지원사업
학술연구/단체지원/교육 등 연구자 활동을 지속하도록 DBpia가 지원하고 있어요.
커뮤니티
연구자들이 자신의 연구와 전문성을 널리 알리고, 새로운 협력의 기회를 만들 수 있는 네트워킹 공간이에요.
논문 기본 정보
- 자료유형
- 연구보고서
- 저자정보
- 발행연도
- 2008.12
- 수록면
- 1 - 173 (173page)
이용수
초록· 키워드
오류제보하기
1. 연구 필요성 및 목적
최근 고유가시대가 도래함으로써 새로운 에너지에 기반한 시스템 구축이 큰 과제로 대두되고 있다. 특히 가장 현실적인 대안으로서 수소에너지시스템이 미래 대체에너지원 또는 에너지매체로서 주목을 받고 있다. 수소경제의 구축에 있어 가장 현실적인 수소제조원으로서 원자력이 대두되고 있다. 대량으로 수소에너지가 필요하기 시작하는 2020-2030년대는 화석연료를 이용한 수소 생산이 경제적으로 부적합한 것으로 평가되었기 때문이다. 이에 따라 원자력 수소제조에 대하여 경제성을 분석하여, 타 에너지원을 이용한 수소제조비용과 비교하는 연구가 사회적으로 요구되고 있다.
이에 따라 본 연구에서는 초고온 원자로를 이용한 수소제조기술별 생산비용을 추정하고, 원자력 수소제조기술별 생산비용을 상호 비교하여 어떤 원자력 수소제조기술이 비용 효과적인지를 살펴본다. 또한, 천연가스 및 석탄 등 화석연료를 이용한 수소제조비용과의 비교분석을 통해 원자력 수소제조의 경쟁력을 분석한다. 마지막으로 간접비용인 사회적 비용까지 고려하면 비용 측면에서 각 에너지원별 경제성이 달라질 수 있으므로, 수소제조에 이용되는 에너지원별 사회적 비용에 대해 고려해 본다.
2. 주요 연구 내용
수소는 다양한 에너지원을 이용하여 제조될 수 있기 때문에 에너지원 별로 다양한 수소제조기술이 있다. 원자로의 고열을 이용하는 원자력 수소, 천연가스를 이용한 증기개질법(SMR), 석탄가스화, 바이오매스가스화 등을 예로 들 수 있다. 이 중 원자력을 이용한 수소제조방법에는 고온전기분해(HTE) 및 열화학공정(황-요오드(SI) 공정, 황산혼합공정(HyS)) 등이 있다.
원자력 수소제조기술은 현재 이용 가능한 기술이 아니라 국제적으로 연구가 진행 중인 미래 기술로, 2020-2030년 상용화를 목표로 한다. 원자력 수소제조에는 고온의 열(800~1,000℃)이 필요한데, 현재 이용 가능한 경수로의 온도는 300℃ 정도로 효율성이 낮아 경제적이지 않다. 대규모 원자력 수소 생산에 있어 우리나라를 포함하여 국제적으로 제4세대 원자로시스템인 초고온가스로에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
원자력 수소제조비용에 대한 선행연구는 적은 편으로, 이는 원자력 수소제조기술이 미래기술이며 원자력 관련 기업의 상세한 비용 자료를 필요로 하기 때문이다. 선행연구에 따르면 원자력 수소제조비용은 수소제조방법 에 따라 0.95-3.85$/㎏ H₂로 추정 된다. SI 공정 의 경우 원자력 수소제조기 기 및 효율성 등의 가정에 따라 0.95~2.77$/㎏ H₂, 고온전기분해(HTE)의 경우는 1.92~2.55$/㎏ H₂, 황산혼합공정(HyS)의 경우는 1.60~3.85$/㎏ H₂로 연구에 따라 수소제조비용의 범위가 매우 넓다.
본 연구에서는 원자력 수소의 경제성 평가를 위해 국제적으로 연구가 활발히 진행되고 있는 수소제조기술인 고온전기분해(HTE), SI 공정, 황산혼합공정(HyS) 등을 선정하였다. 그리고 수소제조공정에 필요한 고온의 열을 생산하는데 제4세대원자로인 초고온원자로(VHIR)가 이용되는 것으로 가정한다. 일반적으로 안전한 원자로 설계를 위하여 열출력600㎿급의 긴 원통형 구조를 표준으로 삼는다. 이러한 600㎿급 4개 모듈로 구성된 플랜트의 가능한 조합에 따라 본 연구에서는 4개의 플랜트 조합을 대상으로 하였다. SI 공정의 경우 한개의 플랜트를 구성하는 4개의 초고온가스로모듈을 모두 SI공정 에 사용하거나(4SI), 2개 모듈은 전력생산에 사용하고 2개 모듈은 SI공정에 사용하는 경우를 고려하였다 (2PCS+2SI). 고온전기분해(HIE)의 경우 대부분의 에너지가 전력으로 소모되므로 모든 모듈에 발전장치와 고온수증기 발생장치를 갖추어야 한다(4HTE). 황산혼합공정(HyS)에서는 열소모가 대부분이나 SI 공정보다 전력소모가 많으므로 2개의 전력생산모듈과 2개의 황산혼합공정모듈로 구성 한다(2PCS+2HyS).
