LCOE(균등화 발전비용)의 '눈속임'과 전통적 전력산업의 몰락
LCOE(균등화 발전비용)의 '눈속임'과 전통적 전력산업의 몰락 운명
*RethinkX 그룹은 지난 10년 동안 재생에너지의 기술 발전을 통한 단가 인하가 전력산업에 일대 변화를 가져왔음에 주목하며, 미래에 이 에너지 전환이 더욱 가속화될 것이라고 강조한다. 재생에너지는 지난 10년 동안 그 단가인하로 모든 에너지원에 대해 그리드 패리티를 실현하였고, 향후 10년 동안에도 이러한 추세는 멈춤 없이 지속될 것이라고 한다. 특히 향후 10년 동안은 지금까지보다 훨씬 가속화되며 기왕의 전력산업을 붕괴시켜 버릴 것으로 전망한다. 그럼에도 불구하고 주류의 분석기관들이 화석연료나 원자력 등 전통적 에너지원의 LCOE(균등화 발전비용)를 부당하게 낮게 평가하여 전력산업에 버블을 쌓고 있다고 비판한다. 이 글은 이 그룹의 아래 글을 주로 참조하여 재정리한 것이다. 참고하시기 바랍니다.
(*Rethinking LCOE Through the Lens of Disruption(파괴의 렌즈를 통한 LCOE 재고)을 참조할 수 있다.)
LCOE(Levelized Cost of Energy/Electricity)란, '균등화 발전비용'이라고 번역되는데, 에너지원별 발전의 단가를 비교하는데 자주 사용된다. 그 정의는 발전설비의 수명기간 동안 불규칙적으로 발생하는 모든 비용과 발전량을 그 시간적 가치를 고려하여 일정 시점으로 할인하여 연도별로 균일하게 나타낸 단위가격이다. 다만 그 비용에는 발전소 단위비용에 송배전망 비용, 그리고 위험비용 및 환경비용 등의 외부비용도 포함된다. 위 그림은 Lazard에 의한 계산값인데, 태양광 발전의 발전단가가 2010년대를 거치며 크게 하락하면서 다른 에너지원의 발전단가를 차례로 추월해 왔음을 알 수 있다.
* * *
이제 RethinkX그룹이 생각하는 LCOE에 대한 비판적 검토의견에 대해 들어보자.
LCOE(Levelized Cost of Energy/Electricity)는 경쟁 기술에 의해 생산된 전기의 비용을 비교하기 위해 널리 사용되는 지표이다. 주어진 기간 동안 발생한 모든 비용을 같은 기간 동안 판매된 모든 전기 단위로 나누어 계산하며, 평균 혹은 평준화되어 판매된 kWh 또는 MWh 당 비용이 된다.
그런데 이 값을 계산하는 데는 몇몇 항목들이 가정(상상)에 의하거나 예측에 의한 추정치가 자주 사용되기 때문에 발표 기관에 따라 그 값에 편차가 존재하지 않을 수 없다. 주로 그 발표기관의 권위에 의존하여 인용된다.
그 값이 자주 인용되는 기관으로는, IEA1, 미국 EIA2, World Bank3, IRENA4, 영국 정부의 Department for Business, Energy & Industrial Strategy5, Australian Energy Regulator6, NREL 및 OpenEI7,8 Lazard9, Stanford University10, University of Texas at Austin11, MIT Energy Initiative12, NRDC13 등을 들 수 있다.
RethinkX 그룹은, 이들이 의거하는 LCOE의 계산 방법론은 모두 동일한 중대 오류(critical error)를 안고 있다고 지적한다. 그 비판에 따르자면, 어느 경우에나 각 에너지원의 발전에 사용되는 기존 설비 이용률(capacity factor)*)에 대해 잘못된 가정에 의거하고 있다는 것이다. 대부분 계산 시점의 설비이용율을 그대로 일정하게 유지되는 것으로 가정하거나 그 시점 보다 더 높게 추정된 과거 데이터를 그대로 가정하고 있다고 지적한다. 그렇게 되면 그 발전비용(LCOE)을 실제 보다 낮게 평가하는 잘못된 결과를 초래하게 된다.
