2050 저탄소발전전략에 따른 기후·대기·에너지 정책 추진방향 : 발전부문을 중심으로 = Setting the Direction for Climate, Atmosphere, and Energy Policy in line with the 2050 Low Emission Development Strategy - Focusing on the Power Sector

국문 초록 (Abstract)

Ⅰ. 연구의 배경 및 목적
□ ‘지구온난화 1.5℃ 특별보고서’(IPCC, 2018)는 산업화 이전 대비 지구평균온도 상승을 1.5℃ 이하로 억제하였을 때 기후변화로 인한 위험을 상당 부분 줄일 수 있으며, 이를 위해서는 2050년까지 전 지구적인 탄소중립이 필수적임을 지적
ㅇ 2019년 73개국이 2050년 탄소중립 계획을 발표하였고, 2020년 일본과 중국이 각각 ‘2050 탄소중립’과 ‘2060 탄소중립’을 선언하였으며, 2021년 미국 바이든 행정부 또한 ‘2050 탄소중립’을 선언하며 탄소중립은 더 이상 거스를 수 없는 뉴노멀로 정착
□ 우리나라는 2020년 10월 ‘2050 탄소중립’을 선언하고, ‘2050 탄소중립’을 비전으로 하는 ‘2050 장기저탄소발전전략’을 2020년 12월 UN에 제출
ㅇ 기준연도인 2018년의 우리나라 온실가스 배출량은 683.6백만 톤CO₂eq로 이를 전량 감축 및 흡수하기 위해서는 사회·경제 모든 영역에서의 대전환이 필수적
- 이를 위해 우리나라는 2020년 12월 ‘2050 탄소중립 추진전략(안)’(관계부처 합동, 2020), 2021년 10월 ‘2050 탄소중립 시나리오’(2050 탄소중립위원회, 2021)를 확정함
- 이러한 탄소중립 전략들의 효과적인 이행 촉진을 위해서는 정책 이행에 따라 예상되는 환경·경제적 파급효과 분석을 토대로 합리적인 정책 추진방향 제시가 필요
ㆍ특히 발전부문은 감축잠재량이 가장 큰 부문으로 발전부문의 석탄화력 퇴출, 수소연료전지, 무탄소 신전원과 같은 주요 온실가스 감축수단이 온실가스뿐 아니라 대기, 건강에 미치는 영향을 살펴봐야 할 필요성이 높음
□ ‘2050 장기저탄소발전전략’에서 제시한 2050 탄소중립이 비용, 온실가스, 대기 및 건강영향에 미치는 효과를 정량적으로 분석하여 정책적 시사점 모색
ㅇ 전력부문 최적화 모형을 이용하여 탄소중립 시나리오에 따른 발전부문 대기오염 배출량을 전망하고 대기오염 배출량에 따른 건강영향 피해를 정량적으로 도출
ㅇ 정량적 분석결과를 바탕으로 기후·대기·에너지 분야별 추진과제와 상호 연계체제 등 탄소중립 달성에 따른 환경·에너지 정책 시사점 모색
Ⅱ. 탄소중립 추진전략 및 관련 계획 분석
1. 2050 탄소중립 전략
□ 2050 장기저탄소발전전략(2020.12)
ㅇ (배경) 파리협정은 기후변화 대응 정책의 장기적 비전 관점에서 각 당사국에 2020년까지 장기 저탄소 발전전략 수립을 권고
ㅇ (비전) 2050년 대한민국 비전으로 ‘2050 탄소중립’을 제시
- 한국판 뉴딜의 그린과 디지털 기술을 접목하여 시너지 효과를 발휘하고, 기후기술혁신을 위한 과감한 투자와 지원 시행
- 국제사회가 2050 탄소중립을 위해 공동의 노력을 펼칠 수 있도록 선도적 역할 수행
ㅇ (기본 원칙) 기후변화 대응을 위한 국제사회 노력에 동조, 지속가능한 선순환 탄소중립 사회 기반 마련, 국민 모두의 공통노력 추진
ㅇ (발전부문 감축수단) 재생에너지 중심의 전력공급, 연료전지 및 그린수소 확대, 화석연료 발전에 대한 이산화탄소 포집·활용·저장(CCUS) 기술 적용
□ 2050 탄소중립 추진전략(안)(2020.12)
ㅇ (비전) 온실가스 감축 중심의 적응적 감축에서 새로운 경제·사회 발전전략 수립을 통해 능동적 대응을 도모하여 탄소중립·경제성장·삶의 질 향상 동시에 달성
ㅇ (3+1 전략추진) 경제구조의 저탄소화, 신유망 저탄소산업 생태계 조성, 탄소중립사회로의 공정전환, 탄소중립 제도적 기반 강화