원자력 수소제조는 크게 핵열공급계통, 전력변환계통, 열전달계통, 수소 생산계통, 주변계통으로 구분할 수 있다. 이러한 모든 계통의 건설비, 초기운영비, 자본부담금, 순운영비, 해체부담금 등이 원자력 수소제조비용의 주요 항목이다. 원자력 수소플랜트의 설계수명은 60년을 목표로 하고 있으나, 감가상각이 적용되는 기간은 40년으로 설정한다. 또한 경제성을 분석하기 위해서는 모든 비용을 현가화해야 하며I 여기에는 물가상승율, 이자율, 기대수익율을 고려해야 한다. 자본부담율은 자본, 부채구성, 이자율, 기대수익율, 부채기간, 재산세, 영업세, 보험, 감가상각 방식에 따라 결정되며, 할인율은 자본, 부채구성, 이자율, 기대수익율에 의해 결정된다. 이자율은 리스크를 포함한다.
본 연구의 원가분석결과, 연간 20만톤의 수소를 생산할 수 있는 4개 모듈로 구성된 플랜트의 초기투자비용이 원자재시장 상황에 따라 25~50억달러로 예상되며, 수소 생산단가는 킬로그램당 2.2~4.3달러로 예상된다. 이처럼 수소의 생산비용의 범위가 넓은 이유는 건설비에 영향을 미치는 철강 등 원자재가격, 전기분해장치, 우라늄 원광, 요오드, 전력비용, 자본부담률 등의 요소가 수소생산비용에 영향을 주기 때문이다. 원자력 수소 제조기술별 비용추정 결과, 황산혼합공정(HyS)과 고온전기분해 (HIE)가 SI 공정보다 약간 우수한 것으로 나타났다.
수소는 원자력뿐만 아니라, 천연가스 및 석탄 등의 화석연료, 바이오매스 및 풍력 등의 신재생에너지로도 제조가 가능하다. 따라서 원자력 수소제조의 경제성올 파악하기 위해서는 다른 제조원과의 비교가 필요하다. 그러나 신재생에너지의 경우 그 제조원이 매우 다양하고 재생에너지 기술 자체가 아직 초기 단계이기 때문에 수소제조비용을 추정하는데 어려움이 있다. 따라서 여기서는 화석연료를 이용한 수소제조비용과 원 자력을 이용한 수소제조 비용을 비교하였다. 본 비교 분석 결과에 따르면, 대용량 수소 제조의 경우 현재 천연가스 가격 수준에서는 원자력이 비슷하거나 우월하며, 향후 천연가스 가격이 상승할 경우 원자력이 보다 경제적인 것으로 전망됐다. 석탄 수소 제조와 비교하면, 석탄을 이용하여 수소를 제조하는 경우 천연가스를 이용하는 것보다 일반적으로 비용이 적게 든다. 따라서 원자력과의 비교 결과도 상당히 다른 양상을 보이게 된다. 비교 분석 결과에 따르면 대용량 수소 제조의 경우 현재 석탄 가격 수준에서는 석탄 수소제조가 비용 측면에서 월등하며, 석탄 가격이 큰 폭으로 상승해도 이러한 추세에는 크게 영향이 없을 것으로 나타났다.
다른 화석에너지원과의 비교 분석은 직접적인 비용 요소만을 고려한 것으로, 환경오염 및 외부효과 등 간접적인 비용은 고려하지 않은 결과이다. 간접비용인 사회적 비용까지 고려하면 비용 측면에서의 경제성의 순위가 뒤바뀔 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이에 관련된 과거 선행연구들의 사회적 비용 자료를 제시하였다.
3. 연구 결과 및 정책 제언
본 연구에서 황산혼합공정(HyS), 고옹전기분해(HIE), SI 공정 등 3가지 원자력수소제조기술에 대한 제조비용을 추정하였다. 그 결과 수소제조비용은 원자력수소제조기술에 따라 킬로그램당 2.2달러에서 4.3달러일 것으로 예상된다. 황산혼합공정(HyS)과 고온전기분해(HIE)가 SI 공정보다 경제적인 원자력수소제조기술인 것으로 나타났다.
화석연료와의 비교를 통한 원자력 수소 경제성 분석 결과, 천연가스를 이용한 대용량 수소 제조 시 현재 천연가스 가격 수준에서는 원자력이 비슷하거나 유리하며, 향후 가격이 상승하면 원자력이 더 경제적일 것으로 전망된다. 반면 석탄의 경우, 현재 석탄 가격수준에서 석탄이 원자력 보다 월등하게 유리한 것으로 나타났다.
