2.1.1 경제성 분석 방법론

사업의 경제성을 평가하는 방법은 크게 화폐의 시간가치를 고려하는 방법과 고려하지 않는 방법으로 구분할 수 있다. KDI⁽²⁾는 일반적으로 공공기관 또는 준정부기관에서 추진하는 공공사업의 경우 화폐의 시간가치를 고려한 현금흐름할인법(DCF)을 적용한다. 현금흐름할인법에는 순현재가치법(NPV), 내부수익률법(IRR)과 수익성지수법(PI) 등이 있다. 공공기관과 준정부기관에서 추진하는 사업의 재무성 평가는 투자 단위당 효율성을 합리적으로 판단할 수 있는 수익성지수법을 사용하고 있다. 발전사업에 대한 계획이 정부의 주도로 추진되고 있으므로, 경제성 평가방법으로 현금흐름할인법의 수익성지수법을 적용하였다. 수익성지수법은 수익성지수가 “1” 보다 큰 사업을 채택하고, 낮은 사업을 기각하는 방법론이다. 수익성지수법은 KDI 제시한 식(1)을 따르며, Table 1은 2020, 2021년도 기준의 경제성 분석요소 수치를 나타낸다.

2.1.2 가중평균 자본비용

화폐의 시간가치 산정을 위한 수익률인 가중평균 자본비용은 자금조달 원천인 주주와 채권자의 요구수익률을 자본조달 구성 비중으로 가중평균하여 산정한다. 주주의 요구수익률인 자기자본 비용은 자본자산가격결정모형(CAPM)에 따라 산정된다. 자본자산가격결정모형은 식(2)와 같다. 가중평균 자본비용 산정 수식은 식(3)과 같다(KDI).

KDI⁽²⁾는 PF(Project Financing) 사업의 경우 별도의 독립적인 특수목적 회사를 통하여 추진하며, 필요 사업비의 20~25%를 자기자본으로 조달하고 나머지 75~80%를 금융기관 등으로부터 차입하는 구조를 가지는 것으로 제시하고 있다. 이에 따라, 본 연구의 자기자본 조달비율을 25%로 반영하였다. 자본자산가격결정 모형의 무위험 이자율은 2020~2021년 만기 5년물 국고채 평균 이자율, 시장 기대수익률은 에너지 분야 대한민국 시장 기대수익률인 6%, 체계적 위험인 베타 값은 한국전력공사 2020~2021년 평균을 반영하였다. 타인자본 비용은 세후 3년 만기 회사채 금리로 반영하였다. 이를 근거로 산정된 가중평균 자본비용은 2.92%로 산정되었다.

2.2.1 발전 연료

초본계 발전 연료는 MOTIE⁽³⁾(산업통상자원부 이하 MOTIE)에서 발표한 반탄화 공정을 거친 케나프(Kenaf) 펠릿으로 적용하였다. N, Saba et al.⁽⁴⁾은 케나프는 일반 식물체의 3~9배 높은 수준의 이산화탄소 흡수력을 보유하고 있으며, 일본 삼나무 대비 7배의 높은 이산화탄소 흡수력을 보유하고 있는 에너지작물로 소개하고 있다. MOTIE⁽³⁾에서 발표한 케나프 발전 연료는 pH4, 25℃에서 10분간 회분 저감 공정을 거친 후 300℃ 반탄화 공정으로 공정 전 케나프 펠릿(이하, 케나프 발전 연료) 대비 회분은 46.8%가 감소하고, 고위발열량은 44.9%가 증가하였다. 케나프 발전 연료 평균 발열량은 MOTIE⁽³⁾를 참고하여 6,273 kcal/kg로 적용하였다. Table 2는 이에 대한 근거를 제시한다.

Um and Kang⁽⁵⁾은 케나프 발전 연료의 생산원가를 쌀을 비교작물로 하여 비교작물의 원가접근법으로 산정하였다. 여기서는 재배면적별로 10a 당 생산원가를 산정하여 규모의 경제성을 반영한 케나프 생산원가를 산정하고 있다. 케나프 재배 지역은 Um and Kang⁽⁵⁾과 같은 새만금 간척지로 적용하였고, 새만금 간척지의 평균 케나프 생산수율은 1ha당 20.16 Ton으로 나타났다.

