률이 낮기 때문에 발전 비용이 높다는 문제가 있다. IPCC AR4 WG3에서도 태양광발전은 가장 고가(50US$/tCO2)인 지구온난화 완화 선택 중 하나다. 그러나 태양광발전 및 풍력발전은 전력계통의 안정성을 확보하기 위해 도입되는 설비용량이 제약된다는 문제도 있다. 태양광발전의 기술개발과 그 사회적 효과 태양광발전은 발전 설비비용이 높고 전력계통 안전성 확보를 위한 도입 설비용량이 제약된다는 문제가 있다. 필자는 미래 기술개발 등에 의해 태양광발전 단가가 저하됐을 때의 사회적 이익을 세계 에너지 시스템 비용 절감액(사회적 잉여 증가와 동등)으로 계산하는 연구를 실시했다. 분석 툴로는 세계 에너지 시스템 비용을 최소화하는 세계 토지 이용 에너지 모델(GLUE)을 사용했다. 간헐성 발전단가(태양광발전과 풍력발전) 및 탄소비용(탄소배출에 관계되는 비용, 절대값은 탄소배출권 가격과 동등)을 변화시켜 계산한다. 탄소비용이 높으면 재생에너지 등의 CO2가 발생하지 않는 에너지가 유리해진다. 분석 결과, 발전단가가 줄어도 탄소비용 상승해도 더욱이 이 두 가지가 모두 실현된다 해도 간헐성 발전 공급량과 시스템 비용 절감액은 적다는 것을 알 수 있다.(<그림 1>, <그림 2> 참조)

[그림 1] 태양광발전+풍력발전이 세계의 모든 1차 에너지에서 차지하는 비율 [그림 2] 태양광발전+풍력발전에 의한 세계 에너지 시스템 비용의 절감 효과

2050년의 CO2 비용 500US$/t-C, 발전단가 100% 저감(즉, 발전단가는 제로)이라는 가장 극단적인 시나리오에서도 태양광발전 및 풍력발전의 합계 도입량(1㎾h = 3600kJ)은 총 1차 에너지 공급량의 1%를 밑돌 뿐이며, 2010년부터 2050년까지의 누적 시스템 비용 절감액(할인율 5%/년으로 2000년 환산)도 0.22조 US$에 불과했다. 이것은 태양광발전이 자원량은 크지만, 도입량은 계통 안정성의 제약 때문에 제한되기 때문이다. 이에 반해, 배터리 등으로 간헐성 발전의 도입 제약을 완화한 경우에는 발전단가가 절감되고 탄소비용이 상승되면 큰 시스템 비용 절감액을 얻을 수 있었다.(<그림 3>, <그림 4> 참고)

[그림 3] 전 타입 실현의 경우 태양광발전 및 풍력발전의 합계가 세계 1차 에너지 공급량에서 차지하는 비율 [그림 4] 전 타입 실현의 경우 태양광발전 및 풍력발전에 의한 세계 에너지 시스템 비용 절감 효과

그러나 어느 쪽이든 한 쪽이 실현되는 경우 간헐성 발전의 공급량 및 에너지 시스템 비용 절감액에 대한 효과는 그다지 크지 않다. 간헐성 발전을 배터리 등과 조합한 시스템은 에너지 단가가 높은 시스템이 되기 때문에, 큰 도입효과를 얻을 수 있는 것은 발전단가가 삭감되고 탄소비용이 상승하는 경우로 제한된다. 장기적인 재생에너지를 주체로 한 탈화석연료 시나리오 태양광발전의 자원량은 향후 전 세계의 모든 에너지 공급을 담당하고도 남는다. 그래서 태양광발전의 계통 안정성에 대한 대책을 세웠을 경우 에너지를 주체로 한 탈화석연료 시나리오를 가상해 본다. 장기적으로 화석연료의 고갈 때문에 세계 에너지 시스템은 지속가능 에너지(재생에너지+원자력)로 이행해 가고 있다. 본고에서는 원자력 도입량은 외생적으로 할당하고, 재생에너지를 주체로 한 탈화석연료 시나리오를 세워본다. 탈화석연료의 실현 시기는 2060년으로 가정한다. 이 시기는 석탄자원은 충분히 잔존해 있지만, 2030년 경에 어떤 원인으로 인해 인류가 재생에너지로의 이행을 결단하여, 그 30년 후인 2060년에는 화석연료 제로 에너지 시스템을 실현했다고 가정한다. 지속가능한 에너지 시나리오 2060년에서 세계의 지배적 1차 에너지원은 수분해(水分解) 플랜트 직결 태양광발전(428EJ/년)이다. 두, 세 번째로 큰 1차 에너지원은 각각 바이오에너지(316EJ/년), 대용량 저장설비 부착 태양광발전(91EJ/년)이다.(<그림 5> 참조)

[그림 5] 세계 1차 에너지 생산(지속가능 에너지 시나리오)

