Technological advancement and implication for optimal carbon mitigation portfolio in Korea power sector : A scenario analysis using a bottom-up energy system model

조철흥 세종대학교 대학원 2013 국내박사

기술은 에너지-환경-경제 시스템의 상호작용을 규정하는 중요한 요소의 하나로 널리 인식된다. 대부분의 환경적 오염 문제들은 인간의 필요를 충족하기 위한 경제적 활동의 과정에서 현존하는 기술들의 사용에 따르는 부산물인 반면, 새로운 기술들은 같은 필요를 충족하기 위한 경제활동에 대안적인 수단을 제공함으로써 환경적 문제들을 해결할 수 있는 해법을 제시하기도 한다. 기후변화와 같이 장기적인 환경문제의 해법을 모색해야 하는 경우에 기술진보의 중요성은 더욱 두드러진다. 미래의 기술진보는 비용 경쟁력을 갖춘 기술적 대안의 부족에서 야기되는 경제활동과 환경적 목표의 달성 사이의 단기적 갈등을 완화하는데 중요한 역할을 할 수 있기 때문이다. 기술진보의 역할에 대한 이와 같은 긍정적 관점은 기후변화에 대한 궁극적이고 장기적인 해법은 기술변화에 의해 이루어질 것이라는 공감대를 널리 형성하게 한다. 본 논문의 가장 우선적인 목적은 기술진보가 탄소감축과 그에 따르는 저탄소 에너지 시스템으로의 전환을 달성하는데 어떠한 역할을 하는 지를 한국의 발전부문에 적용을 통해 탐구해 보는 것이다. 다양한 저탄소 기술 옵션들의 기술진보 잠재성에 대한 종합적인 평가, 그러한 기술진보가 탄소감축기술과 수단의 최적의 조합과 탄소감축 비용에 미치는 역할 등에 대한 평가는 저탄소 에너지 시스템으로의 전환을 위한 정책방향 설정에 중요한 시사점을 제공해줄 것이다. 또한 본 연구의 결과는 기후 친화적인 기술의 연구개발 자원의 효과적인 분배, 기술의 확산 및 보급을 위한 공공정책 (에너지 및 기술정책, 기술개발 로드맵 등)을 수립하고 디자인하는 데 활용될 수 있을 것이다. 2010년 현재 세계 7번째 온실가스 다배출 국가인 한국에서 발전부문은 최종에너지의 20% (475 TWh)를 공급하고, 연료연소에 의한 국가 총 배출량의 41% (235 MtCO2e)를 차지하는, 에너지 공급과 온실가스 배출 양 측면에서 모두 중요한 역할을 하는 에너지 부문이다. 사회전반의 급격한 전기화로 전력소비가 지속적으로 증가할 것으로 예상되는 상황에서 발전부문은 향후 예상되는 국내외적인 탄소감축 요구에 가장 크게 영향을 받는 부문이 될 것이다. 본 연구는 MESSAGE(Model for Energy Supply System Alternatives and their General Environmental impacts) 모형을 분석의 틀로 사용하여 한국의 전력부문을 모형화하였다. MESSAGE모형은 풍부한 기술적 묘사가 가능한 상향식, 에너지 시스템 최적화 모형으로 중장기 에너지 계획 수립, 에너지 정책 분석, 에너지와 환경문제의 상호작용을 분석하는 각종 시나리오 개발 등에 활용되고 있다. 모형은 주어진 환경적 목표를 최소 비용으로 달성할 수 있는 에너지 공급기술의 포트폴리오를 제시하고, 각 기술 별 보급 및 환경문제에 대한 대응 전략을 시계열적으로 제공해 준다. 한국의 전력부문 MESSAGE 모형은 전력설비의 오랜 내구연한과 자본 집약성에서 기인하는 전력 공급시스템의 단기 경직성을 고려하기 위해 현존 전력 설비의 연식 구조와 단기 설비 확장 계획 등을 반영하여 구축되었다. 최적화라는 모형의 특징과 실증 데이터에 근거한 모형의 교정(calibration)은 좀더 현실적인 시나리오의 결과들을 제공할 것이고, 이는 장기적 환경 목표 달성을 위한 비용효과적인 저탄소 에너지 시스템의 전환과 그 과정에서 기술진보의 역할을 모색해 보고자 하는 본 연구의 목적에 부합하는 중요한 특징이다 본 연구에서 기술진보를 반영하는 방법은 저탄소 기술의 비용과 성능의 미래변화에 대한 다양한 전망을 시나리오를 통해 반영하는 것이다. 본 연구에서 반영된 저탄소 기술은 이미 기술개발의 실증단계를 넘어섰고, 국제 시장에서 이미 상업적으로 사용되고 있으며, 한국정부의 장기(~25년) 전력계획에 이미 포함되어 있는 기술들만을 포함하였다. 기술의 비용과 성능에 대한 전망은 장기 온실가스 배출 및 감축시나리오를 연구하는 국외의 문헌들의 전망을 한국의 실증 데이터에 기반하여 보정하였다. 미래의 기술진보와 탄소감축의 정책적 목표에 대한 불확실성을 반영하기 위해 다양한 탄소감축 경로와 기술진보(속도와 정도)의 조합을 대안적 시나리오를 통해 반영하였다. 시나리오 분석 결과 다음과 같은 몇 가지 중요한 시사점이 도출되었다. 첫째, 기술의 진보를 통해 탄소 감축비용을 30%에서 100%까지 줄일 수 있다는 점이다. 탄소감축의 정도와 기술진보의 수준에 따라 차이가 있지만, 이는 기술진보의 수준이 현재 상태에서 답보한다는 시나리오 대비, 향후 40년의 기간 동안 연간 평균 최소 4조원에서 최대 8조원에 해당하는 액수이다. 이와 같은 기술진보의 경제적 편익 또는 경제적 가치에 대한 분석은 향후 기술 개발과 보급 정책의 비용편익 분석에 기준으로 활용될 수 있을 것이다. 둘째, 시스템 전반의 비용효과성의 관점에서 보면 기술의 진보 자체만으로 탄소배출이 없는 간헐적인 재생에너지(태양광 및 해양풍력 등)의 확산을 보장할 수 없다는 점이다. 즉 엄격한 수준의 탄소감축 목표와 상당한 수준의 기술진보의 조합 하에서만 간헐적 재생에너지의 비용 경쟁력이 확 Technology is widely considered to be one of the decisive factors governing the interaction between energy, environmental and economic systems. While most pollution problems are byproducts of using existing technology within economic activities to meet human needs, new technology may also provide alternative means to meet the same human needs with less harm to the environment. When searching for solutions to a long term environmental problem such as climate change, the significance of technological innovation is quite prominent since future technological progress may play an important role in ameliorating what in the short run appears to be a serious conflict between economic activity and environmental goals, due to the lack of cost-competitive technology alternatives. The positive prospect for future technology development brings many to believe the long-term and ultimate solution to climate change will be realized through technological change. The overarching goal of this thesis is to investigate the role of technological advancement in managing carbon mitigation and achieving the transition to a low carbon electricity supply system in Korea. Given diverse low carbon technology options, a comprehensive assessment of technological advancement potential, its implication for the development of a cost-effective carbon mitigation technology portfolio, and its role in managing mitigation cost would provide guidance in setting the policy direction to low carbon system transformation. It would also help design energy and technology policies directed toward climate-friendly technology development or deployment such as