원자력수소제조기술개발과 관련하여 정책적 시사점은 다음과 같다. HyS 및 HIE의 원자력수소제조기술이 SI 공정보다 경제적인 것으로 나 타났다. 그러나 HyS와 HIE는 전기분해장치의 비용이 총 비용의 상당부분을 차지하여, 직접건설비의 10~25% 또는 직접운영비의 40~50%를 차지한다. 전기분해장치뿐만 아니라 전력요금도 원자력수소제조비용에 많은 영향을 미친다. 이러한 점을 고려해 볼 때 현재 예측되는 HyS와 HIE의 제조비용은 불확실성이 크다고 할 수 있다. 반면 반응기 위주로 구성되어 있는 SI 공정은 불확실성이 적은 편이다. 따라서 현재 시점에서 원가분석결과에 의한 수소생산기술에 대한 선호도 판단을 내리는 것은 적절하지 않다. 황산혼합공정(HyS)의 연구개발을 지속하면서, 향후 전기분해장치 등의 기술을 사용하는 연료전지분야의 실용화 및 가격추이를 보고 원자력수소기술의 경제성을 판단하여야 할 것이다.
또한 간접비용인 사회적 비용을 고려하는 경우 제조원별 수소의 경제성은 본 연구의 분석 결과와 다르게 나올 수 있다. 일반적으로 선진국의 경우 원자력 관련 사회적 비용이 높은 것으로 평가되고 있으며, 이를 반영하게 되는 경우 본 연구 결과와 상반되는 결과를 가져올 수도 있다. 보다 신뢰성 높은 수소제조기술별 경제성 평가를 위해서 향후 사회적 비용을 고려한 제조원별 수소제조비용추정이 이루어져야 한다. 이러한 분석을 위해서는 사회적 비용에 대한 추정치가 필요하다. 그런데 기존 선행 연구에서는 연구마다 제조원별 사회적 비용을 다르게 추정하고 있다. 따라서 사회적 비용에 대한 추정값을 찾기 위한 연구가 우선적으로 선행되어야 할 것으로 보인다.
1. Research Purpose
With the advent of the era of high oil price recently, the establishment of a new energy based system becomes an important issue. Especially, hydrogen energy system comes into the spotlight as a practical substitution for future alternative energy sources. To establish hydrogen economy, most realistic source of hydrogen could be nuclear power because hydrogen production from fossil fuels is not expected to be efficient in the 2020s-2030s when it need a large amounts of hydrogen. Therefore, demand for comparative studies on hydrogen production cost, analyzing economic feasibility of hydrogen production by nuclear power compared with other energy sources, is getting higher in a society.
In this study, hydrogen production costs classified by manufacturing technologies using VHTR(Very High Temperature Nuclear Reactor) are estimated. In addition, this study analyzes economic feasibility of nuclear hydrogen compared with ones from fossil fuels like natural gas and coals. At last, here is also considered about social cost of each energy source because economic efficiency of each source can be changed by indirect social cost.
2. Summary
As hydrogen can be produced from diverse energy sources, there are various methods of hydrogen production segregated by energy sources, e.g. nuclear power using a high temperature nuclear reactor, SMR(Steam Methane Reformation), coal gasification, biomass gasification. Nuclear hydrogen technology is divided into HTE(High Temperature Electrolysis of Steam) and thermochemical process (Sulfur-Iodine(SI) process and Hybrid-Sulfur(HyS)).
Nuclear hydrogen is a future technology and aims commercialization in 2020s-2030s. It needs a reactor of 800-1000℃. Light water reactors of which temperature is about 300℃ are not efficient. The studies about VHTR(Gen. N nuclear reactor system, 800-1000℃) are progressing with activity internationally, also in Korea.
Previous studies on cost of nuclear hydrogen production are rather rare. It's due to the fact that nuclear hydrogen production is a future technology and needs company-level data in detail. In the preceding studies, nuclear hydrogen production costs are in the range of 0.95-3.85$/㎏ H₂ depending on hydrogen technologies. Hydrogen production cost has a wide range in each investigation as 0.95-2.77$/㎏ H₂ in SI process, 1.92-2.55$/㎏ H₂ in HTE, and 1.6-3.85$/㎏ H₂ in HyS.
To assess economic feasibility of nuclear hydrogen in this study, HTE, SI, and HyS are selected as nuclear hydrogen technologies. VHfR is used to produce high temperature heat. Though large scale equipments, in general, improve efficiency, the standard is a long cylinder structure of 600㎿ heat power for nuclear safety. Here is considering 4 different sets of plants according to the possible combinations of plants which consist of these 4 modules with 600㎿. In case of SI process, 4 VHTR modules consisting of one plant are all used in SI process(4SI), or the way of 2 modules in generating power and another 2 modules in SI process(2PCS+2SI) is considered. HIE needs electronic power plants and high temperature steam producers in every module because most energy is consumed as electric power(4HIE). On the other hand, HyS spends most energy as heat but needs more energy than SI process, so is constituted by 2 electric power production modules and 2 hybrid sulphur(2PCS+2HyS).
The nuclear hydrogen productions are classified mainly into nuclear heat supply system, PCS(power Conversion System), heat transport and recovery system, hydrogen production system, and balance of plant. These systems take construction costs, early operating expenses, capital costs, net operating expenses, and dismantlement costs. Though durable period of a nuclear hydrogen plant is 60 years, the depreciation period is set up as 40 years. Additionally, all of the cost should be changed to a present price considering inflation rate, interest rate, and expected rate of return. Fixed charge rate depends on capital, debt ratio, interest rate, expected rate of return, debt period, property tax, business tax, and insurance, depreciation method, and discount rate are decided by capital, debt ratio, interest rate, and expected rate of return. Interest rate includes risks.
