저탄소 발전에 있어서 메탄 누설과 암모니아 혼소의 영향과 무탄소 발전을 위한 에너지 저장 장치 설비 규모 연구

Abstract

2015년 12월 United Nations Climate Change Conference(COP21)에서 채택된 파리협정의 목표는 모든 국가가 지구의 기온 상승을 산업화 이전 수준 대비 2℃ 미만으로 유지하고 산업화 이전 수준보다 1.5℃ 이상 기온 상승을 제한하도록 노력을 추구하는 것이다. 우리나라는 이에 일조하기 위해 2050년 탄소중립을 최종 목표로 설정하고 2030 NDC 목표와 여러 에너지 기본 계획을 발표하였다. 특히 ‘전력수급기본계획’과 ‘2030 NDC 상향안’에는 온실가스 배출량 목표와 목표 달성을 위한 전원 구성 및 발전원별 비중이 명시되어 있고 이를 통해 정부가 의도하는 온실가스 감축정책을 알 수 있다. 우리나라는 석탄에서 LNG로의 연료 전환과 신재생에너지 확대를 통해 온실가스를 줄이고자 한다. 본 논문에서는 정책 자료들을 참고하여 우리나라 온실가스 감축정책을 혼합정수계획법을 이용해 과학적으로 분석하였다. 정책 시나리오를 구성하고 각 사니리오별로 2030년 온실가스 배출량 달성 여부와 감축비용을 평가함으로써 우리나라 전력부문의 온실가스 감축 잠재력과 그에 상응하는 경제적 부담을 제시하였다. 또한 보다 정확한 평가를 위하여 LNG 설비에서 누설되는 메탄의 기후 영향과 화력 발전소에서 배출되는 오염물질에 의한 건강 피해를 고려하였을 때 정책 시나리오별로 온실가스 배출량과 감축비용은 어떻게 변하는지 확인해보았고, 이러한 상황에서 목표 배출량을 달성하기 위한 정책 방향성을 제시하였다. 신재생에너지와 더불어 암모니아와 수소로 대표되는 무탄소 가스터빈은 2050년 핵심 발전원으로 전망되고 있다. 현재 암모니아 혼소와 수소 혼소 기술은 2050년 전소, 즉 무탄소 가스터빈 실현을 목표로 연구 및 개발되고 있다. 이러한 추세에서 ‘2030 NDC 상향안’과 ‘제10차 전력수급기본계획 실무안’에는 혼소 기술의 발전 비중이 책정되어 있다. LNG 가격이 폭등하고 있는 상황에서 석탄-LNG 연료 전환은 원활하게 진행되지 않을 경우 혼소 기술이나 신재생에너지의 역할이 더 중요해질 수 있다. 본 논문에서는 LNG 가격 변동을 고려하여 LNG 가격에 따른 암모니아 혼소의 온실가스 감축 잠재력과 감축비용에 대한 영향을 분석하였다. ‘2050 탄소중립 시나리오’에는 2050년 탄소중립을 이행하는 데 있어 핵심적인 에너지원들과 발전원별 발전량 전망이 제시되어 있다. 원자력이 기저 발전원으로서 역할을 지속하고, 수소는 대부분을 해외 수입으로 충당하는 것으로 계획되어 있다. 원자력은 사고 시 국가적으로 막대한 피해가 발생한다는 명확한 단점이 있는 에너지원이기 때문에 지속가능하다고 보기 어렵다. 수소는 2050년 핵심적인 에너지원으로 전망되는데, 해외 수입에 의존하게 되면 현재 LNG와 같이 외부 요인에 의해 가격 변동이 심해지면 수급에 차질이 발생할 수 있다. 이러한 탄소중립은 에너지 안보 측면에서는 완전하지 않다고 볼 수 있다. 본 논문에서는 원자력과 해외 수입 수소를 제외한 100% Renewable 전력 시스템을 가정하여 안전하고 지속가능한 탄소중립을 달성하기 위한 설비 규모를 산정하였다. 태양광과 풍력은 기상에 의해 운영이 결정되므로 다양한 기상 조건에 대해 분석을 진행하였으며 최종적으로 국내 수소 수요를 수전해를 통해 자급할 수 있는 전원 구성을 제시하였다. | The goal of the Paris Agreement, adopted at the United Nations Climate Change Conference (COP21) in December 2015, is to hold the increase in the global average temperature to well below 2℃ above pre-industrial levels and to pursue efforts to limit the temperature increase to 1.5℃ above pre-industrial levels. In order to contribute to this end, South Korea set carbon neutrality as the final goal and announced the 2030 NDC target and several basic energy plans. In particular, the '9th Basic Plan for Electricity Supply and Demand,' and the 'Enhanced 2030 NDC' specify the greenhouse gas(GHG) emission target and the share of power generation and capacity to achieve the target. South Korea wants to reduce GHG emissions through fuel switching from coal to LNG and expansion of renewable energy. In this thesis, the GHG reduction policy in South Korea was scientifically analyzed using a mixed-integer programming method. By constructing policy scenarios and evaluating whether GHG emissions will be achieved by 2030. GHG reduction costs for each scenario, the potential for GHG reduction in the South Korean power sector, and the corresponding economic burden are presented. In addition, for more accurate evaluation, considering the climate impact of methane leakage from LNG facilities and health damage caused by pollutants emitted from thermal power plants, we investigate how GHG emissions and reduction costs change for each policy scenario. We can provide a policy direction in fuel-switching and renewable expansion to achieve the target emission through the results. In addition to renewable energy, carbon-free gas turbines, using ammonia and hydrogen as fuels, are expected to be a key power generation source in 2050. Currently, ammonia co-firing and hydrogen co-firing technologies are being researched and developed to realize carbon-free gas turbines by 2050. In this trend, the 'Enhanced 2030 NDC' and '10th Basic Plan for Electricity Supply and Demand' set the target proportion of co-firing technology. In this thesis, considering LNG price fluctuations, the GHG emission potential of ammonia co-firing according to LNG prices and the effect on reduction costs are investigated. In the ‘2050 Carbon Neutrality Scenarios', key energy sources and power generation forecasts for each power source are presented in implementing carbon neutrality in 2050. Nuclear will continue to play a role as a base load source, and that hydrogen will be supplied mainly through overseas imports. Nuclear is challenging to see as sustainable since it is with the disadvantage that enormous damage can occur nationwide in the event of an unpredictable accident. Hydrogen is expected to be a key energy source in 2050, but relying on overseas imports could disrupt supply chains if prices fluctuate due to external factors, such as a present energy crisis. Such carbon neutrality seems as incomplete in terms of energy security. In this thesis, we investigate the facility size to achieve safe and sustainable carbon neutrality assuming a 100% renewable power system excluding nuclear and imported hydrogen. Since the operation of solar and wind power is determined by the weather, various meteorological conditions are investigated. The capacity configuration capable of self-sufficient domestic hydrogen demand through water electrolysis is also presented.