- (발전부문 관련 중점과제) 에너지 전환을 위한 정책으로 ‘에너지 탄소중립 혁신전략’ 마련(일정: 2021년 4분기, 주관부처: 산업통상자원부)
□ 2021년 환경부 탄소중립 이행계획(2021.3)
ㅇ (비전) 2050 탄소중립 사회: ① 탄소순배출 제로, ② 경제성장 달성, ③ 포용사회 구현
ㅇ (발전부문 중점과제) 에너지 전환
- 주민참여형 수상 태양광 개발 확대
- 친환경 수열에너지 활성화
- 환경영향평가 제도개선을 통한 해상 풍력 활성화
- 환경기초시설 신재생에너지 생산·보급 기지화
- 환경자원 활용 재생에너지 보급·확대 로드맵 수립
□ 2050 탄소중립 시나리오(2021.10)
ㅇ (비전) 기후 위기로부터 안전하고 지속가능한 탄소중립 사회
- 책임·포용·공정·합리·혁신 5가지 기본원칙을 기반으로 수립
ㅇ (발전부문) A안은 화력발전을 전면 중단하여 전환부문에서 온실가스 배출이 발생되지 않으며, B안은 석탄화력발전은 퇴출되나 LNG 발전의 경우 유연성 전원으로 활용하는 방안 제시
2. 온실가스 감축목표 및 관련 계획
□ 2030 국가 온실가스 감축 로드맵 수정안(2018.7)
ㅇ (기본방향) 국제사회에 약속한 국가 온실가스 감축목표 이행 가능성 제고
ㅇ (감축목표) 감축 후 배출량 536.0백만 톤CO₂eq(2015년 대비 22.3% 감축)
- 국내 부문별 감축 후 배출량 574.3백만 톤CO₂eq, 잔여감축량 38.3백만 톤CO₂eq은 산림흡수원 활용 및 국외 감축분
ㅇ (발전부문 감축목표) 2030년 감축 후 목표배출량 192.7백만 톤CO₂eq
- (감축수단) 발전인프라 개선, 친환경 발전믹스 강화, 집단에너지, 잠재감축분
□ 2030 NDC 상향안(2021.10)
ㅇ (감축목표) 2018년 대비 40%까지 국가 온실가스 감축목표를 대폭 상향하여 감축 후 배출량 436.6백만 톤CO₂eq
ㅇ (발전부문 감축목표) 2030년 감축 후 목표배출량 149.9백만 톤CO₂eq
- (감축수단) 석탄발전 축소, 신재생에너지 발전 확대, 추가 무탄소 전원(암모니아 터빈), 재생에너지 보급 확대
3. 에너지 분야 관련 계획
□ 제3차 에너지기본계획(2019.6)
ㅇ (개요) 「저탄소 녹색성장 기본법」 제41조에 의거, 20년을 계획기간으로 잡아 5년마다 수립·시행되는 계획으로 중장기 에너지 정책의 철학과 비전, 목표와 추진전략 제시
ㅇ (비전) 에너지 전환을 통한 지속가능한 성장과 국민의 삶 제고
- 에너지 정책 패러다임을 소비구조 혁신 중심으로 전환
- 깨끗하고 안전한 에너지믹스로 전환
- 분산형, 참여형 에너지 시스템 확대
- 에너지산업의 글로벌 경쟁력 강화
- 에너지 전환을 위한 기반 확충
□ 제9차 전력수급기본계획(2021.1)
ㅇ (개요) 중장기 전력수요 전망 및 이에 따른 전력설비 확충을 위해 「전기사업법」 제25조 및 동법 시행령 제15조에 따라 2년 주기로 수립
ㅇ (기본방향) 정책환경, 국외동향을 통한 시사점 도출 후 수립방향 설정
- 정책환경 변화
ㆍ안전하고 깨끗한 전원믹스로의 에너지 정책 전환 필요성 증대[『제3차 에너지기본계획』(산업통상자원부, 2019), 『미세먼지 관리 종합계획(2020-2024)』(관계부처 합동, 2019)]
ㆍ온실가스 추가감축을 위한 전환부문 이행방안 마련(‘2030 국가 온실가스 감축 로드맵 수정안’, ‘2030 NDC’와 연계해 구체화)
ㆍ저탄소 경제·사회로의 이행을 위해 신재생에너지 투자 가속화 필요(『한국판 그린뉴딜 종합계획』)
ㅇ (감축목표) 2030년 목표 온실가스 배출량 196.2백만 톤CO₂eq, 미세먼지 배출량 2019년 대비 57% 저감
- (감축수단) 가동 후 30년 도래 석탄발전설비 24기 폐지, 잔여 석탄설비 연간 발전량 제약, 환경설비 개선, 미세먼지 계절관리제 시행 등
4. 미세먼지 관련 계획 및 정책