In this research, it is estimated that early investment costs for the 4 module plant which can produce 200 thousand tons of hydrogen yearly could be 2.50-5 billion dollars. Hydrogen production costs are estimated in the range of 2.2-4.3$/㎏. The wide range of hydrogen production cost is due to construction costs and raw material prices like steel, electrolysis system, uranium ore, iodine, electric power cost, and fixed charge rate. And also, hydrogen production costs vary according to nuclear hydrogen technologies. Hys and HTE are rather superior to SI. Nevertheless, judging superiority about each technology is impetuous at present point because economic feasibility of nuclear hydrogen technologies could be different depending on changes in price and lifespan of Electrolysis used in HTE or HyS, and electricity tariff.
Hydrogen can be produced via fossil fuels such as natural gas and coal, and renewable energy such as biomass, and wind power, as well as nuclear power. Therefore, it needs to compare with other sources to demonstrate efficiency of nuclear hydrogen. However, it is difficult to estimate costs of hydrogen production with renewable energy since renewable energy sources are quite various and renewable energy technology itself remains in an early development stage. Hydrogen production cost by nuclear power is compared with that by fossil fuels. In a large scale of production, nuclear power is on a par with or better than natural gas at current price level of natural gas. If the price of natural gas rises, nuclear power seems to be more profitable. In a small scale of hydrogen production, nuclear power has huge advantages. Compared with coal, hydrogen production from coal costs generally less than natural gas. At current coal price level, hydrogen production from coal in large scale is superior to nuclear hydrogen. Even if coal price rises very highly, this tendency would not be changed too much.
Reflecting social costs including environmental pollution and externality, the efficiency of hydrogen technologies can be changed.
3. Research Results and Policy Suggestions
The result of this study is that the unit cost of hydrogen production is expected to be 2.2-4.3$/㎏. This cost implies that nuclear hydrogen has considerable price competitiveness compared to the electrolysis technology, the price of which is over 5.42$/㎏. Though HyS and HTE are revealed a little bit superior to SI process, it could have a gap between expectation at this point and real status in future because the price of electrolysis accounts for 10-25% of direct construction costs and 40-50% of direct operating expenses. In contrast, SI process which mainly consists of chemical reactor has less uncertainty of price. Electricity tariff can also change economic efficiency of HyS or SI. Therefore, we will have to judge its economic efficiency by deferring judgement of the preference of hydrogen production process methods, continuing to develop HyS process, and reviewing practical uses and price trend of fuel cell in which electrolysis technology is used.
The result of comparing nuclear power with fossil fuels for production efficiency is that natural gas and coal have contrasting aspects in hydrogen production cost compared with nuclear power respectively. Natural gas would be similar to or have less advantage than nuclear power in a large scale of production at current price level of natural gas. If natural gas price rises hereafter, nuclear power will be much better. However, coal is ascertained as a lucrative source at both present and high price level in hydrogen production process.
In addition, considering indirect social cost besides direct one can change the result of economic efficiency on sources of hydrogen production. Based on preceding researches on social costs, it needs much time to find out reliable estimates because the estimated social costs in each research are considerably different.
최근 고유가시대가 도래함으로써 새로운 에너지에 기반한 시스템 구축이 큰 과제로 대두되고 있다. 특히 가장 현실적인 대안으로서 수소에너지시스템이 미래 대체에너지원 또는 에너지매체로서 주목을 받고 있다. 수소경제의 구축에 있어 가장 현실적인 수소제조원으로서 원자력이 대두되고 있다. 대량으로 수소에너지가 필요하기 시작하는 2020-2030년대는 화석연료를 이용한 수소 생산이 경제적으로 부적합한 것으로 평가되었기 때문이다. 이에 따라 원자력 수소제조에 대하여 경제성을 분석하여, 타 에너지원을 이용한 수소제조비용과 비교하는 연구가 사회적으로 요구되고 있다.
이에 따라 본 연구에서는 초고온 원자로를 이용한 수소제조기술별 생산비용을 추정하고, 원자력 수소제조기술별 생산비용을 상호 비교하여 어떤 원자력 수소제조기술이 비용 효과적인지를 살펴본다. 또한, 천연가스 및 석탄 등 화석연료를 이용한 수소제조비용과의 비교분석을 통해 원자력 수소제조의 경쟁력을 분석한다. 마지막으로 간접비용인 사회적 비용까지 고려하면 비용 측면에서 각 에너지원별 경제성이 달라질 수 있으므로, 수소제조에 이용되는 에너지원별 사회적 비용에 대해 고려해 본다.
2. 주요 연구 내용
수소는 다양한 에너지원을 이용하여 제조될 수 있기 때문에 에너지원 별로 다양한 수소제조기술이 있다. 원자로의 고열을 이용하는 원자력 수소, 천연가스를 이용한 증기개질법(SMR), 석탄가스화, 바이오매스가스화 등을 예로 들 수 있다. 이 중 원자력을 이용한 수소제조방법에는 고온전기분해(HTE) 및 열화학공정(황-요오드(SI) 공정, 황산혼합공정(HyS)) 등이 있다.