*설비 이용률(capacity factor)은 발전설비의 정격 발전용량에 대한 실제 발전량의 비율로 계산된다.
이는 현실적으로는, 기왕에 기간전력을 맡아온, 화력 수력 원자력 등의 전통적 에너지원에 의한 발전소가 그 존속기간 동안 높고 일정한 비율로 운용되고 그에 따른 일정한 규모의 전력을 판매할 수 있다는 것을 의미한다. 하지만 이러한 가정은 실제와는 거리가 멀다.
먼저 석탄발전부터 보자. 석탄발전은 사실상 상업적 판매가 어려운 지경에 이르렀다. 그 결과 미국의 석탄발전소에 대해 보고된 평균 설비 이용율은 2010년 67%에서 2020년 40%로 하락했다.14 영국에서는 훨씬 더 극적이다. 2013년부터 2019년까지 불과 6년 만에 거의 60%에서 8% 미만으로 감소했다.15 이처럼 판매 부진에 따른 설비 이용이 극도로 부진해졌음에도 불구하고 석탄에 대한 표준 LCOE 계산에서는 여전히 높고 일정한 설비이용율을 전제한다. 미국도 영국의 경우에도 석탄발전소의 존속기간 동안 최대 85%(그림1 및 그림2)로 가정하고 있으니,2,9 그 결과치가 크게 왜곡되지 않을 수 없다.
이러한 과대평가(실제보다 비용을 낮게 평가)는 경쟁력을 잃고 재편이 불가피한 산업, 즉 기존 발전소를 유지시키는 편향을 유발하게 된다. 그리고 현실적으로는 기간전력을 유지하는데 필요하다는 이유를 내세운, 정부의 지원책으로 유지된다.
미국도 영국도 석탄전력은 사실상 붕괴된 것이나 다름없다. 2000년대 들어 저렴한 가스에 의해 붕괴되기 시작했고, 오늘날은 재생에너지에 의해 그 붕괴가 더욱 가속화되고 있다. 석탄 사용은 2008년 미국에서 최고조에 달했지만, 이후 현재까지 전형적인 붕괴의 길을 걸어 왔다. 미국 EIA는 줄곧 재상향하거나 유지되리라고 예측해 왔지만, 그들의 예측은 어이없게도 1년도 버티지 못하고 줄곧 빗나갔다.(그림 3). 영국의 경우에는 설비 이용율에 대한 시나리오 자체도 제공되지 않는다. 가동 중인 석탄발전소가 4개뿐이고, 이들 발전소도 2025년까지 폐쇄될 예정이며, 새로운 시설은 계획이 없기 때문이다.24
시장은 역시 냉혹했다. 다우존스 미국 석탄지수에 반영된 미국 석탄부문의 시가총액은 2011년에 500에서 2011년 5 미만으로 99% 이상 하락했다. 그리고 현재는 지수 자체가 사라져버렸다(그림 4).20 여전히 신규 가동 예정인 석탄발전소의 LCOE는 kWh 당 6.5~15.9센트로 보고되고 있다.2,9 이 가격으로도 경쟁을 견디기 어렵지만, 이 역시 40년의 족속기간 동안 최대 85%의 일정한 설비 이용율을 가정한 것이어서, 존속 가능성은 시간이 지날수록 낮아질 것이고 곧 존폐의 위기에 처하지 않을 수 없을 것이다(그림 5).
그럼에도 미국 EIA는, 지금도 석탄 발전에 대한 LCOE(회색)를 인위적으로 낮게 추정하는 꿋꿋함을 드러내고 있다. EIA는 2017, 2018 또는 2019년 석탄 LCOE 수치를 발표하지 않다가 2020년 석탄발전 역시 기술 발전으로 kWh 당 7.6센트로 크게 낮아진 것으로 추정하였다.(그림7의 회색선) 물론 존속기간 동안 85%의 설비이용율을 달성할 것이라는 가정 아래 계산된 것이다. 이러한 계산은 비록 태양광이나 풍력에 비해 단가가 높긴 하지만 어느 정도 경쟁력이 있음을 보여주려는 의도가 있어 보인다. 흥미롭게도 EIA는 2040년 가동 목표로 건설되는 석탄발전소에 대해 그 LCOE를 2019년 kWh당 7.3센트로 설정하고 있다.2 그 설비이용율이 2040년에 85%으로 시작해 2060년에도 여전히 85%로 유지된다고 지킬 수도 없는 가정을 하고 있다.
