1. 연구의 필요성 및 목적

■연구의 필요성

○ 차세대 원전으로 거론되는 소형모듈원전(SMR)은 기존 대형원전 대비 고유 안전성을 확보하여 에너지 안보 및 탄소중립을 동시에 달성할 수 있는 차세대 기술로 급부상하는 상황

- 전 세계적으로 미국, 영국, 러시아, 중국 등을 중심으로 SMR 개발 및 상업화를 적극적으로 추진하는 가운데, 2023년 기준 80여 개의 SMR 개발이 진행 중이고 2030년 전후로는 상용화될 전망

- 국내에서도 혁신형 소형모듈원자로(i-SMR)의 개발일정이 확립되어 총 3,992억 원 규모인 i-SMR 기술 개발의 예비타당성조사가 통과(`22.6.1)된 이후 정부는 2028년 i-SMR 표준설계인가를 확보할 계획

○ 전력부문의 탄소중립 정책 심화에 따라 기존 화력발전의 입지가 좁아지는 상황에서, 이들 전통전원이 제공해 온 고유한 기능들을 기술경제적으로 타당하게 대체할 수 있는 전원을 찾아야 할 필요

- SMR을 기존 석탄발전을 대체할 수 있는 선택지로, 또한 수요지 인근에서 가스발전에 버금가는 분산형 유연성 전원의 대안으로 제시할 필요

- 이에 국내 개발 중인 i-SMR을 기술경제적 측면에서 기존 탄소배출 전통전원과 비교하는 것은 의미가 있음.

■ 연구의 목적

○ (3개년 연구 전체) SMR 시장 및 경쟁력에 대한 전망과 핵심 정책과제를 도출함으로써 SMR 산업이 성공적으로 육성될 수 있는 기반 마련

- 현존하는 미래 SMR 시장에 대한 전망은 산출 근거가 미비한 형태의 시장규모 전망치를 주로 제시하고 있으며, 특히 i-SMR의 수출 잠재력을 판가름할 상세한 분석이 부재

- 국내 i-SMR과 경쟁할 타 기술의 특장점이 다양하고 대다수의 SMR이 아직 개발 중이라 관련 정보가 미비한 상황에서 i-SMR의 경쟁력을 분석하기 위한 일관된 기준이 필요

○ (2차년도 연구) 비용효율적인 측면에서 화석연료 기반의 전통적 대형전원을 효과적으로 대체하기 위해 i-SMR이 갖춰야 할 경제성 수준을 분석

- 탄소가격 반영 경로를 탄소배출권을 적용하는 경우와 탄소 포집·활용·저장기술을 적용하는 경우로 나누어 화력발전과 i-SMR의 균등화발전단가(levelized cost of electricity, LCOE)를 시나리오별로 비교 분석

- 또한 미래 에너지시스템의 변화 속에서 i-SMR의 이용률(capacity factor)의 변화 방향을 모형분석을 통해 고찰함으로써 경제성 유지 및 제고를 위한 장기적인 전략을 모색

- 수소 생산과 열병합 등 전력 생산 외 i-SMR의 비발전용 활용을 통한 경쟁력 확보 가능성도 검토

2. 연구내용 및 주요 분석 결과

■ i-SMR의 LCOE 추정

○ i-SMR의 건설단가에 대해 목표 건설단가, FOAK 건설단가, NOAK 건설단가의 3가지 시나리오를 설정

- i-SMR의 건설단가에 대해 한국수력원자력이 제시한 목표 건설단가를 $3,500/kW로 설정

- 기존 문헌에서 제시된 SMR의 평균 건설단가를 기반으로 i-SMR의 최초호기(First-Of-A-Kind, FOAK)의 근사치로 볼 수 있는 FOAK 건설단가를 $8,460/kW로 설정

- 반복건설을 통한 비용 절감 효과가 충분히 반영된 N차호기(Nth-Of-A-Kind, NOAK)의 근사치로 볼 수 있는 NOAK 건설단가를 $5,134/kW로 설정

○ 그 결과 i-SMR의 LCOE는 시나리오별로 다음과 같이 도출됨.

- 목표 건설단가 시나리오에서 할인율 3%, 7%, 10%에 따라 i-SMR의 LCOE는 각각 $56.2/MWh, $74.5/MWh, $89.1/MWh로 산출

- FOAK 건설단가 시나리오에서 할인율 3%, 7%, 10%에 따라 i-SMR의 LCOE는 각각 $79.9/MWh, $124.4/MWh, $159.8/MWh로 산출

- NOAK 건설단가 시나리오에서 할인율 3%, 7%, 10%에 따라 i-SMR의 LCOE는 각각 $64.0/MWh, $90.1/MWh, $112.4/MWh로 산출

■ 탄소가격 반영을 통한 전통전원 대체의 경제성 기준 도출

○ 탄소배출권을 통한 접근법에서 탄소가격이 상승함에 따라 i-SMR의 경제성은 향상됨.

