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최적 수소공급 믹스 분석을 위한 상향식 에너지시스템 모형 구축 연구
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최적 수소공급 믹스 분석을 위한 상향식 에너지시스템 모형 구축 연구
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  • 1. 연구의 필요성 및 목적
    ■ 연구의 필요성
    ○ 2035 국가 온실가스 감축목표와 2050 탄소중립 달성을 위해 발전, 산업, 수송 등 다양한 부문에서 수소 활용 확대가 요구되고 있음
    - 이에 정부는 제1차 수소경제 이행 기본계획, 수소기술 미래전략, 청정수소 인증제 등을 통해 수소경제 이행을 위한 정책적·제도적 기반을 마련하고 있음
    ○ 그러나 국내 수소 공급망 구축에는 기술 확보, 에너지공급 등 다양한 불확실성이 존재함
    - 국내 수전해 기술과 수소 저장·수송 기술은 선도국 대비 기술 수준이 낮아, 수소를 저렴하게 생산·저장·수송하는 데 한계가 있을 수 있음
    - 블루수소는 그린수소 대비 단기적으로 비용경쟁력을 가질 수 있으나, 천연가스 가격의 변동성에 영향을 받음
    - 해외 수입수소는 비용 측면에서 수소공급에 유리할 수 있으나, 국제가격 변동성, 안정적인 수입량 확보 가능성 등 국내에서 통제하기 어려운 요인에 노출될 수 있음
    ○ 기존 국내 연구는 주로 균등화 수소원가를 활용하여 수소공급 방식별 경제성을 비교해 왔으나, 수소 부문 전체 시스템 관점에서 수소공급 믹스와 경제성 변화를 분석하는 데에는 한계가 있음
    - 균등화 수소원가는 개별 수소 생산 설비의 단위 생산비용을 평가하는 데 유용하지만, 특정 수소공급 방식의 경제성 변화가 다른 공급 방식의 대체와 전체 공급비용에 미치는 영향을 분석하기 어려움
    - 따라서 개별 기술의 경제성뿐만 아니라, 수소공급 방식 간 대체, 수소공급 믹스 변화, 경제성 변화를 함께 고려할 수 있는 모형 기반 분석이 필요함

    ■ 연구의 목적
    ○ 본 연구는 수소 부문 에너지시스템 모형을 구축하고 다양한 시나리오 분석을 수행하는 것을 목적으로 함
    - 국내외 자료를 활용하여 모형 구축에 필요한 수소 생산·저장·수송 기술의 특성치, 에너지 가격, 기타 비용, 수소 수요 등 주요 투입 자료를 체계적으로 정리함
    - 수소공급 믹스와 비용을 분석할 수 있는 에너지시스템 모형을 구축함
    - 구축된 모형을 활용하여 시나리오 분석 및 불확실성 분석을 수행함

    2. 연구 내용 및 주요 분석 결과
    ■ 수소 부문 경제성 분석 및 모형 기반 연구 동향
    ○ 국내외 선행연구는 수소공급 방식별 경제성, 수소 부문과 타 부문 간 연계, 거시경제적 효과 등을 분석해 왔으나, 국내 수소공급 기술의 특성치와 에너지 가격을 반영하여 장기 수소공급 믹스의 변화를 분석한 연구는 부재함
    - 국내 균등화 수소원가 기반 연구는 국내 생산 수소와 해외 수입수소의 주요 비용 요인을 파악하는 데 기여하였으나, 수소 시스템 차원의 비용 변화 분석에는 한계가 있음
    - 해외 연구는 에너지시스템 모형을 이용하여 수소공급 믹스의 변화, 수소 생산·수입 경로 등을 분석하거나 수소 보급 확대의 거시경제적 파급효과를 분석하고 있음

    ■ 수소공급 시나리오 분석
    ○ 기준 시나리오에서는 수소공급 믹스가 기술특성치와 비용 정보에 따라 상·하한 범위 내에서 내생적으로 결정되도록 함
    - 기준 시나리오의 2050년 전체 평균 수소공급 비용은 4,888원/kg-H2로, 정책 목표 시나리오의 5,518원/kg-H2보다 11.4% 낮게 나타남
    - 이는 기준 시나리오에서 2050년 블루수소와 국내 생산 그린수소의 비중은 정책 목표 시나리오보다 낮아지는 반면, 해외 수입수소의 비중은 증가하기 때문임
    ○ 해외 수입 의존도 변화 시나리오에서는 2050년 해외 수입수소 비중을 기준 시나리오의 56%에서 50%, 40%, 30%, 20%, 10%로 단계적으로 낮추어 분석함
    - 해외 수입수소 비중이 감소할 경우 2030년대와 2040년대에는 블루수소가 해외 수입수소를 대체하면서 전체 평균 공급비용 상승을 완화하는 역할을 함
    - 그러나 2050년에는 수전해기 효율 개선과 재생전력 가격 하락으로 국내 생산 그린수소와 해외 생산 그린수소의 비용경쟁력이 개선되어 블루수소를 대체하는 것으로 나타남
    - 2050년 전체 평균 공급비용은 기준 시나리오에서 4,888원/kg-H2이나, 해외 수입수소 비중이 10%로 낮아지는 경우 5,837원/kg-H2까지 증가함
    - 해외 수입수소 비중이 50%에서 10%p씩 감소할 때마다 전체 평균 공급비용은 145~213원/kg-H2 증가하며, 이를 2050년 국내 수소 공급량 기준 총 비용으로 환산하면 약 4.1~5.9조 원 증가하는 것으로 분석됨
    ○ 핑크수소 도입 시나리오에서는 2050년 핑크수소 비중이 기준 시나리오의 0%에서 10%p씩 증가하여 최대 50%까지 확대되는 경우를 분석함
    - 핑크수소는 블루수소와 국내 생산 그린수소보다는 주로 해외 생산 그린수소와 해외 수입수소를 대체하는 것으로 나타남
    - 핑크수소 비중 50% 시나리오에서 2050년 핑크수소의 평균 공급비용은 4,482원/kg-H2로 해외 수입수소보다 높지만, 해외 생산 그린수소보다 낮게 나타남
    - 핑크수소 도입으로 전체 평균 공급비용은 기준 시나리오 대비 131원/kg-H2 증가하나, 해외 조달 수소 의존도는 낮아지는 것으로 분석됨