□ 미세먼지 관리 종합계획(2020-2024)(2019.11)
ㅇ (개요) 「미세먼지 저감 및 관리에 관한 특별법」 제7조에 근거하여 5년마다 수립되는 법정계획으로 향후 5년간 미세먼지 저감 및 관리의 정책방향과 추진과제 제시
ㅇ (비전) 맑고 깨끗한 공기, 미세먼지 걱정 없는 대한민국
ㅇ (감축목표) 2024년 목표 초미세먼지(PM_2.5) 연평균 농도 16㎍/m³(2016년 대비 35% 이상 저감)
- (발전부문 추진과제 ①) 석탄화력 미세먼지 저감 추진
ㆍ고농도 계절 집중감축 조치 시행으로 석탄발전소 가동중단 시기를 기존 봄철(3~6월)에서 고농도 계절인 12~3월로 조정하고 대상 발전기 확대
ㆍ상한 제약(석탄발전 배출량 80% 수준)을 고농도 계절 내 상시 전환
ㆍ노후 석탄발전소의 폐쇄일정 재조정
ㆍ집진·탈황·탈질 설비 등 석탄발전 환경설비 투자 확대 및 대기오염물질 저감기술 개발 확대
ㆍ석탄발전소 저탄장 옥내화 추진
- (발전부문 추진과제 ②) 재생에너지 확대, 환경급전 시행을 통한 친환경 에너지 전환 및 도서지역 소규모 발전소 등 사각지대 관리 강화
ㆍ『제3차 에너지기본계획』에서 제시한 재생에너지 발전비중 확대를 위한 설비보급 확대
ㆍ약품처리비, 배출권거래 비용 등 환경비용을 반영하는 환경급전 시행을 통해 친환경 발전 가격경쟁력 제고
ㆍ도서 발전시설 18기, 대기오염물질 배출시설로 관리 강화
ㆍ섬 지역 발전소의 발전연료를 친환경 연료로 전환 추진
□ 대기관리권역별 대기환경관리 기본계획(2020-2024)(2020.4)
ㅇ (개요) 대기권역별 대기환경관리 기본계획은 『미세먼지 관리 종합계획(2020-2024)』을 최상위 계획으로 하며, 지역별 상호영향을 고려하여 광역적인 관리가 필요한 권역에 대하여 세부 저감계획을 수립
ㅇ (발전부문 감축수단) 사업장 대기오염물질 총량관리제
- 연도별로 배출허용총량을 할당하고, 할당량 이내로 오염물질을 배출하도록 규제
ㆍ배출허용총량을 초과하는 경우 총량초과과징금 부과 및 다음 연도 배출허용총량 감량
- 할당량에 비해 배출량이 적은 사업장은 잔여 배출허용총량을 판매할 수 있으며, 배출량이 할당량에 비해 많은 사업장은 동일권역 내에서 배출권 구매 가능
- 총량관리사업장은 「대기환경보전법」에 따른 총량관리 대상 오염물질에 대한 기본부과금 면제, 연간 오염물질 배출량이 20톤 미만인 3종 사업장에 대해서는 배출허용기준을 130%로 완화 적용
Ⅲ. 발전부문 탄소중립 분석 방법론
1. 발전부문 최적화 모형
□ 선형계획법을 활용한 발전부문 설비 건설 및 운영 최적화 모형 구축
ㅇ 수리계획법의 한 형태로 최적화를 위한 목적함수와 제약식으로 구성되며, 최적화의 대상이 되는 변수와 외생적 모수 및 이들의 관계를 연결하는 집합들을 포함
ㅇ 분석기간에 요구되는 전력수요를 충족하기 위한 다양한 발전소의 건설 및 운영방안을 최적화 문제를 풀어 해로써 도출
ㅇ 최적화 모형 목적함수:
ㅇ 가동제약
ㅇ 수요제약
ㅇ 예비율제약
ㅇ 저장장치제약
ㅇ 배출량 제약
ㅇ 집합 및 원소(set)
- k : 발전기
- s : 저장장치
- r : 수요구간
- v : 건설연도
- cp : 계획기간
ㅇ 매개변수(parameter)
- df : 할인율
- INV_k,t : 투자비(연간 균등화 비용)
- FC_k,t : 연간 고정비
- L_k : 수명기간
- VC_k,t,r : 변동비
- CF_k,t,r : 최대 이용률
- self_k : 소내소비율
- RF_k,t : 피크기여도
- RM_t : 목표 예비율
- D_t,r : 수요
- stf_s : 저장장치 효율
- CO2coef_k,t,r : CO₂ 배출계수
- CO2cap_cp : 계획기간 배출량 변수
ㅇ 변수(variable)
- P_k,t,r : 발전량
- N_k,v : 신규발전기 용량
- st_s,t,r : 전력 저장량
□ 입력자료
ㅇ 주요가정