- 석탄발전 대비 i-SMR은 목표 건설단가에서 탄소가격이 $14.20 이상일 때, NOAK 건설단가는 $24.81 이상일 때, FOAK 건설단가는 $46.38 이상일 때 경제성이 높아짐.

- 복합화력과의 비교 시 목표 건설단가와 NOAK 건설단가의 i-SMR은 탄소가격을 고려하지 않아도 복합화력보다 경제성이 우수하나, FOAK 건설단가는 탄소가격이 $28.99 이상일 때 가스발전보다 더 경제적임.

○ CCUS 기술 적용을 통한 접근법에서의 분석 결과는 다음과 같음.

- 할인율 3%에서는 목표 및 NOAK 건설단가 시나리오 하에서 i-SMR이 복합화력에 비해 상대적으로 경제성을 갖지만, FOAK 건설단가 하에서는 그렇지 못함.

- 할인율 7%에서는 목표 건설단가 시나리오 하에서 i-SMR이 복합화력 대비 상대적으로 경제성이 있었던 반면, 할인율 10% 시장에서는 모든 시나리오의 i-SMR LCOE가 복합화력의 LCOE보다 상대적으로 큼.

○ 이용률 60%~40% 변화에 대한 민감도 분석 결과, 이용률이 낮아질수록 복합화력 및 CCUS 부착 화력발전 대비 i-SMR의 LCOE 증가폭이 더 큼.

- 85% 이용률 가정 시 복합화력보다 낮았던 NOAK 건설단가 수준의 i-SMR LCOE는 이용률 60% 가정 시 $74.22/MWh로 복합화력보다 높아짐.

■ 이용률 측면을 통해 본 경제성 제고 방향

○ 미래 전력시스템에서 i-SMR의 이용률 변화를 보기 위해 2036년 전력시장을 모의하여 모형분석을 실시

- 분석 결과, i-SMR은 무탄소전원으로서 온실가스 제약조건 하에서 가스발전의 유연성 제공 기능을 어느 정도 대체할 수 있고, ESS에 변동비가 낮으면서도 무탄소인 전력을 공급함으로써 간접적으로 무탄소 기반 유연성 기능을 제공할 수 있음을 확인

- 다만 태양광 등 변동성 재생에너지 자원이 확대되면 가스발전에 비해 유연성이 열위에 있음도 확인

- 2036년 시점에서는 전력시장 관점에서의 i-SMR의 유연성 기능 제공의 편익이 제한적인 것으로 나타났으나, 관련하여 향후 전력시장의 보상 메커니즘 변화를 주목할 필요가 있음.

■ 경제성 제고 위한 다목적 활용 가능성 검토

○ i-SMR의 170MW 규모의 저온수전해 설비를 부착하여 생산하는 수소 생산 시 가격을 균등화수소생산단가(levelized cost of hydrogen, LCOH)로 추정

- 분석 결과, 정부 계획에 나타난 수소 생산단가 전망을 볼 때 어떤 건설단가 시나리오에서도 경제성 확보는 쉽지 않은 것으로 나타남.

○ 열에너지 관련 통계를 바탕으로 잠재적인 수요 규모를 고찰하고, 온도 스펙트럼을 고려하여 열에너지 사용 가능성이 있는 부문 탐색

- i-SMR과 같이 경수로 기반의 SMR은 출구온도의 제약 때문에 고온의 열이 필요한 철강 등의 분야에 적용하기는 쉽지 않지만 지역난방이나 일부 산업 부문에서 응용 가능성이 있음을 확인

3. 결론 및 정책 시사점

■ 결론

○ 정책 및 기술 불확실성과 관계없이 i-SMR이 전통전원 대비 경제성 우위를 확보하려면 적어도 NOAK 건설단가, 즉 여러 호기의 반복생산이 어느 정도 이루어졌을 때의 건설단가가 확보되어야 함.

- FOAK, 즉 초도호기 수준의 건설단가에서도 일부 조건 하에서는 i-SMR이 경제성 우위를 확보할 수도 있으나, 이를 위해서는 현재보다는 강화된 탄소정책이나 낮은 할인율 등 정책적 지원이 필요할 것으로 보임.

○ 이용률 제고 측면과 유연성 기능 측면을 통합한 형태의 면밀한 비용편익 분석을 통해 건설단가와 관련한 기술개발 전략이 필요함.