defining priorities for research, and development (R&D) funding and public support for technology deployment and diffusion. Korea — ranked the 7th largest GHG-emitting country in the world in 2010 with 570 million tonnes of CO2 equivalent (MtCO2e) from fuel combustion—, the power sector is one of the biggest players both as an energy supplier and GHG emissions source. Korean electricity sector generates about 475TWh of electricity which accounts for 19.3% of total final energy consumption in 2010; this reflects a rapidly growing industry when looking at the 4% share in 1970. This sector is one of largest GHG sources which emit about 238 MtCO2e in 2010 accounting for 41% of GHG emissions from fuel combustion. Given that many research institutes and government agencies project the continuous rising of electricity consumption in the future, the electricity sector will be the most important sector under any carbon reduction policy. The thesis developed a Korean power sector model in the MESSAGE (Model for Energy Supply System Alternatives and their General Environmental impacts) modeling framework. MESSAGE is a bottom-up, technology-rich systems engineering optimization model for medium- to long-term energy system planning, energy policy analysis, and scenario development and analysis related with energy and environmental issue. The model provides technology-specific response strategies for achieving a given policy goal by solving for the least-cost portfolio of supply technologies and their deployment over time. The MESSAGE of Korean power sector was developed in a way to fully account the vintage structure of energy capital and near-term capacity expansion plan to reflect a short-term rigidity of long-lived, capital-intensive electricity supply system. The optimization feature of the model and reality-based model calibration would provide more realistic scenario results when assessing the role of technological advancement in the electricity sector transitioning to a low carbon one from the system wide, inter-temporal cost optimization perspective. The way of representing technological advances in the study is a various set of cost reduction and performance improvement of low carbon technologies. The portfolio of low carbon technology under consideration in this study include those technologies which already passed beyond the demonstration project, are commercially available in the global market, and are considered in the Korean government’s 25-year horizon plan for electricity supply and demand. The prospect for the rate of cost decrease and performance improvement is adapted from various global carbon emission and mitigation scenario analyses in the literature. To incorporate the uncertainty surrounding future technological advancement and the stringency of carbon mitigation target, various combinations of carbon mitigation pathways and the rate of technological advancement was considered as alternative scenario assumptions. The analysis demonstrates several important points. First, the analysis identifies that carbon mitigation costs can be reduced by 30% to 100% through technology advancements. The range, dependent on the stringency of carbon mitigation and the extent of technology advancement, is equivalent to annual cost savings of 4 to 8 trillion KRW over the next 40 years compared with when the status of technology advance is frozen at present level. This estimate can serve as a reference for economic benefit of technological advances against which economic cost of policy is balanced when technology development or deployment policy is designed. Second, cost-competitiveness of zero-emitting variable renewable (varRE) technologies is not ensured by technology advancement alone, but by the combination with aggressive decarbonization policy goals. Although the economy of individual varRE technology can reach as low as so-called grid parity level, a complementary backup system which is required to ensure reliable operation of the overall power system, imposes an additional implicit cost on these technologies. Although the economy of individual varRE technology can reach as low as so-called grid parity level, a complementary backup system which is required to ensure reliable operation of the overall power system, imposes an additional implicit cost on these technologi