원자력 수소제조기술은 현재 이용 가능한 기술이 아니라 국제적으로 연구가 진행 중인 미래 기술로, 2020-2030년 상용화를 목표로 한다. 원자력 수소제조에는 고온의 열(800~1,000℃)이 필요한데, 현재 이용 가능한 경수로의 온도는 300℃ 정도로 효율성이 낮아 경제적이지 않다. 대규모 원자력 수소 생산에 있어 우리나라를 포함하여 국제적으로 제4세대 원자로시스템인 초고온가스로에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
원자력 수소제조비용에 대한 선행연구는 적은 편으로, 이는 원자력 수소제조기술이 미래기술이며 원자력 관련 기업의 상세한 비용 자료를 필요로 하기 때문이다. 선행연구에 따르면 원자력 수소제조비용은 수소제조방법 에 따라 0.95-3.85$/㎏ H₂로 추정 된다. SI 공정 의 경우 원자력 수소제조기 기 및 효율성 등의 가정에 따라 0.95~2.77$/㎏ H₂, 고온전기분해(HTE)의 경우는 1.92~2.55$/㎏ H₂, 황산혼합공정(HyS)의 경우는 1.60~3.85$/㎏ H₂로 연구에 따라 수소제조비용의 범위가 매우 넓다.
본 연구에서는 원자력 수소의 경제성 평가를 위해 국제적으로 연구가 활발히 진행되고 있는 수소제조기술인 고온전기분해(HTE), SI 공정, 황산혼합공정(HyS) 등을 선정하였다. 그리고 수소제조공정에 필요한 고온의 열을 생산하는데 제4세대원자로인 초고온원자로(VHIR)가 이용되는 것으로 가정한다. 일반적으로 안전한 원자로 설계를 위하여 열출력600㎿급의 긴 원통형 구조를 표준으로 삼는다. 이러한 600㎿급 4개 모듈로 구성된 플랜트의 가능한 조합에 따라 본 연구에서는 4개의 플랜트 조합을 대상으로 하였다. SI 공정의 경우 한개의 플랜트를 구성하는 4개의 초고온가스로모듈을 모두 SI공정 에 사용하거나(4SI), 2개 모듈은 전력생산에 사용하고 2개 모듈은 SI공정에 사용하는 경우를 고려하였다 (2PCS+2SI). 고온전기분해(HIE)의 경우 대부분의 에너지가 전력으로 소모되므로 모든 모듈에 발전장치와 고온수증기 발생장치를 갖추어야 한다(4HTE). 황산혼합공정(HyS)에서는 열소모가 대부분이나 SI 공정보다 전력소모가 많으므로 2개의 전력생산모듈과 2개의 황산혼합공정모듈로 구성 한다(2PCS+2HyS).
원자력 수소제조는 크게 핵열공급계통, 전력변환계통, 열전달계통, 수소 생산계통, 주변계통으로 구분할 수 있다. 이러한 모든 계통의 건설비, 초기운영비, 자본부담금, 순운영비, 해체부담금 등이 원자력 수소제조비용의 주요 항목이다. 원자력 수소플랜트의 설계수명은 60년을 목표로 하고 있으나, 감가상각이 적용되는 기간은 40년으로 설정한다. 또한 경제성을 분석하기 위해서는 모든 비용을 현가화해야 하며I 여기에는 물가상승율, 이자율, 기대수익율을 고려해야 한다. 자본부담율은 자본, 부채구성, 이자율, 기대수익율, 부채기간, 재산세, 영업세, 보험, 감가상각 방식에 따라 결정되며, 할인율은 자본, 부채구성, 이자율, 기대수익율에 의해 결정된다. 이자율은 리스크를 포함한다.
본 연구의 원가분석결과, 연간 20만톤의 수소를 생산할 수 있는 4개 모듈로 구성된 플랜트의 초기투자비용이 원자재시장 상황에 따라 25~50억달러로 예상되며, 수소 생산단가는 킬로그램당 2.2~4.3달러로 예상된다. 이처럼 수소의 생산비용의 범위가 넓은 이유는 건설비에 영향을 미치는 철강 등 원자재가격, 전기분해장치, 우라늄 원광, 요오드, 전력비용, 자본부담률 등의 요소가 수소생산비용에 영향을 주기 때문이다. 원자력 수소 제조기술별 비용추정 결과, 황산혼합공정(HyS)과 고온전기분해 (HIE)가 SI 공정보다 약간 우수한 것으로 나타났다.