- 높은 이용률을 유지하는 전략을 취할 것인지, 아니면 유연성 기능 제공으로 경제성을 달성할 것인지에 대해 선택과 집중이 필요할 수도 있으며 이를 기술개발 단계에서부터 반영할 필요

○ i-SMR의 이용률을 제고하기 위한 방안으로서 열에너지 공급 확대가 어느 정도 가능할 것이며, 이를 위해서는 산업용 공정열 수요처 발굴과 함께 관련 연구의 활성화와 모니터링을 통해 관련 정책에 응용할 필요가 있음.

■ 정책 시사점

○ i-SMR의 시장 진입 초기 단계에서부터 NOAK, 즉 반복 건설 시의 건설단가를 달성하도록 하기 위한 정책 제언은 다음과 같음.

- 기술개발 단계에서부터 향후 전력시장의 변화를 면밀히 검토하여 반영하고, 이미 검증된 기술로 건설단가를 인하할 요인이 없는지 살펴보아야 할 것임(예: 프랑스 NUWARD).

- 시장개발 단계에서 여러 국가 및 기업으로부터 수요처를 최대한 많이 확보하여 초기 단계에서부터 반복 생산의 효과를 거두도록 할 필요가 있음(예: BWRX-300).

- 시장정책과 관련하여, 전력시장에서 충분한 인센티브를 제공하도록 하여 건설단가와 관련한 리스크를 최소화시킬 필요가 있음.

요약 ⅸ

제1장 서론 1

1. 연구의 배경 및 필요성 1

1.1. 대형원전 대안으로 소형모듈원전(SMR) 출현 1

1.2. 탄소배출 전통전원 대체의 기술경제적 옵션으로서의 SMR 2

2. 연구의 개요 및 선행 연구 4

2.1. 3개년 연구 전체 개요 4

2.2. 2차년도 연구 관련 선행 연구 5

제2장 소형모듈원전(SMR) 개발 현황 9

1. SMR의 기본 개념 9

2. 전 세계 SMR 개발 현황 11

2.1. 개발 노형 기술 현황 11

2.2. 상용화 진행상황 평가 13

2.3. 주요 SMR 노형 15

3. 국내 SMR 개발 현황 21

3.1. 경수형 SMR 21

3.2. 비경수형 SMR 22

제3장 i-SMR의 균등화발전단가(LCOE) 추정 23

1. 방법론 및 구성요소 23

1.1. LCOE 산식 24

1.2. 자본비 25

1.3. 건설단가 26

1.4. 자금조달비용 산출 전제 및 방법 27

1.5. 할인율에 대한 시나리오 28

1.6. 이용률 가정 29

1.7. 그 외 주요 가정 29

2. i-SMR의 LCOE 산출 결과 29

3. 건설기간 및 이용률 민감도 분석 32

3.1. 건설기간 민감도 분석 32

3.2. 이용률 민감도 분석 34

제4장 탄소배출 전통전원 대체의 경제성 기준 분석 35

1. 탄소가격 반영을 통한 접근법 35

1.1. 탄소배출권 개요 35

1.2. 분석 개요 37

1.3. 분석 결과 41

2. CCUS 기술 적용을 통한 접근법 43

2.1. 분석 개요 43

2.2. 분석 결과 45

2.3. 건설기간 민감도 분석 47

2.4. 이용률 민감도 분석 49

3. 소결 50

제5장 이용률 측면에서 본 i-SMR 경제성 제고 방향 55

1. 전력시장 관점 분석의 필요성 55

1.1. 유연성 성능 반영의 필요성 55

1.2. 에너지저장 비용 전망 56

2. i-SMR의 유연성 성능 목표 58

3. i-SMR 이용률 분석 60

3.1. 분석 개요 60

3.2. 시나리오별 결과 및 시사점 63

4. 소결 65

제6장 i-SMR 경제성 제고 위한 다목적 활용 가능성 69

1. 수소 생산을 통한 경제성 제고 가능성 69

1.1. 전 세계 수소 활용 전망 69

1.2. SMR 수소 생산의 경제성 70

2. 열병합 발전에 의한 경제성 제고 가능성 74

2.1. 수요량 측면 74

2.2. 온도 스펙트럼 측면 78

2.3. 경제성 분석 사례 83

제7장 결론 89

1. 주요 결과 89

2. 정책적 시사점 91

2.1. 기술적 측면: NUWARD 사례를 중심으로 91

2.2. 수요 확대 측면: BWRX-300 사례를 중심으로 92

2.3. 전력시장 측면 93

참고문헌 95