1. 연구의 필요성 및 목적

■ 연구의 필요성

○ 탈탄소화 추세에 따른 재생에너지 확대로 전력 시스템의 간헐성과 변동성 증가에 따른 유연성 자원 확보의 필요성

○ 원자력수소 시스템의 전력망 통합이 가져올 경제적, 환경적 영향에 대한 체계적 분석의 필요성

○ 2050년 탄소중립 달성을 위한 원자력수소의 역할 정립의 필요성

■ 연구의 목적

○ 2038년 한국 전력 시스템에서 원자력수소 통합의 경제적, 환경적 영향 분석

○ PyPSA 모델링을 통한 원자력수소의 전력 시스템 유연성 기여도 평가

○ 원자력수소와 BESS 등 타 유연성 자원과의 상호보완성 검토

2. 연구내용 및 주요 분석 결과

■ 전력수요 및 재생에너지 발전 패턴 분석

○ 2014~2023년 10년간의 전력수요 및 재생에너지 발전 패턴을 활용한 2038년 전력수요 예측

○ 11차 전력수급기본계획(2038년 설비계획)을 반영한 전력시스템 모델을 구축하고, 재생에너지 확대와 유연성 자원(원자력수소·BESS·양수발전)의 상호작용을 중심으로 시뮬레이션 진행

■ 시나리오 분석 결과

○ 원자력수소 2GW 도입 시 BESS 필요용량 2~3GW 감소 효과 확인

○ 원자력수소 수전해 설비의 높은 이용률 유지 가능성 확인

○ 연도별 전력수요 및 재생에너지 패턴에 따른 유연성 자원 필요량 변동성 파악

○ 전력계통에 직접 연계된 원자력수소는 화석발전 증가를 유발할 수 있지만, 해외수소 수입을 대체하고 산업부문에서 온실가스 감축 여지 존재

○ 독립형 전원을 통해 수소를 생산할 경우, 전력부문 화석발전 증가를 줄일 수 있으나, 전기요금·사회적 수용성·기회비용 등 고려 필요

3. 결론 및 정책 시사점

■ 결론

○ 원자력수소는 24시간 이상의 장주기 저장이 가능해 재생에너지 잉여전력 활용과 전력계통 안정성 제고에 기여

○ BESS 등 기존 저장설비와 달리 장주기 자원으로서 차별화된 유연성을 제공하지만, 계통 운영에 따라 화석발전 증가를 초래할 위험 존재

○ 재생에너지 출력제한 수준에 따른 에너지저장장치 필요량의 민감도 확인

○ 독립형 원자력 전원을 수소생산에 활용하면, 전력계통의 화석발전 증가 문제를 줄이면서 청정수소를 확보할 수 있으나, 계통 및 소비자 관점에서 저렴한 전원을 수소용으로만 사용하는 데 대한 사회적 합의 필요

■ 정책 시사점

○ 원자력수소, BESS, 양수발전 등 유연성 자원의 포트폴리오를 최적화해 재생에너지 변동성에 대응하고 계통 안정성 제고 필요

○ 재생에너지 출력제한 수준에 따라 필요한 저장설비 규모가 달라지므로, 비용·편익 분석을 통해 최적의 출력제한 정책 설계

○ 원자력수소의 경제성 확보를 위해 설비이용률을 높이고, 철강 등 수소 수요처를 확보하며, 배출권 거래제·탄소국경세 등의 제도적 신호를 적극 활용

○ 기술발전 추이를 수시로 모니터링하고, 배터리 비용·전해조 효율·SMR 상용화 시점 등에 맞춰 정책과 지원 방안을 유연하게 조정

○ 독립형 원전으로 수소를 생산할 때에는 전기요금, 기회비용, 사회적 수용성 등을 종합적으로 고려해야 하며, 충분한 무탄소 전원이 확보된 상태에서 수소가 반드시 필요한 산업에 우선 활용

요약 ⅶ

제1장 서론 1

제2장 관련 문헌 검토 3

1. 원자력 기반 수소 생산 기술 3

1.1. 주요 생산 기술 4

1.2. 전기분해 기술의 지배적 보급 5

2. 국내외 정책 동향 6

2.1. 국내 6

2.2. 국외 7

3. 원자력수소의 유연성 효과에 관한 문헌 검토 10

제3장 연구 방법론 13

1. 분석 절차 13

2. PyPSA 활용 현황 14

3. 시간대별 전력수요 패턴 예측 방법 15

3.1. 데이터 준비 및 부하 지속 곡선 생성 16

3.2. 최대값과 최소값 조정 16

3.3. 비선형 변환 함수 정의 및 적용 17

3.4. 최적의 지수 α 값 도출 18

3.5. 조정된 부하 지속 곡선 도출 및 결과 분석 19

3.6. 소결 20

4. PyPSA 모델 수식 개요 20

4.1. 목적함수(objected function) 20

4.2. 발전기 운전계획 제약 조건(Unit commitment constraints) 21

4.3. 램핑 제약 조건(Ramping constraints) 23

4.4. 저장 장치 제약 조건 (Storage Unit Constraints) 24

4.5. 링크 제약 조건(link constraints) 25

4.6. 기타 제약 조건(other constraints) 25

제4장 분석 전제와 결과 27

1. 분석전제 27

1.1. 11차 전력수급기본계획 27

1.2. 시뮬레이션 분석 전제 29

1.3. 경제성 분석 전제 33

1.4. 환경성 분석 전제 40

2. 분석결과 42

2.1. 2038년 전력수요 및 재생에너지 출력 패턴 42

2.2. 시나리오별 봄철 기준 BESS 필요 용량 추정 46

2.3. 시나리오별 원자력수소 수전해 입력 전력(MW) 추이 49

2.4. 시나리오별 경제성 검토 53

2.5. 시나리오별 환경성 검토 56

2.6. 경제성 및 환경성 검토 시사점 58

제5장 결론 및 정책 시사점 61

1. 요약 및 결론 61

1.1. 전력계통 유연성 측면에서의 원자력수소의 역할 61

1.2. 재생에너지 출력제한과 저장장치 규모의 관계 62

1.3. 전력수요 및 재생에너지 발전 패턴의 영향 62

1.4. 원자력수소의 경제성과 환경성 63

2. 정책 시사점 63

2.1. 유연성 자원의 최적 포트폴리오 구성 63

2.2. 재생에너지 출력제한 정책방향 설정 64

2.3. 원자력수소의 경제성 확보를 위한 제도적 지원 64

2.4. 기술발전을 고려한 유연한 정책 프레임워크 구축 65

2.5. 전력·산업·수소 시장의 통합적 접근 65

2.6. 독립형 전원을 통한 수소생산 고려 65

2.7. 안전성·사회적 수용성 확보 66

참고문헌 69

부록 77