2017~2021년의 비교작물인 쌀의 규모의 경제성을 반영한 케나프 생산비용은 1,658,628원/ha이며, 새만금 간척지 케나프 생산수율을 반영한 1 Ton 당 생산단가는 82,273원으로 산정되었다. 여기에 회분 저감과 반탄화 공정에 대한 비용 각각 832원/Ton, 18,025원/Ton을 가산하고, 국내 목재 펠릿의 가격구성을 참고하여 펠릿제조비용 40,000원/Ton과 운송비용 100,000원/Ton을 가산하여 케나프 발전 연료 단가를 241,130원/Ton으로 산정하였음을 Table 3을 통해 알 수 있다.

2.2.2 케나프 연료 발전용량

Park⁽⁶⁾에서는 바이오매스 발전소 규모를 결정하기 위하여 ｢환경영향평가법 시행령｣을 고려하여 발전소 용량이 10 MW 미만인 9.9 MW를 적용하였다. 이는 10 MW 이상의 발전소는 환경영향평가 대상으로 사업의 경제성 분석이 목적일 때 민원, 승인, 사전 기간 등 정책적 불확실성에 대한 영향을 제거하기 위함으로 판단된다. 이에 따라, 케나프 연료 발전용량을 동일 9.9 MW로 가정하였다.

2.2.3 발전기 이용률 및 효율

케나프 연료 발전기가 화석연료인 유연탄 연료 발전기를 대체하는 것으로 가정하여 KEPCO⁽⁷⁾에서 제시하고 있는 Table 4의 2020년 국내 유연탄 발전 이용률 59.72%를 반영하였다.

IEA⁽⁸⁾는 Table 5와 같이 바이오매스 가스화 복합발전(IGCC)의 발전기 효율을 30~40%로 제시하고 있으며, 상용화 단계인 바이오매스 가스화 가스터빈(BIG/GT)과 달리 스웨덴에서 상업적으로 운영이 되고 있다고 설명한다. 이에 따라 케나프 발전기 효율은 바이오매스 가스화 복합발전의 중간값인 35%를 적용하였다.

2.2.4 토지이용률 및 재배면적

케나프 저장, 성형, 탄화 공정과 행정 및 지원인력 공간을 고려하여 케나프 재배공간의 토지이용률은 90%로 가정하였다. 9.9 MW의 케나프 연료 발전시설을 운영하기 위한 케나프 재배면적은 식(4)과 같으며, 산정된 재배면적은 1,118 ha로 나타났다.

2.2.5 발전소 건설 및 운영 기간

IEA⁽⁹⁾는 발전기 종류에 따른 세계평균 건설 기간과 운영 기간을 제시하며, Table 6과 Table 7은 표시된다. 수력을 제외한 신ㆍ재생에너지 발전소는 1년의 건설 기간이 소요되고 있다. 바이오매스 발전소가 석탄발전소와 유사하게 고체연료의 가스화를 통한 연소로 발전하고 있으므로 발전소 운영 기간은 석탄발전소 운영 기간인 40년을 적용하였다.

2.2.6 발전소 건설투자비

IEA⁽⁹⁾는 9.9 MW를 초과하는 바이오매스 발전기는 2013년 기준 네덜란드, 스페인, 영국, 미국이 보유하는 것으로 제시하였다. 다만, 국가 설비별 바이오매스 발전기 단위 투자비는 발전기 용량과는 무관하게 지역에 따라 크게 편차가 발생하고 있다. 본 연구에서 가정한 9.9 MW와 가장 유사한 발전기는 스페인의 10 MW급 바이오매스 터빈 발전기이며, 미국의 100 MW급 바이오매스 발전기와 단위 투자비가 유사하다. 이에 따라, 본 연구에서 적용한 발전소 단위투자비는 7% 할인율 적용 스페인 10 MW급 바이오매스 터빈 발전기 단위투자비 56.83 USD/MWh를 적용하였다. Table 6은 각 국가 별 투자비 비교를 나타낸다.

건설투자비는 발전소 운영 기간 생산되는 전력량을 현재 시점으로 할인한 값에 단위 투자비를 반영하여 산정할 수 있다. 발전기 용량 9.9 MW, 이용률 59.72%, 발전효율 35%와 운영 기간 40년을 반영한 발전량은 2,071,504 MWh이며, 이를 단위투자비에 적용된 7% 할인율을 반영하여 현재 시점의 발전량으로 환산하면 690,417 MWh로 산정되었다. IEA⁽¹⁰⁾는 2013년 평균 대미환율 1,095.37원/USD와 단위투자비를 적용하면 발전소 건설투자비는 429.78억 원으로 산정되었으며, 발전기 용량 1 MW당 43.4억 원으로 나타났다. 국내 동해 바이오매스 발전소의 1 MW당 투자비는 47.2억 원이고, 농업부산물을 원료로 이용하는 군산 바이오매스 발전소는 1 MW당 42.5억 원의 투자비로 나타나 산정된 건설투자비는 최근 국내 여건을 높게 반영하고 있는 것으로 판단할 수 있다.

