원자력 및 신재생에너지 발전의 온실가스 감축 비용 비교

Abstract

It is an undeniable scientific fact that global warming is underway in the 20th and 21st centuries. It was also confirmed through research that global warming was greatly influenced by human activities (IPCC, 2014), and it was also known that CO2(Carbon dioxide) emissions from the use of fossil fuels played a large role in global warming. There are various types of greenhouse gases that cause the more greenhouse effect than CO2 on the earth, such as methane, nitrous oxide, and CFC (freon gas) water vapor. But due to the difference in the amount of emissions, it is estimated that CO2 takes 65% of the total amount of greenhouse effect (IPCC, 2014). However, as in the case of the US withdrawal from the Paris Agreement, greenhouse gas reductions face resistance because greenhouse gas emissions and economic growth are closely related. Recent studies have shown that a country's economic growth as measured by GDP and its greenhouse gas emissions have a strong positive correlation(Bengochea-Morancho et al. 2001; Farhani and Rejeb, 2012; Jin, 2013; Roh, et al. 2016; Jin, et al. 2020). For this reason, there are concerns that economic growth will slow down if greenhouse gas reductions are achieved. Therefore, to reduce the amount of greenhouse gas emissions including CO2, and minimize the damage to economic growth, it is necessary to search for the most cost-effective CO2 reduction plan. In previous studies, the correlation between economic growth and CO2 emissions has a strong relative. And as an alternative electric source like nuclear energy and renewable energy could reduce CO2 than fossil fuel. But research that calculated the cost to reduce CO2 emissions through conversion of power generation sources is still insufficient. In this study, we investigate how the change in the proportion of nuclear power generation and renewable power generation affects CO2 emission in the area of ​​power generation, which is the most CO2 emissions source in Korea, then we calculate and compare CO2 reduction cost of each power source. To this end, first, we calculate the long-term impact factor through the autoregressive distributed lag model(ARDL) which uses national income, CO2 emissions, nuclear power generation, and renewable power generation from 1977 to 2017. Then multiplying the estimated long-term impact factor by LCOE(Levelized Cost of Energy) to calculate 1% of CO2 emissions reduction cost for each power generation source was estimated in $/MWh. Furthermore, according to the researcher's claim that the operation cost of nuclear power generation is inexpensive but nuclear power generation has some hidden costs such as environmental damage and impact on residents' health and incident handling costs. In this study, all of these risks were converted into external costs and included in the LCOE of nuclear power generation and renewable power generation. As a result of the analysis taking this into account, assuming that if the total power generation is 1MWh, it was calculated that $3.61 is generated through nuclear power generation and $21.45 through renewable power generation to reduce CO2 emissions by 1%. From this, it is estimated that increasing nuclear power generation is more cost-effective than increasing renewable power generation to reduce CO2 emissions. This study has the following limitations. the proportion and the diversification of renewable power generation have greatly increased since the 21st century, so it was not possible to analyze renewable power by dividing it into each power generation type in detail. In addition, in the process of estimating the external cost of each power plant, the environmental damage required for the construction of the power generation site has not been studied yet, so the power generation cost per area could not be included in the research. This part is expected to be resolved if related research is conducted in the future and data is accumulated.