수소는 원자력뿐만 아니라, 천연가스 및 석탄 등의 화석연료, 바이오매스 및 풍력 등의 신재생에너지로도 제조가 가능하다. 따라서 원자력 수소제조의 경제성올 파악하기 위해서는 다른 제조원과의 비교가 필요하다. 그러나 신재생에너지의 경우 그 제조원이 매우 다양하고 재생에너지 기술 자체가 아직 초기 단계이기 때문에 수소제조비용을 추정하는데 어려움이 있다. 따라서 여기서는 화석연료를 이용한 수소제조비용과 원 자력을 이용한 수소제조 비용을 비교하였다. 본 비교 분석 결과에 따르면, 대용량 수소 제조의 경우 현재 천연가스 가격 수준에서는 원자력이 비슷하거나 우월하며, 향후 천연가스 가격이 상승할 경우 원자력이 보다 경제적인 것으로 전망됐다. 석탄 수소 제조와 비교하면, 석탄을 이용하여 수소를 제조하는 경우 천연가스를 이용하는 것보다 일반적으로 비용이 적게 든다. 따라서 원자력과의 비교 결과도 상당히 다른 양상을 보이게 된다. 비교 분석 결과에 따르면 대용량 수소 제조의 경우 현재 석탄 가격 수준에서는 석탄 수소제조가 비용 측면에서 월등하며, 석탄 가격이 큰 폭으로 상승해도 이러한 추세에는 크게 영향이 없을 것으로 나타났다.
다른 화석에너지원과의 비교 분석은 직접적인 비용 요소만을 고려한 것으로, 환경오염 및 외부효과 등 간접적인 비용은 고려하지 않은 결과이다. 간접비용인 사회적 비용까지 고려하면 비용 측면에서의 경제성의 순위가 뒤바뀔 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이에 관련된 과거 선행연구들의 사회적 비용 자료를 제시하였다.
3. 연구 결과 및 정책 제언
본 연구에서 황산혼합공정(HyS), 고옹전기분해(HIE), SI 공정 등 3가지 원자력수소제조기술에 대한 제조비용을 추정하였다. 그 결과 수소제조비용은 원자력수소제조기술에 따라 킬로그램당 2.2달러에서 4.3달러일 것으로 예상된다. 황산혼합공정(HyS)과 고온전기분해(HIE)가 SI 공정보다 경제적인 원자력수소제조기술인 것으로 나타났다.
화석연료와의 비교를 통한 원자력 수소 경제성 분석 결과, 천연가스를 이용한 대용량 수소 제조 시 현재 천연가스 가격 수준에서는 원자력이 비슷하거나 유리하며, 향후 가격이 상승하면 원자력이 더 경제적일 것으로 전망된다. 반면 석탄의 경우, 현재 석탄 가격수준에서 석탄이 원자력 보다 월등하게 유리한 것으로 나타났다.
원자력수소제조기술개발과 관련하여 정책적 시사점은 다음과 같다. HyS 및 HIE의 원자력수소제조기술이 SI 공정보다 경제적인 것으로 나 타났다. 그러나 HyS와 HIE는 전기분해장치의 비용이 총 비용의 상당부분을 차지하여, 직접건설비의 10~25% 또는 직접운영비의 40~50%를 차지한다. 전기분해장치뿐만 아니라 전력요금도 원자력수소제조비용에 많은 영향을 미친다. 이러한 점을 고려해 볼 때 현재 예측되는 HyS와 HIE의 제조비용은 불확실성이 크다고 할 수 있다. 반면 반응기 위주로 구성되어 있는 SI 공정은 불확실성이 적은 편이다. 따라서 현재 시점에서 원가분석결과에 의한 수소생산기술에 대한 선호도 판단을 내리는 것은 적절하지 않다. 황산혼합공정(HyS)의 연구개발을 지속하면서, 향후 전기분해장치 등의 기술을 사용하는 연료전지분야의 실용화 및 가격추이를 보고 원자력수소기술의 경제성을 판단하여야 할 것이다.
또한 간접비용인 사회적 비용을 고려하는 경우 제조원별 수소의 경제성은 본 연구의 분석 결과와 다르게 나올 수 있다. 일반적으로 선진국의 경우 원자력 관련 사회적 비용이 높은 것으로 평가되고 있으며, 이를 반영하게 되는 경우 본 연구 결과와 상반되는 결과를 가져올 수도 있다. 보다 신뢰성 높은 수소제조기술별 경제성 평가를 위해서 향후 사회적 비용을 고려한 제조원별 수소제조비용추정이 이루어져야 한다. 이러한 분석을 위해서는 사회적 비용에 대한 추정치가 필요하다. 그런데 기존 선행 연구에서는 연구마다 제조원별 사회적 비용을 다르게 추정하고 있다. 따라서 사회적 비용에 대한 추정값을 찾기 위한 연구가 우선적으로 선행되어야 할 것으로 보인다.
1. Research Purpose
With the advent of the era of high oil price recently, the establishment of a new energy based system becomes an important issue. Especially, hydrogen energy system comes into the spotlight as a practical substitution for future alternative energy sources. To establish hydrogen economy, most realistic source of hydrogen could be nuclear power because hydrogen production from fossil fuels is not expected to be efficient in the 2020s-2030s when it need a large amounts of hydrogen. Therefore, demand for comparative studies on hydrogen production cost, analyzing economic feasibility of hydrogen production by nuclear power compared with other energy sources, is getting higher in a society.