    ■ 수소공급 비용의 불확실성 분석
    ○ 본 연구는 천연가스 가격, 국내 재생전력 가격, 해외 재생전력 가격, 수소 수입가격의 불확실성이 수소공급 방식별 평균 공급비용과 전체 평균 공급비용에 미치는 영향을 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석함
    - 각 수소공급 방식별로 평균 공급비용에 가장 큰 영향을 미치는 파라미터를 선정하고, 외부 자료를 바탕으로 확률분포를 설정함
    - 설정된 확률분포에서 난수를 추출하여 에너지시스템 모형을 반복적으로 구동하고, 그 결과로 평균 공급비용의 분포를 도출함
    ○ 수소공급 방식별 평균 공급비용의 불확실성 분석 결과, 불확실성의 수준은 공급 방식별로 상이하게 나타남
    - 블루수소는 천연가스 가격 변동성으로 인해 2050년 평균 공급비용의 평균은 7,344원/kg-H2, 90% 예측구간은 6,106~8,611원/kg-H2로 분석됨
    - 국내 생산 그린수소는 국내 재생전력 가격 변동성의 영향을 받아, 2050년 평균 공급비용의 평균은 9,313원/kg-H2, 90% 예측구간은 8,596~10,018원/kg-H2로 나타남
    - 해외 생산 그린수소는 해외 재생전력 가격을 주요 불확실성으로 가지며, 2050년 평균 공급비용의 평균은 4,936원/kg-H2, 90% 예측구간은 4,697~5,190원/kg-H2로 추정됨
    - 해외 수입수소의 평균 공급비용에는 수입가격의 변동성이 가장 큰 영향을 미치며, 평균값은 4,284원/kg-H2, 90% 예측구간은 3,942~4,617원/kg-H2로 분석됨
    ○ 불확실성 분석 결과, 주요 파라미터가 변동하더라도 수소공급 방식 간 비용경쟁력의 상대적 우위는 대체로 유지되는 것으로 나타남
    - 블루수소, 국내 생산 그린수소, 해외 생산 그린수소, 해외 수입수소의 평균 공급비용 분포는 일부 구간에서 중첩되지만, 비용경쟁력 순위가 역전되는 경우는 제한적임

    3. 결론 및 정책 시사점
    ■ 결론
    ○ 본 연구는 수소 부문 에너지시스템 모형을 구축하여 장기 수소공급 믹스, 평균 수소공급 비용, 불확실성 영향을 정량적으로 분석함
    - 구축된 모형은 수소공급 기술의 특성치와 에너지 가격 등을 반영하여 수소공급 믹스를 내생적으로 결정할 수 있음
    - 모형에서 도출한 평균 공급비용은 자본비용, 운영·유지비용, 에너지비용 등 세부 항목으로 분해하여 수소공급 비용 절감에 중요한 비용 항목을 식별할 수 있음

    ■ 정책 시사점
    ○ 향후 수소공급 계획에서는 공급 방식별 목표 비중뿐만 아니라, 각 공급 방식의 평균 공급비용과 에너지수요를 함께 제시할 필요가 있음
    - 수소공급 방식별 목표 비중만으로는 공급에 필요한 에너지수요를 파악할 수 없기 때문에 천연가스 수요, 재생전력 수요, 원전전력 수요를 함께 제시할 필요가 있음
    ○ 블루수소 설비 증설 계획은 중장기적 수소공급 믹스 변화와 설비 이용률 전망을 함께 반영할 필요가 있음
    - 블루수소는 단기·중기적으로 평균 공급비용 상승을 완화하는 역할을 수행할 수 있으나, 장기적으로 그린수소의 비용경쟁력이 개선될 수 있기 때문에 장기 설비 이용률을 함께 확인할 필요가 있음
    ○ 핑크수소는 국내 청정수소의 경제적 생산과 해외 조달 수소에 대한 의존도 완화를 달성할 수 있는 수단으로 검토될 수 있음
    - 다만, 핑크수소 비중 확대로 원전전력 수요가 증가하기 때문에 전력수급기본계획과의 정합성을 함께 살펴볼 필요가 있음
    ○ 국내 생산 그린수소 확대 계획에서는 수전해기 기술개발 목표뿐만 아니라, 재생전력 조달비용, ESS 비용, 수전해기 이용률 전망을 함께 다룰 필요가 있음
    - 이는 국내 생산 그린수소의 공급비용에서 재생전력 비용이 가장 큰 비중을 차지하고, ESS를 이용해 수전해기 이용률을 높이는 경우 ESS 비용이 그린수소의 에너지비용에 직접적인 영향을 미치기 때문임
    ○ 장기 수소공급 계획은 주요 불확실성 요인에 대응할 수 있는 상황별 대안 믹스를 제시할 필요가 있음
    - 이러한 접근은 장기 수소공급 계획이 불확실한 상황에 보다 유연하게 대응하는 데 기여할 수 있음

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