- 적정한 시간 내에 안정적인 최적해의 도출이 가능하도록 8,760시간을 48개(4계절, 주중·주말, 06~09시·09~12시·12~14시·14~16시·16~22시·22~6시)의 집단으로 묶어서 분석 단위를 줄이는 방식을 적용
ㅇ 입력자료
- 주요 입력자료로는 발전설비 현황, 발전설비 진입 및 퇴출, 전력수요, 연도별 전력수요 증가율, 발전기별 효율, 발전기별 배출계수, 초기투자비, 계통연계비용, 연료비용, 운전유지비용, 열간 기동비용, 발전기별 기술특성자료, 양수발전기 기술특성자료, 예방정비일, 고장정지일, 신재생에너지 시간대별 이용률을 활용함
2. 대기오염에 따른 건강피해비용 분석 방법론
□ 국외 연구현황
ㅇ Enerdata(2014)
- EU의 저탄소발전전략 시행 시 건강영향 변화를 평가하기 위해 수행된 연구
- PM_2.5, PM_2.5의 전구물질, NOx 및 SO₂가 평가 대상이며 해당 물질의 저감으로 인한 건강영향 및 그로 인한 편익을 추정
- 편익이전 기법을 활용하여 건강편익을 추정하였으며, 유럽환경청(EEA, 2008)의 연구에서 도출한 화석연료를 이용한 전기 생산에 관련된 건강편익 추정치를 활용
ㅇ WHO(2018)
- 저탄소발전전략 이행으로 인한 건강편익을 추정하는 도구(CaRBonH) 개발
ㆍEU 회원국의 전략 이행으로 인한 건강영향을 평가: 천식, 기관지염 환자 및 사망자 수 감소 정량화
ㆍ2030년까지 PM_2.5 저감의 건강편익 추정: 질병비용평가(COI), VSL, VOLY 등 질병·사망 편익 도출
- CaRBonH의 PM_2.5 저감으로 인한 건강영향 정량화 방법론
ㆍ건강영향 정량화 산식
CR 함수 = (RR -1/RR)(1/PM_2.5농도변화) × 유병률 × 대상인구분율 식(7)
ㆍ건강편익 정량화 산식
건강편익 = 노출인구 × CR 함수 × 조기사망 단위 피해비용 식(8)
□ 국내 연구현황
ㅇ 김현노 외(2019)
- 기존 국내 연구에서 도출한 대기오염물질별, 오염원별 PM_2.5 전환율 값을 활용하여 PM_2.5 농도 변화를 산정
- PM_2.5에 장기적으로 노출 시 조기사망을 추정하였으며 Hoek et al.(2013)의 농도-반응(CR) 함수를 광역지자체 단위별로 30세 이상 성인에게 적용
ㅇ 김현노 외(2020)
- Hoek et al.(2013)의 CR 함수를 광역지자체 단위 30세 이상 성인을 대상으로 적용하여 미세먼지 계절관리제 시행 시 조기사망 감소치를 추정
- 건강편익 또한 VSL을 적용하여 추정한 결과, 대략 1,530억 원에서 3,082억 원 사이로 추정
ㅇ EVIS 건강영향 가치평가 toolkit
- EVIS(환경가치종합정보시스템)은 기존 선행연구 결과를 토대로 주요 대기오염물질 배출로 인한 PM_2.5 장기 노출 시 조기사망에 미치는 영향을 예측하고 이를 화폐화할 수 있는 툴키트(toolkit)를 구축해 제공
- PM_2.5 농도 변화 산정 시 기존 국내 연구에서 도출된 대기오염물질별, 오염원별 PM_2.5 전환율 값을 활용
- 오염물질 건강영향 가치평가의 단계는 대기오염 배출 및 가치평가 지역 설정, 대기오염 확산 및 건강영향 정량화, 건강영향의 화폐화 및 결과 도출 순서로 구성
ㆍPM_2.5에 장기 노출 시 건강영향평가를 위한 CR 함수는 Hoek et al.(2013)을 선택하거나 기타 함수를 임의로 적용 가능
ㆍ건강영향의 화폐화 시 적용하는 단위가치로 메타분석을 통해 도출된 VSL값을 선택하거나 임의의 값 또한 적용 가능
ㅇ 배현주 외(2020)
- 대기오염과 건강영향의 CR 함수:
ㆍβ = 환경역학 연구결과로 대기오염물질의 농도 변화에 따른 건강영향의 농도-반응(CR) 함수
ㆍΔx = 대기오염물질 농도 값의 변화
= 대상인구집단의 기본 건강상태를 나타내는 유병률 또는 사망률
ㆍPOP = 대기오염물질의 농도 변화에 노출되는 인구수
- PM_2.5 노출 시의 건강위험에 대한 평가모형 구축