이에 대해 RethinkX 그룹은 2010년 이후 평균 석탄발전 설비 이용율의 실제 값을 사용하여 LCOE를 다시 계산하여, 석탄발전의 수정된 LCOE 수치가 EIA가 보고한 것보다 훨씬 높을 뿐 아니라, 향후로도 줄곧 높아질 것으로 예측하고 있다. 경쟁력을 잃은 석탄발전의 설비이용율이 줄곧 낮아질 것이기 때문이다.
그림7에서와 같이 RethinkX 그룹은 먼저 2010~2020년 간 실제 설비이용율 감소를 감안한 LCOE값의 역사적 추정치를 제시하고 있다. 그에 따르면, 2020년 수정된 LCOE값은 kWk당 32.4센트로 미국 EIA가 보고한 7.6센트의 4배 이상이 된다.
그리고 이로부터 2035년까지 10%로 감소하게 될 이용율을 40%(실제 2020년의 값)로 가정하여 2020~2035년까지의 LCOE 예측치를 제시해 준다. 그에 따르면, 2030년에 신규 석탄발전소의 LCOE는 kWh당 65.3센트로 앞에서 미국 EIA가 상정한 것보다 거의 9배나 높다. 사실은 그 설비이용율이 0%에 근접하여 LCOE값이 무한대로 높아져 완전히 붕괴되고 말 것이라고 예상한다.
결국 미국과 영국의 석탄발전은 재생에너지와의 경쟁에서 조만간 붕괴되지 않을 수 없다는 것을 분명히 해주고 있다. 아니 이미 붕괴된 것이나 다름없다. 그리고 이러한 추세는 전 세계적인 석탄발전 붕괴를 예고해 주는 것이기도 하다. 지난 10년간 석탄발전의 LCOE가 태양광이나 육상풍력에 비해 체계적으로 과소평가되어 왔으며, 재생에너지에 의한 경쟁압력으로 이러한 왜곡은 2020~2030년대에도 더욱 확대될 것임을 확인할 수 있다고 지적한다.
그럼 상대적으로 유리한 위치에 있는 천연가스는 어떨까? 미국 EIA는 2020년에 새로 건설된 가스복합 화력발전소의 LCOE를 kWh당 3.8센트로 보고했다.17 미국 가스복합 화력발전소의 평균 설비이용율은 2010년 44%에서 2020년 58%로 높아졌다. 신기술(프래킹)의 출현과 가스에 의한 석탄 발전 파괴의 결과로 해석된다(그림 8). 그런데 미국 EIA는 신규 가스발전소의 전체 존속기간(20년) 동안 87%의 일정한 이용율을 가정했으며 지금까지도 계속 그렇게 하고 있다고 한다.
EIA는 87% 설비이용율 가정 아래 2010~2020년 간의 복합가스발전소의 LCOE 수치를 추계하고, 이를 연장하여 2035년까지 예측치를 제시하고 있다. 하지만 87% 이용율 가정은 복합가스발전소의 실제 가동율에 비해 현저히 높아 LCOE 수치가 인위적으로 낮게 추계되어, 역시 태양광이나 풍력에 비해 그 단가가 다소 비싸지만 경쟁할 만한 지위에 있는 것처럼 보이게 하는 오류를 범하고 있다.(그림9)
이에 대해 RethinkX 그룹은, 2010년 이후 평균 가스전력의 설비이용율을 고려하여 LCOE를 재계산하였다(진한 파란색). 2016년부터 눈에 띄게 격차가 커진다. 그리고 이 격차는 2020년대에 가스전력의 설비이용율이 빠르게 낮아지면서 극적으로 확대될 것으로 예측하고 있다. 미국 EIA에 의하자면 태양광 및 풍력이 가스발전에 대해 비용 패리티에 이른 것처럼 보이지만, 실제는 2018년 이미 비용 패리티를 달성하고 수정된 가스 LCOE보다 저렴해졌음을 알 수 있다.