In this study, hydrogen production costs classified by manufacturing technologies using VHTR(Very High Temperature Nuclear Reactor) are estimated. In addition, this study analyzes economic feasibility of nuclear hydrogen compared with ones from fossil fuels like natural gas and coals. At last, here is also considered about social cost of each energy source because economic efficiency of each source can be changed by indirect social cost.
2. Summary
As hydrogen can be produced from diverse energy sources, there are various methods of hydrogen production segregated by energy sources, e.g. nuclear power using a high temperature nuclear reactor, SMR(Steam Methane Reformation), coal gasification, biomass gasification. Nuclear hydrogen technology is divided into HTE(High Temperature Electrolysis of Steam) and thermochemical process (Sulfur-Iodine(SI) process and Hybrid-Sulfur(HyS)).
Nuclear hydrogen is a future technology and aims commercialization in 2020s-2030s. It needs a reactor of 800-1000℃. Light water reactors of which temperature is about 300℃ are not efficient. The studies about VHTR(Gen. N nuclear reactor system, 800-1000℃) are progressing with activity internationally, also in Korea.
Previous studies on cost of nuclear hydrogen production are rather rare. It's due to the fact that nuclear hydrogen production is a future technology and needs company-level data in detail. In the preceding studies, nuclear hydrogen production costs are in the range of 0.95-3.85$/㎏ H₂ depending on hydrogen technologies. Hydrogen production cost has a wide range in each investigation as 0.95-2.77$/㎏ H₂ in SI process, 1.92-2.55$/㎏ H₂ in HTE, and 1.6-3.85$/㎏ H₂ in HyS.
To assess economic feasibility of nuclear hydrogen in this study, HTE, SI, and HyS are selected as nuclear hydrogen technologies. VHfR is used to produce high temperature heat. Though large scale equipments, in general, improve efficiency, the standard is a long cylinder structure of 600㎿ heat power for nuclear safety. Here is considering 4 different sets of plants according to the possible combinations of plants which consist of these 4 modules with 600㎿. In case of SI process, 4 VHTR modules consisting of one plant are all used in SI process(4SI), or the way of 2 modules in generating power and another 2 modules in SI process(2PCS+2SI) is considered. HIE needs electronic power plants and high temperature steam producers in every module because most energy is consumed as electric power(4HIE). On the other hand, HyS spends most energy as heat but needs more energy than SI process, so is constituted by 2 electric power production modules and 2 hybrid sulphur(2PCS+2HyS).
The nuclear hydrogen productions are classified mainly into nuclear heat supply system, PCS(power Conversion System), heat transport and recovery system, hydrogen production system, and balance of plant. These systems take construction costs, early operating expenses, capital costs, net operating expenses, and dismantlement costs. Though durable period of a nuclear hydrogen plant is 60 years, the depreciation period is set up as 40 years. Additionally, all of the cost should be changed to a present price considering inflation rate, interest rate, and expected rate of return. Fixed charge rate depends on capital, debt ratio, interest rate, expected rate of return, debt period, property tax, business tax, and insurance, depreciation method, and discount rate are decided by capital, debt ratio, interest rate, and expected rate of return. Interest rate includes risks.
In this research, it is estimated that early investment costs for the 4 module plant which can produce 200 thousand tons of hydrogen yearly could be 2.50-5 billion dollars. Hydrogen production costs are estimated in the range of 2.2-4.3$/㎏. The wide range of hydrogen production cost is due to construction costs and raw material prices like steel, electrolysis system, uranium ore, iodine, electric power cost, and fixed charge rate. And also, hydrogen production costs vary according to nuclear hydrogen technologies. Hys and HTE are rather superior to SI. Nevertheless, judging superiority about each technology is impetuous at present point because economic feasibility of nuclear hydrogen technologies could be different depending on changes in price and lifespan of Electrolysis used in HTE or HyS, and electricity tariff.
Hydrogen can be produced via fossil fuels such as natural gas and coal, and renewable energy such as biomass, and wind power, as well as nuclear power. Therefore, it needs to compare with other sources to demonstrate efficiency of nuclear hydrogen. However, it is difficult to estimate costs of hydrogen production with renewable energy since renewable energy sources are quite various and renewable energy technology itself remains in an early development stage. Hydrogen production cost by nuclear power is compared with that by fossil fuels. In a large scale of production, nuclear power is on a par with or better than natural gas at current price level of natural gas. If the price of natural gas rises, nuclear power seems to be more profitable. In a small scale of hydrogen production, nuclear power has huge advantages. Compared with coal, hydrogen production from coal costs generally less than natural gas. At current coal price level, hydrogen production from coal in large scale is superior to nuclear hydrogen. Even if coal price rises very highly, this tendency would not be changed too much.
Reflecting social costs including environmental pollution and externality, the efficiency of hydrogen technologies can be changed.