ㆍBenMAP을 활용하여 국내 행정구역별 GIS 자료, 인구 및 사회·경제적 자료, 대기오염도 자료, 사망률과 유병률 자료 DB를 통합하였으며, 이를 토대로 한국형 미세먼지 개선에 따른 건강위험 평가모형 구축
ㆍPM_2.5의 건강위험을 산정하고, 미세먼지 농도가 『미세먼지 관리 종합계획』의 목표 달성 시 얻게 되는 건강편익과 미세먼지 농도가 세계보건기구의 연평균 권고기준 달성 시 얻을 수 있는 건강편익을 산정
□ 적용 방법론
ㅇ (대상 질환) 선행연구 검토 결과, 저탄소발전전략 시행으로 인해 변화가 예상되는 대기오염물질로 인한 건강영향 중 인과관계에 대한 충분한 근거가 존재하며, 건강영향의 정량화 및 편익 산정이 가능한 30세 이상 성인의 조기사망을 건강영향의 평가지표로 선정
ㅇ (정량화 방법론) 김현노 외(2019, 2020)에서 제시한 바와 같이 Hoek et al.(2013)의 30세 이상 조기사망에 대한 농도-반응(CR) 함수 적용
- 건강영향으로 인한 피해비용은 대기오염물질 배출량을 기반으로 오염물질별 단위 피해비용 산정이 가능한 김현노 외(2019)의 방법론을 적용
ㆍ전국 평균 추정치에 지역 간 농도기여율을 적용해 지역별 피해비용으로 구분하여 반영하였으며, 사망위험감소가치(VSL)는 OECD(2012)의 추정치를 활용
Ⅳ. 발전부문 탄소중립 시나리오 분석
□ 시나리오 구성
ㅇ (기준시나리오, Baseline) 탄소중립이라는 정책목표가 없는 경우로 다양한 정책 시나리오에 대한 평가의 기준
ㅇ (탄소중립 시나리오, NZ2050) 2050년까지 전력부문의 이산화탄소 배출량을 ‘0’ 수준으로 감축하는 시나리오
- 2025년까지 기존의 온실가스 감축 로드맵상의 경로를 따르고, 이후 2050년까지는 2025년 배출량에서 선형으로 감소하는 경로 가정
- 매 5년 단위로 5년간 배출총량을 5년간 목표배출량의 합과 같게 한다는 제약조건 충족
ㅇ (기후대기 통합관리 시나리오, NZ2050ENV) 온실가스 규제뿐 아니라 대기오염 배출에 대해서도 추가로 규제를 강화하는 시나리오
- 온실가스와 함께 대기오염물질을 통합 관리하는 경우 어떤 비용과 효과가 발생하는지 분석함으로써 기후대기 통합관리의 효용성 평가
- 대기정책 규제 강화 수단으로서 대기오염물질 배출에 의한 피해비용을 추정하여 총비용에 반영
ㅇ (기술발전 시나리오, NZ2050Et) 연간 재생에너지 보급한도를 2배로 확대한 시나리오
- 기술발전에 따라 재생에너지 보급 잠재력이 높아질 경우의 효과를 분석하기 위한 시나리오
- 연간 신규 보급가능량을 태양광발전 40GW, 육상풍력 2GW, 해상풍력 4GW, 양수 발전 4GW로 확대 가정
ㅇ (누적 배출예산 시나리오, NZ2050EtB) 2050년까지 연도별 감축목표를 5년 단위 이행기간별로 이행하는 대신, 2026년부터 2050년까지 연도별 감축목표 총량을 연도 혹은 배출권 이행기간과 무관하게 달성하는 경우의 변화 분석
- 배출권거래제의 배출권 이월을 허용할 경우 가능한 시나리오
- 장기간에 걸친 배출총량이 기후변화의 중요한 변수라는 점에서 기간 간 배출량 배분의 유연성이 초래하는 결과를 분석하기 위한 시나리오
□ 시뮬레이션 결과 및 해석
ㅇ (온실가스 배출량) 기준 시나리오하에서는 이산화탄소 배출량이 2046년까지 지속적으로 증가하다가 이후 감소세로 전환되었으며, ‘탄소중립 시나리오(NZ2050)’, ‘기후대기 통합관리 시나리오(NZ2050ENV)’, ‘기술발전 시나리오(NZ2050Et)’가 유사한 감소경로를 보이는 반면, 배출권의 이월을 허용하는 ‘누적 배출예산 시나리오(NZ2050EtB)’의 경우 초기부터 대규모 감축이 발생하는 경로를 보임
- 온실가스를 초기에 더 줄이고 나중에 덜 줄이는 것이 비용 측면에서 더 유리하다는 점을 보여주며, 이는 미래에 큰 비용을 들여 감축 노력을 하는 것보다 지금 낮은 비용으로 감축할 수 있는 기회를 최대한 활용하는 것이 합리적임을 보여줌