RethinkX 그룹은 먼저 2010~2020년 간 실제 설비이용율을 기반으로 가스발전 LCOE값의 역사적 수정치를 제시해 준다. 그리고 2022년에 최대 이용율 60%에 도달한 다음 경쟁에서 밀려나면서 2035년에는 10%로 감소한다는 가정 아래 2020~2035년의 LCOE에 대한 예측치를 제시하고 있다. 이에 따르면 2020년에 서비스를 시작하는 가스발전소의 LCOE는 kWh당 6.2센트로 미국 EIA의 현재 추정치인 kWh당 3.8센트보다 60% 이상 높다. 그리고 2030년 신규 가스발전소의 수정된 LCOE는 kWh당 18.4센트로 재생에너지와의 격차를 현저히 확대된다. 사실 천연가스는 석탄에 비해 다소 우위에 있긴 하지만, 마찬가지로 그 설비이용율이 0%에 근접하고 LCOE는 무한대로 증가함에 따라 완전히 붕괴될 운명에 놓일 것이다.
다음으로 원자력은 어떠할까? 미국 EIA는 2020년에 새로 건설된 첨단 원자력발전소의 LCOE가 kWh당 8.2센트라고 보고했다.9 그러나 이것은 시설의 전체 존속기간 동안 90%의 설비이용율을 가정한 것이다. 2010년부터 2020년까지 대부분의 10년 동안 미국의 평균 원자력 발전 설비이용율은 실제로 이보다 약간 더 높았다(약 92%)(그림 10).
이렇게 설비이용율 90% 가정 아래 원자력발전의 LCOE값을 그림11과 같이 제시하고 있다. 이에 따라 EIA는 2040년에 가동되는 원자력발전소의 2019년 LCOE를 kWh당 7.4센트로 예상한다.2 기왕의 설비이용률이 90%를 상회해 왔으므로 다른 에너지원에 비해 상대적으로 설득력을 갖는 듯이 보인다.
하지만 RethinkX 그룹은 원자력발전의 경우 그 비용 추계에서 폐로 처리 및 보험 비용 등을 고려해야 한다고 지적하며, 수정된 추계를 통해 원자력의 LCOE가 주류 분석가들의 주장보다 훨씬 높다는 것을 보여주었다.27(그림11에서 진한 파란색) 그 결과 원자력발전의 LCOE는 주류의 추정치와 괴리를 보이며 높아지는 것으로 나타났다.
2010~2020년의 실제 이용율에 의거한 수정치는 실제 이용율이 90%보다 높았기 때문에 초기 연도에는 미국 EIA가 보고한 값보다 낮기도 하지만, 2020년까지 수정된 수치는 보고된 수치보다 거의 3배 이상 높아지는 것으로 나타났다.
그리고 이를 연장하여 2021년 최대 이용율 93% 가정 아래 2035년까지 추정치를 제시하고 있다. 이에 따르면 2020년에 가동되는 원자력발전소의 LCOE는 kWh당 22.5센트로 미국 EIA의 현재 추정치인 8.2센트보다 175%나 높다. 이어 2020년대 동안 설비이용율이 계속 감소한다는 가정 아래 추정된 신규 설치분의 수정된 LCOE는 크게 상승하여, 2030년에는 kWh당 105센트로 미국 EIA 참조 사례 가정보다 거의 14배 더 높다.
따라서 원전 역시 재생에너지와의 경쟁에서 살아남기 어렵다. 타 에너지와 마찬가지로 설비이용율이 0%에 근접하고 LCOE가 무한대로 증가함에 따라 완전한 붕괴의 위험에 놓일 가능성이 있다. 다만 원자력 발전은 핵방어프로그램의 고려에 따른 우선순위 지정이나 보호 문제가 필요할 수 있기 때문에 그 경로에 변동성이 있다.