이 때 전력 공급에서의 지배적인 에너지원은 대용량 저장설비 부착 태양광발전(91EJ/년)이다. BGCC(바이오가스 가스화 복합발전), 수력발전 및 소용량 저장설비 부착 태양광발전의 발전량은 각각 53, 46, 38EJ/년이다. 이처럼 지속가능한 에너지 시나리오 에너지 시스템 비용(2060년, 세계)은 통틀어 30조 US$/년에 달하고 베이스 시나리오(화석연료 소비량 또는 CO2 배출량 제약은 무시) 비용(19조 US$/년)의 1.5배를 상회한다. 분석방법의 개요 이와 같은 평가 모델로는 필자가 개발한 세계 토지 이용 에너지 모델(GLUE3.0)을 이용했다. 이 모델은 상세한 에너지 자원·기술 데이터와 토지 이용·바이오매스 자원평가를 포함한 에너지 공급 시스템 비용 최소화형 모델이다. 세계를 11지역으로 분할하여 계산하지만, 본 연구에서는 세계 총합의 결과만 표시한다. 2010년부터 2060년까지를 10년 간격으로 계산하고, 2010년부터 2060년의 누적 세계 에너지 시스템 비용을 계산했다. 이 때 할인율 5%로 2000년 환산 비용을 계산했다. 계산 방법은 선형계획법에 의한 다시점(多時点) 최적화다. 에너지 수요의 가격탄성치는 무한대를 가정했다. 에너지 가격 급등에 의한 에너지 절감 및 에너지 가격 저하에 의한 에너지 수요 증가는 고려하지 않았다. 에너지 수요는 IPCC SRES-B2의 것을 외생적으로 할당하고, 원자력발전량은 외생적으로 할당한다. 전력수요는 수요곡선을 피크, 미들, 베이스 3단계로 분할하여 각 단계의 전력수요량(㎾h)을 만족시키는 동시에 전력수요 피크 부하(㎾)를 만족시키는 에너지 공급 시스템을 구했다. 또 본 연구에서는 간헐성 발전(태양광발전 및 풍력발전)의 도입 제약을 완화하는 시스템을 4가지 타입으로 상정했다. ● 타입 1 : 전력저장 설비 등과 접속하지 않는 재래형 설비 ● 타입 2 : 소용량 발전저장과 접속하여 전력공급. 단기 출력 변동에 의한 계통 안정성과 도입량 제약을 완화한다. ● 타입 3 : 대용량 발전저장과 접속하여 전력공급. 전력수요에 응하여 발전 가능. 계통 안정성의 문제없다. ● 타입 4 : 수(水)전기분해 플랜트와 접속하여 수소를 생산. 전력계통과는 접속하지 않는다. 타입 1에서는 계통 안정성 확보를 위한 설비용량 제약이 존재한다. 본 연구에서는 일본 홋카이도(北海道) 전력의 자료를 검토·참고하여 간헐성 발전의 도입량을 각 시간대(피크, 미들, 베이스)의 전력수요 10%로 가정했다. 타입 2 도입 용량(㎾)의 상한(上限)을 양수발전의 효과를 조정한 각 시간대(피크, 미들, 베이스)의 전력수요에서 베이스 전원(원자력발전, 고체연료발전)의 용량을 끌어낸 수치로 가정했다. 또한 간헐성 발전 때문에 타입 2의 실제 발전출력(㎾)은 발전용량(㎾)을 밑돌았다. 타입 2의 도입용량(㎾)과 타입 2의 실제 발전출력(㎾) 차이는 조정가능 전원(기체연료발전, 액체연료발전)에 의한 것으로 가정했다. 타입 3은 대용량의 전력저장 설비를 충분히 부가하기 위해 계통 안정성에 제약을 주지 않는다고 가정했다. 타입 3은 대규모의 저수용량을 가진 저유식(貯留式) 수력과 같이, 유연한 출력조정이 가능한 것으로 예상됐다. 타입 4는 전력계통과 접속하지 않기 때문에 계통 안정성의 제약을 받지 않는다. 단, 타입 4의 수전기분해 플랜트의 설비 이용률은 전력계통과 접속하지 않기 때문에 간헐성 재생에너지 발전 플랜트의 설비 이용률에 제약된다. 이런 계통 안정화 시스템을 포함한 에너지 시스템의 개요도를 <그림 6>으로 나타냈다.

[그림 6] 간헐성 발전의 계통 안정화를 포함한 에너지 시스템 개요

마무리 태양광발전의 자원량은 미래의 세계 전 에너지의 공급을 담당하고도 여유가 있다. 하지만 발전 설비단가가 높은 데다 계통 안정성 확보를 위해 도입량이 제한되기도 한다. 계통 안정성 확보를 위해 아무리 발전 설비단가를 절감해도 도입량 및 도입에 의한 시스템 비용 저감효과는 제한된다. 태양광발전에 배터리 등을 조합하여 계통 안정성 문제를 극복하면 도입량 제약의 문제는 극복된다. 그러나 태양광발전에 배터리 등을 조합한 시스템의 도입량이 크므로, 시스템 비용 저감 효과를 높이는 것은 태양광발전 가격이 저하되고 탄소비용이 높은 경우로만 제한된다. 그 외 경우는 도입량과 그 효과가 제한된다. 미래 태양광 셀 가격과 탄소비용을 확인하여 계통 안정화 관련의 기술개발을 진행해 갈 필요가 있다. 재생에너지를 주체로 하는 탈화석연료 시나리오를 구축하는 극단적인 경우를 가상했을 때 태양광발전에 배터리 등을 조합한 시스템의 실현을 계기로 도입량이 커진다. 그러나 재생에너지를 주체로 한 탈화석연료 시나리오는 화석연료 주체의 시스템보다도 1.5배 이상 비싸진다.