ㅇ (시나리오별·에너지원별 발전량)
- (기준시나리오, Baseline) 부족한 전력의 대부분을 천연가스 발전과 태양광으로 충족할 것으로 예측되었으며, 석탄의 역할이 지속적으로 감소하고, 2050년에 가까이 가면서 수소 터빈과 해상 풍력을 일부 도입
- (탄소중립 시나리오, NZ2050; 기후대기 통합관리 시나리오, NZ2050ENV) 석탄의 발전량이 급격히 감소하고 그 자리를 태양광, CCS, 수소 터빈, 육상 및 해상풍력이 점차 대체하는 것으로 분석됨. 후반부로 갈수록 천연가스 발전 또한 이들 저탄소 기술들에 의해 대체되며 태양광 등 변동성이 높은 재생에너지의 보급이 확대될수록 양수, ESS 등 전력 저장기술의 역할이 커짐
- (기술발전 시나리오, NZ2050Et) CCS와 수소 터빈의 역할이 태양광과 풍력으로 대부분 대체되는 것으로 분석됨. 전력 저장기술과 수전해 수소생산을 위한 전력 소비량도 2046~2050년에 특별히 높은 수준을 보임
- (누적 배출예산 시나리오, NZ2050EtB) 석탄발전의 역할이 초기부터 급속히 감소하는 경향을 보이고, 천연가스의 역할이 증가하며 전반부의 배출량이 크게 줄어들게 됨. 이러한 조기 감축분은 후반부에 재생에너지와 수소 터빈을 통한 감축 필요성을 감소시키는 역할을 하고, 이에 따라 후반부까지 천연가스의 역할이 유지되는 결과를 보여줌
ㅇ (시나리오별 대기오염물질 배출량 분석)
- ‘기후대기 통합관리 시나리오(NZ2050ENV)’는 대기오염물질의 배출이 ‘탄소중립 시나리오(NZ2050)’보다 추가로 감소하는 효과를 보여주는데, ‘탄소중립 시나리오(NZ2050)’ 대비 질소산화물 8.4%, 황산화물 8.6%, 초미세먼지 3.0%, 암모니아 0.7%, 휘발성유기화합물 1.3%가 추가로 감소할 것으로 예측됨
- 재생에너지의 보급 잠재력이 크게 확대되는 경우를 가정한 ‘기술발전 시나리오(NZ2050Et)’에서는 대기오염물질의 감소 폭 또한 크게 확대되는 것을 볼 수 있는데, ‘탄소중립 시나리오(NZ2050)’ 대비 감소율은 질소산화물 32.8%, 황산화물 19.6%, 초미세먼지 29.5%, 암모니아 37.5%, 휘발성유기화합물 31.6%로 분석됨
ㆍ재생에너지의 보급 잠재력 확대가 제한될 경우, 대기오염 부담금과 같은 정책 수단은 배출감소 효과에 한계가 있음을 보여주는 것으로 판단됨
- ‘누적 배출예산 시나리오(NZ2050EtB)’에서는 ‘기술발전 시나리오(NZ2050Et)’와 동일한 조건을 반영하였음에도 불구하고 황산화물을 제외하곤 ‘기술발전 시나리오(NZ2050Et)’보다 배출이 늘어나는 현상이 관찰됨
ㆍ‘누적 배출예산 시나리오(NZ2050EtB)’의 경우 재생에너지의 역할이 줄고 석탄을 천연가스로 대체하는 대안이 더 적극적으로 활용됨에 따른 것임
ㅇ (대기오염 피해비용 분석)
- 기준 시나리오에서 2026~2050년 29.8조 원에 달하는 대기오염 피해비용이 ‘탄소중립 시나리오(NZ2050)’에서는 19.7조 원으로 33.8% 감소하는 것으로 분석되었으며, ‘기후대기 통합관리 시나리오(NZ2050ENV)’의 대기오염 피해비용은 17.8조원으로 기준 시나리오보다 40.1% 감소, ‘기술발전 시나리오(NZ2050Et)’에서는 13.3조 원으로 55.3% 감소하며, ‘누적 배출예산 시나리오(NZ2050EtB)’에서는 12.6조 원으로 57.7% 감소하는 것으로 평가(그림 5 참조)
ㅇ (전력공급비용 분석)
- ‘누적 배출예산 시나리오(NZ2050EtB)’의 총비용이 정책 시나리오 중 가장 비용효율적인 시나리오인 것으로 분석됨