2.2.7 발전소 운영관리 비용

IEA⁽⁹⁾에서 제시하고 있는 스페인 바이오매스 터빈 발전기의 단위투자비를 적용하였으나, 이 발전기의 유지관리 비용 단가는 41.22 USD/MWh로 네덜란드, 영국, 미국과 비교하였을 때 매우 높은 수준이다. 이에 본 연구에서는 영국과 미국의 평균 유지관리 비용 단가인 17.78 USD/MWh를 적용하였다.

Suh and Kim⁽¹⁰⁾은 국내 우드칩 바이오매스 열병합발전소 경제성 분석에 적용한 연간 유지보수비용은 투자비의 1.35%였다. 본 연구의 투자비에 이를 반영하면 유지관리 비용 단가는 10.23 USD/MWh로 산정되므로 본 연구에 반영된 유지관리 비용 단가는 보수적인 측면에서 판단하여도 적정한 수준이다.

2.2.8 인건비

발전소 운영을 위한 인력은 기술 부문과 운영부문으로 구분하여 추정하였다. 기술 부문은 발전소 운영에 따른 법률적 요구사항을 충족하기 위한 인원으로 구성하였고, 운영부문은 2인 3교대를 가정하였다.

인건비 단가는 국내 30 MW급 바이오매스 발전기를 운영하는 한국동서발전의 2017~2021년 근로자 평균 연간 임금인 91,000 천원/인을 반영하였다(Table 8).

2.2.9 계통한계가격

바이오매스 발전소는 전력계통에서 기저 발전원을 담당하고 있으므로, 생산된 전기는 계통한계가격(SMP)으로 정산되고 있다. REC 가격 추정과 동일 2020년 1월부터 2022년 4월까지 육지의 계통한계가격 평균인 95.98원/kWh를 반영하였다.

2.2.10 REC 가중치 및 단가

신ㆍ재생에너지 공급의무화제도 및 연료 혼합의무화제도 관리ㆍ운영지침에서는 신ㆍ재생에너지 원별 REC 가중치를 <별표 2>에 공시하고 있다. 초본계 바이오매스는 국내에서 신ㆍ재생에너지로 분류되지 않아 REC 가중치 부여대상 신ㆍ재생에너지에서 제외되어 있다. 이에 따라, 경제성 분석에서 REC 가중치는 반영하지 않았지만, 민감도 분석에서는 REC 가중치 시나리오에 따른 경제성을 확인하였다.

민감도 분석에 반영한 REC 정산가격은 2020년 1월부터 2022년 4월까지 현물시장 월평균 REC 가격 평균인 40,173원/REC를 반영하였다.

3.2.1 민감도 분석 시나리오

경제성 평가에서 민감도 분석의 역할은 경제성을 확보할 수 있는 조건 또는 변수의 확인에 있다. 여기서, 조건 또는 변수는 사업의 경제성에 영향을 미치는 요인이 된다. 본 사업의 경제성에 크게 영향을 미치는 주요 요인으로는 발전소 이용률, 건설투자비, 연료 단가, REC 가중치로 구성하며 Table 9에 표시하였다.

3.2.2 민감도 분석결과

발전소 이용률(Table 10), 건설투자비(Table 11), 연료 단가(Table 12), REC 가중치(Table 13)를 주요 요인으로 경제성에 대한 민감도를 분석하였다. 민감도 분석결과 현실적으로 REC 가중치를 기존 미이용 산림 바이오매스와 유사한 수준으로 부여하는 경우 경제성을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다.

발전소 이용률과 REC 가중치를 주요변수로 복합 민감도를 분석한 결과 발전소 이용률이 약 80% 이상의 범위에서 REC 가중치가 “1”보다 낮은 경우에도 경제성을 확보한다(Fig. 1). 이에 따라, 케나프 연료 발전사업은 REC 가중치 부여를 전체로 발전소 이용률 개선 방안에 대한 고민이 필요할 것이다.

Fig. 1 Matrix sensitivity of REC weight and power plant utilization rate (area of securing economic feasibility).