20세기와 21세기에 지구에서 온난화가 진행 중이라는 것은 부정할 수 없는 과학적 사실이다. 동 기간 지구에서 진행된 지구 온난화는 인류의 활동에 큰 영향을 받았다는 것 역시 연구를 통해 확인되었으며(IPCC, 2014), 특히 화석연료의 사용에 의한 이산화탄소(CO2) 배출이 지구의 온난화에 큰 역할을 끼치고 있었음이 알려졌다. 온실 효과를 발생시키는 온실가스의 종류에는 CO2 이외에도 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 프레온가스(CFC) 수증기(H2O)등 다양한 종류가 있으며 이 중에는 동일 중량에서 CO2보다 훨씬 큰 온실효과를 일으키는 기체도 있으나, 그 배출량의 차이 때문에 온실효과 발생의 65%가량을 CO2가 차지하는 것으로 추정되고 있다(IPCC, 2014). 그러나 미국의 파리협정 탈퇴와 같은 사례에서 보이듯이 온실가스 감축이 저항에 부딪히는 이유는 온실가스 배출과 경제적 성장이 밀접한 연관이 있기 때문이다. 과거의 연구에 의하면 GDP로 측정되는 국가의 경제적 성장과 해당 국가의 온실가스 배출량은 강력한 양의 상관관계로 나타났으며(Bengochea-Morancho et al., 2001; Farhani and Rejeb, 2012; 진상현, 2013; 노건기 외, 2016; 진보영 외, 2020), 이 때문에 온실가스 배출 감축목표를 달성하고자 하면 경제적 성장이 둔화될 것이라는 우려가 있다. 따라서 CO2를 비롯한 온실가스 배출량을 감축하면서도 경제적 성장에 가해지는 부담과 피해를 최소화하기 위해서는, 가장 비용 효율적인 이산화탄소 감축방안을 탐색할 필요가 있다. 기존의 연구에서 경제성장과 CO2 배출량에 대한 상관관계에 관한 연구는 비교적 충실하게 진행되었으며 CO2 배출량을 감축하기 위한 대안으로서 CO2 배출량에 원자력과 신재생에너지가 미치는 영향을 연구한 논문도 존재하고 있다. 그러나 발전원의 전환을 통하여 이산화탄소 배출량을 감축하기 위한 비용을 계산한 연구는 아직 부족한 실정이다. 본 연구에서는 다양한 발전원 중 운용 과정에서 CO2를 배출하지 않는 원자력 발전과 신재생 발전의 비중 변화가 대한민국에서 CO2 배출량이 가장 많은 영역인 전력 부분에서 CO2 배출에 어떤 영향을 주었는지를 규명하고, 이를 이용해 발전원별 CO2 감축비용을 비교하였다. 먼저 1977년부터 2017년까지의 국민소득, CO2 배출량, 원자력 발전 비중, 신재생에너지 발전 비중을 자기회귀분배시차(Autoregressive distributed lag, ARDL) 모형을 통해 그 장기 영향 계수를 계산하였다. 그 후 도출된 장기 영향계수에 각 발전원에 대해 균등화 발전원가(Levelized cost of electricity, LCOE)를 곱하여 이산화탄소 배출량을 1% 감축하기 위해 각 발전원별로 소요되는 비용을 $/MWh 단위로 계산하였고, 이를 비교하여 어떤 발전원이 더 효율적인가를 추정하였다. 또한 각 발전원별 비용을 비교하는 과정에서, 원자력 발전은 운용 단가는 저렴하나 사고 발생 시 비용이 매우 크고, 환경적인 피해와 주민 건강에 미치는 영향 등의 비용이 발생하므로 실질 비용은 눈에 보이는 것보다 더 높다는 주장이 있었다. 따라서 본 연구에서는 이와 같은 위험을 모두 외부비용으로 환산하여 포함했으며, 신재생에너지 부분도 동일하게 처리하였다. 이를 고려하여 분석을 진행한 결과 총발전량을 1MWh 라고 가정하였을 때 이산화탄소 배출량을 1% 감축시키기 위해서는 원자력 발전을 통해서는 $3.61, 신재생 발전을 통해서는 $21.45가 필요한 것으로 분석되었다. 이를 통하여 볼 때 이산화탄소 배출량을 감축시키기 위해서는 원자력 발전이 신재생에너지 발전보다 상대적으로 비용 효율적인 것을 알 수 있다. 본 연구는 신재생 발전의 경우 21세기 이후 발전원의 다변화가 이루어지고 그 비중이 급격하게 증가하여 분석에 있어 신재생 발전을 각 발전 종별로 세세하게 나누어서 분석하지 못했다는 한계점을 가진다. 또한, 각 발전원의 외부 비용을 추산하는 과정에서 발전 용지의 조성에 소요되는 환경적 피해 등이 아직 연구가 미비하여 면적당 발전 원가 등이 연구에 포함되지 못하였다. 이러한 부분에 대해서는 차후 관련 연구가 진행되어 데이터가 축적된다면 해결될 수 있을 것으로 기대된다.