- ‘누적 배출예산 시나리오(NZ2050EtB)’는 배출권거래제를 시행하는 경우 배출권의 이월을 보장함으로써 실현할 수 있는 정책 시나리오로, 우리나라에서도 배출권거래제를 시행하고 있고 전력부문이 포함되어 있기 때문에 현재 우리나라 정책환경에도 부합하는 시나리오임. 다만 현재 우리나라의 배출권거래제에서는 5년 단위로 계획기간을 설정하고 계획기간을 넘어가는 이월에 대해서는 엄격한 제한을 두고 있어서 현행 배출권거래제 규칙을 유지하는 경우에는 ‘누적 배출예산 시나리오(NZ2050EtB)’의 이행이 불가능하므로 이월 제한 규정의 완화가 필요함을 보여줌.
Ⅴ. 요약 및 결론
□ 최적화 모형을 활용한 시뮬레이션 결과 ‘탄소중립 시나리오(NZ2050)’에서는 2026~2050년간 약 2,120.8조 원의 비용이 발생할 것으로 평가
ㅇ 기준 시나리오보다 약 15.4%(282.5조 원) 증가한 수준으로, 항목별로는 투자비용과 고정운영비는 증가하는 반면 변동비용과 대기오염 피해비용은 감소
ㅇ ‘탄소중립 시나리오(NZ2050)’는 발전기의 가동 우선순위가 배출권 가격을 반영하여 결정된다는 전제하에 최적화된 급전 운영을 가정한 것인데, 현재의 전력시장 운영규칙이 최적화된 급전 운영을 차단하고 있고 발전사의 배출권 구입비용을 정부가 보전함으로써 배출권거래제가 효과적으로 작동하지 못하고 있는 실정
ㅇ 전력시장과 탄소시장의 왜곡이 해소되지 않을 경우 탄소중립은 물론 2030년 감축목표 달성을 위한 비용이 본 연구에서 추정한 값보다 훨씬 커질 수 있을 뿐만 아니라, 자칫 감축목표 달성 자체가 어려워질 수 있음
□ ‘기후대기 통합관리 시나리오(NZ2050ENV)’에서는 2026~2050년간 총비용이 ‘탄소중립 시나리오(NZ2050)’ 보다 7,090억 원 낮은 수준으로 평가
ㅇ 대기오염물질 감소를 위한 대기관리정책 강화로 공급비용은 1조 1,510억 원 증가하였지만, 대기오염 피해비용이 1조 8,600억 원 감소함으로써 총비용이 낮아짐
ㅇ 기후정책과 대기정책을 통합·연계하여 추진할 경우 사회적 비용을 감소시킬 수 있음을 보여줌
- 현재 시행 중인 배출부과금 제도는 부과금 요율이 낮고 감면 대상이 많아 대기오염 피해비용을 내부화하기에는 크게 부족함에 따라, 대기오염 피해비용을 적절히 반영할 수 있는 부담금 요율의 현실화와 감면 조건 강화가 필요
□ 재생에너지의 보급 잠재력이 높아지는 경우를 가정한 ‘기술발전 시나리오(NZ2050Et)’에서는 ‘기후대기 통합관리 시나리오(NZ2050ENV)’보다 대기오염물질이 5.5% 감소하는 것으로 분석
ㅇ 태양광, 풍력 등 재생에너지의 보급 잠재력이 높아질 경우 큰 폭의 비용 절감이 가능하다는 점을 시사
ㅇ 다만 재생에너지 잠재력이 기준 시나리오의 2배 수준까지 증가하기 위해서는 상당한 수준의 기술발전이 이루어진다는 전제가 필요
ㅇ 재생에너지 기술발전을 위한 투자 가치의 규모를 가늠해 볼 수 있는 시나리오
□ ‘누적 배출예산 시나리오(NZ2050EtB)’에서의 총비용은 ‘기술발전’시나리오와 대비하여 3.3% 감소
ㅇ 2026~2050년 총배출량을 ‘탄소중립 시나리오(NZ2050)’와 동일하게 유지한다는 전제하에 연도별 혹은 기간별 배출량을 자유롭게 결정하는 경우 감축비용이 절감될 수 있음을 시사
ㅇ 배출권거래제도의 이월 제한규정 완화 혹은 철폐 필요

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ⅰ. Background and Purpose of the Study
□ The Special Report on Global Warming of 1.5°C (IPCC, 2018) indicates that when the rise in the global average temperature is suppressed to less than 1.5°C as compared to pre-industrial levels, climate change risks can be significantly reduced. Therefore, achieving global carbon neutrality by 2050 is essential.