마지막으로 수력발전이라면 어떻게 될까? 미국 EIA는 2018년 새로 건설된 수력발전소의 LCOE가 kWh당 6.6센트라고 보고했다.28 그러나 이는 시설의 총 존속기간 동안 65% 설비이용율을 가정한 것이다. 그리고 2019년에는 시설의 전체 존속기간 동안 75% 이용율을 가정하여 kWh당 3.9센트의 LCOE를 보고했다.29 그런 다음 2020년에는 59% 이용율 가정 아래 kWh당 5.3센트의 LCOE를 보고했다.30 그런데 미국 수력발전소의 실제 평균 설비이용율은 2010년 38%에서 2020년 42%로 약간 높아졌다. 하지만 지난 10년 동안 50%를 초과한 적이 없었다(그림 12).
EIA는 이렇게 실제와 다른 설비이용율 가정으로 인위적으로 낮은 LCOE 값을 제시해 왔다(그림13의 회색). 하지만 2010년 이후 평균 수력발전 설비이용율 실제값에 의거해 LCOE를 재계산하면 2013년부터 미국 EIA 예측와 멀러지고 그 격차가 확대됨을 알 수 있다(진한 파란색). 그리고 RethikX 그룹은 이 격차가 2020년대 수력발전 설비이용율이 낮아지지 않을 없을 것이라는 예측에 따라 더욱 확대될 것으로 전망하고 있다.(붉은색 점선) 또한 태양광 및 풍력 발전은 2010년대를 거치며 미국 EIA가 보고한 것보다 몇 년 일찍 그리드 패리티를 달성했음을 알 수 있다.
RethikX 그룹은 실제 설비이용율을 기초로 2010년부터 2020년까지 수력발전의 LCOE에 대한 역사적 수정치를 제시하였다. 2020년 수정치는 보고된 수치보다 거의 3배 이상이나 높다.
이어 2021년 최대 설비이용율 43%로 가정하고 2020년부터는 재생에너지와의 경쟁에서 밀려나면서 2035년에는 10%까지 감소할 것이라는 가정 아래 LCOE 추정치를 제시해 준다.(그림13의 붉은색 점선) 이에 따르면, 2020년에 가동되는 수력발전소의 LCOE는 17.5센트/kWh로 미국 EIA의 현재 추정치인 5.3센트/kWh보다 230%나 높다. 그리고 2030년까지 신규 수력발전소의 수정된 LCOE는 49.4센트/kWh로 미국 EIA 참조 사례의 가정보다 거의 10배나 더 높다.
게다가 실제 경쟁 과정에서 수력발전 역시 이용율이 0%에 근접하여 LCOE가 무한대로 증가할 수 있어 타 에너지원과 마찬가지로 붕괴 위험에 빠질 수도 있다. 다만 물의 저장이나 식수원 확보 등 또 다른 사회적 가치를 갖기 때문에 그 운명은 달라질 수 있다.
이상에서 보듯이 RethinkX 그룹은 EIA의 LCOE 예측치는 실제치에 비해 늘상 낮게 평가해 왔다는 사실에 주목한다. 그들은 그 주된 요인으로 모든 발전에 대해 그 설비이용율을 실제보다 과대 평가하는 가정에 서 있었다는 점을 통열히 비판하며, 실제치를 토대로 또한 지난 10년과 마찬가지로 향후 10년 동안 재생에너지에 의한 발전이 타 에너지원의 발전을 구축해 나갈 것이라는 예측 아래 LCOE 수정치를 제시해 주고 있다.
그 결과에 따르면, 어느 에너지든 지난 10년 동안 EIA의 LCOE 발표치는 언제나 실제치 보다 낮았음을 알 수 있다. 지난 10년 동안 재생에너지가 기술혁신을 거치며 그 발전단가를 낮추며 모든 에너지원에 대해 그리드 패리티를 달성해 왔다는 점을 재확인할 수 있다.
그리고 이 LCOE 실제치를 기초로 향후 2020~2035년의 LCOE 수정치를 제시하고 있다. 물론 이 수정치 예측에서는 향후 10년 동안 재생에너지가 지속적인 기술 발전으로 그 발전단가 인하가 가능할 것이라는 가정이 깔려 있다. 그 결과 재생에너지 이외 타 에너지에 의한 발전은 지속적으로 그 설비이용율이 낮아지게 되고 따라서 LCOE 수정 예측치도 크게 높아지는 것으로 나타났다.