3. Research Results and Policy Suggestions
The result of this study is that the unit cost of hydrogen production is expected to be 2.2-4.3$/㎏. This cost implies that nuclear hydrogen has considerable price competitiveness compared to the electrolysis technology, the price of which is over 5.42$/㎏. Though HyS and HTE are revealed a little bit superior to SI process, it could have a gap between expectation at this point and real status in future because the price of electrolysis accounts for 10-25% of direct construction costs and 40-50% of direct operating expenses. In contrast, SI process which mainly consists of chemical reactor has less uncertainty of price. Electricity tariff can also change economic efficiency of HyS or SI. Therefore, we will have to judge its economic efficiency by deferring judgement of the preference of hydrogen production process methods, continuing to develop HyS process, and reviewing practical uses and price trend of fuel cell in which electrolysis technology is used.
The result of comparing nuclear power with fossil fuels for production efficiency is that natural gas and coal have contrasting aspects in hydrogen production cost compared with nuclear power respectively. Natural gas would be similar to or have less advantage than nuclear power in a large scale of production at current price level of natural gas. If natural gas price rises hereafter, nuclear power will be much better. However, coal is ascertained as a lucrative source at both present and high price level in hydrogen production process.
In addition, considering indirect social cost besides direct one can change the result of economic efficiency on sources of hydrogen production. Based on preceding researches on social costs, it needs much time to find out reliable estimates because the estimated social costs in each research are considerably different.
목차
제1장 서론
제2장 수소 제조 방법
제3장 원자력 수소 제조비용 선행 연구
제4장 원자력 수소 제조비용 추정
제5장 연구 결과 및 정책 제언
참고 문헌
부록
요약
ABSTRACT
참고문헌 (0)
참고문헌 신청함께 읽어보면 좋을 논문
논문 유사도에 따라 DBpia 가 추천하는 논문입니다. 함께 보면 좋을 연관 논문을 확인해보세요!
-
미래 수소경제 실현을 위한 기반구축 연구 : 수소경제 이행의 최적경로 개발
에너지경제연구원 연구보고서
2008 .12
-
수소제조 비용추정 : 화석연료를 중심으로
에너지경제연구원 연구보고서
2007 .12
-
수소경제 도래에 대비한 수소공급의 시스템적 접근
에너지경제연구원 연구보고서
2007 .12
-
A Study on the Hydrogen Economic Law for the Realization of Hydrogen Society in Korea
법학논총
2020 .01
-
주요국 수소전략의 추진 방향과 시사점
[KIEP] 오늘의 세계경제
2020 .08
-
수소 자동차
가정의벗
2001 .01
-
미래 수소경제 실현을 위한 기반구축 연구 : 수소생산이 에너지시장에 미치는 파급효과 분석
에너지경제연구원 연구보고서
2009 .12
-
원자력수소 품질보증 적용 현황
한국경영과학회 학술대회논문집
2015 .04
-
안전한 수소사회 실현을 위한 모빌리티 정책 제언
국토정책 Brief
2019 .09
-
미래 수소경제 실현을 위한 기반구축 연구 : 수소에너지 시스템 도입의 비시장요소 가치 산정
에너지경제연구원 연구보고서
2008 .12
-
수소경제 이행에 따른 경제적 파급효과 분석
에너지경제연구원 연구보고서
2006 .12
-
미래 수소경제 실현을 위한 기반 구축 연구 : 수소경제 이행의 산업 및 국민경제 파급효과 분석
에너지경제연구원 연구보고서
2010 .12
-
미래 수소경제 실현을 위한 기반구축 연구 : 수송부문의 수소공급 인프라 구축
에너지경제연구원 연구보고서
2009 .12
-
수소산업 육성정책
한국지방정부학회 학술대회자료집
2019 .05
-
미래 수소경제 실현을 위한 기반구축 연구 : 가정·상업 및 발전부문의 수소공급 인프라 구축
에너지경제연구원 연구보고서
2010 .12
-
수소연료전지 자동차 (FCEV) 충전용 수소 시장조성을 위한 정책연구
에너지경제연구원 수시연구보고서
2018 .03
-
경기도 수소경제 미래를 생각하다
이슈&진단
2019 .03
-
충남지역 신재생에너지산업 육성을 위한 지역네트워크 플랫폼 구축방안에 관한 연구: 바이오가스 기반 수소공급 산업육성 사례
동북아연구(구 통일문제연구)
2017 .01
-
친환경 CO₂-free 수소생산 활성화를 위한 정책연구
에너지경제연구원 수시연구보고서
2019 .03
이 논문의 저자 정보
이 논문과 함께 이용한 논문
GHG를 고려한 수소연료전지 자동차의 경제성 분석
양문희
,
김봉진
,
김종욱
신·재생에너지
2005
.09
핵융합 플라즈마와 전력전자 기술
심은용
,
안일근
,
이승교
전력전자학회지
2013
.06
수소제조 비용추정 : 화석연료를 중심으로
배정환
,
정경화
,
임송택
외 1명
에너지경제연구원 연구보고서
2007
.12
수소경제 도래에 대비한 수소공급의 시스템적 접근
부경진
,
조상민
,
김봉진
에너지경제연구원 연구보고서
2007
.12
방사성동위원소의 생산과 응용 (전력회수를 중심으로)
손광재
한국자기학회 학술연구발표회 논문개요집
2014
.11
최근 본 자료
댓글(0)
0
UCI(KEPA) : I410-ECN-0101-2009-321-018652149