그럼에도 불구하고 EIA 등 대부분의 기관은 석탄, 가스, 원자력, 수력 등 어느 에너지원을 불문하고 그 설비이용율을 실제보다 높게 그리고 일정하게 유지된다는 잘못된 가정에 기초하여 균등화 에너지비용(LCOE)을 제시해 왔다. 이는 곧 석탄, 가스, 원자력 및 수력 발전의 kWh당 비용을 과소평가하는 결과로 이어진다. 즉 기존 에너지 자산의 가치를 크게 과대평가해 왔음을 의미한다.
이러한 과대평가는 여전히 지속되고 있으며, 향후로도 적지 않은 기간 유지될 것이다. 기존 및/또는 신규의 석탄, 가스, 원자력, 수력 발전소가 그 전력을 계속 성공적으로 판매할 수 있도록 해야 하기 때문일 것이다.
하지만 이러한 과대평가는 기존의 에너지 자산에 엄청난 거품을 만들어낸다. 이들 산업에 이루어진 투자가 잘못된 평가를 기초로 이루어지고 있음에도 불구하고 이 엄청난 재무적 위험이 과소평가되고 있다는 점도 함께 지적된다. 그들은 말한다. 이들 재무적 위험으로부터 보호되어야 하는 것은 기존 기업이나 산업이 아니라 여기에 투자하고 이를 사 쓰는 건전한 일반 시민이다.
시사점
마지막으로 RethinkX 그룹은, “우리의 분석은 에너지와 금융은 물론 사회와 환경 전반에 걸쳐 여러 가지 중요한 의미를 내포하고 있다”고 지적하며 이상의 분석이 주는 시사점을 다음과 같이 정리해 준다.
1. 기존 에너지 자산의 가격은 심하게 잘못 책정되어 있으며 자산의 과대 평가로 인해 기존 에너지 부문의 자산가치 평가에 거품이 커지고 있다.
2. 석탄, 가스, 원자력 및 수력 발전은 주류측의 부정확한 LCOE 계산을 사용하더라도 더 이상 SWB 조합(태양광-풍력-배터리의 조합)과 경쟁력을 가질 수 없다.
3. 태양광 및 풍력 발전은 비용 패리티에 도달했으며 주류 분석가들이 보고한 것보다 몇 년 빨리 석탄, 가스, 원자력 및 수력 발전보다 저렴해졌다.
4. 빠르게 증가하는 기존 에너지 LCOE와 SWB 비용의 급격한 감소 사이의 격차가 벌어지고 있다는 것은 SWB에 의한 기존 업계의 파괴가 예상보다 빠르게 진행될 것임을 의미한다.
5. 탄소 포집 및 저장(CCS)이 통합된 석탄 및 가스 발전소는 가격이 두 배로 잘못 책정되었다(과대 평가됨).
6. 정부는 기존의 에너지 자산 거품의 재무적 위험으로부터 기존 기업이나 산업이 아니라 사람들을 보호해야 한다.
7. 탄소 중립은 일반적으로 예상보다 더 빠르고 저렴하게 달성될 수 있다.
* * *
SWB 조합(태양광-풍력-배터리의 조합)에 기반한 전력시스템은 더 이상 보조적 위치가 아니라 기왕의 기간전력마저 대체할 가능성이 높아졌다. RethinkX 그룹은 SWB 100%의 전력시스템 구상이 가능한 현실이라고 자신있게 주장한다. 그들은 이것이 상상의 세계가 아니고 향후 10년 사이에 일어날 수 있는 일이라고 본다. 그리고 이러한 재생에너지를 축으로 한 전력 기술의 전환은 전력에서만 멈추지 않고 에너지분야 전체로까지 확대되어 전개될 것이라고 한다. 이렇게 기술패러다임의 전환이 이루어진다면 이는 사회경제 시스템의 전환을 수반하게 될 것이다. 우리의 일상의 삶은 어떻게 될까?
References
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*芝雲 역/정리(김포시에협)