ㅇ In 2019, 73 countries announced plans for achieving carbon neutrality by 2050 (Japan by 2050, China by 2060). In 2021, the Biden administration declared that the United States will achieve carbon neutrality by 2050. Therefore, reaching carbon neutrality is a new normal that can no longer be disputed over.
□ In October 2020, Korea declared that it will achieve carbon neutrality by 2050. To achieve this vision, it submitted the “Long-term Low Greenhouse Gas Emission Development Strategy (LEDS)” to the UN in December 2020.
ㅇ In 2018 (the base year), Korea’s greenhouse gas emissions amounted to 683.6 million tons of CO₂eq. Therefore, a major overhaul in all areas of the society and economy is essential to reduce and absorb these emissions.
- Accordingly, the Korean ministry proposed the “2050 Carbon Neutral Strategy” in December 2020, and revealed the “2050 Carbon Neutral Scenario” (2050 Carbon Neutral Committee, 2021) in October 2021.
- To promote the effective implementation of these carbon-neutral strategies, it is necessary to present a reasonable policy implementation direction based on the analysis of the environmental and economic spillover effects.
ㆍIn particular, the power generation sector has the greatest potential for emissions reduction. Therefore, it is imperative to closely examine the impact of major greenhouse gas reduction measures (such as the shutdown of coal-fired power generation and adoption of hydrogen fuel cells and carbon-free power sources) on air quality, human health, and greenhouse gases.
□ Determining policy implications of the 2050 low-carbon power generation strategy by quantitatively analyzing the effect of carbon neutrality by 2050 on greenhouse gases, atmosphere, and health effects
ㅇ By employing a power sector optimization model, air pollution emissions from the power generation sector are predicted according to the carbon-neutral scenario. Consequently, the impact of air pollution on human health is quantitatively estimated by region.
ㅇ Based on the results of quantitative analysis, the implications of environmental and energy policies aimed at achieving carbon neutrality are determined, which include tasks for each sector of climate, atmosphere, energy, and health, as well as interconnection systems.
Ⅱ. Analysis of Carbon Neutrality Strategies and Related Plans
1. 2050 Carbon Neutral Strategy
□ 2050 Long-term Low Carbon Power Strategy (December 2020)
ㅇ (Background) The Paris Agreement recommends each party to establish a long-term low-carbon development strategy by 2020 taking into consideration a long-term vision of climate change response policies.
ㅇ (Vision) Korea aims to achieve carbon neutrality by 2050 through the following steps:
- Combine green and digital technologies to create synergy, make bold investments, and support climate technology innovation
- Play a leading role in helping the international community make joint efforts to achieve carbon neutrality by 2050
ㅇ (Basic principle) In collaboration with the international community’s efforts to cope with climate change, a sustainable virtuous cycle of carbon-neutral society should be established while promoting the common efforts of citizens.
ㅇ (Means to reduce power generation) Power supply centered on renewable energy, expansion of the fuel cells and green hydrogen industries, and application of CCUS technology to fossil fuel power generation are the primary measures aimed at reducing emissions.
□ 2050 Carbon Neutral Promotion Strategy (Draft) (December 2020)
ㅇ (Vision) Achieve carbon neutrality, economic growth, and enhanced quality of life at the same time taking an active approach including developing new economic and social development strategies, breaking away from adaptive emission reduction centered on greenhouse gas reduction
ㅇ (3+1 strategy promotion) This strategy aims to decarbonize the economic structure, create a promising low carbon industry ecosystem, facilitate the transition to a carbon-neutral society, and strengthen the foundation for carbon neutrality policies.
- (Optimize the power generation sector) A carbon-neutral innovation strategy should be adopted for energy conversion (scheduled for fourth quarter of 2021, Ministry of Trade, Industry and Energy).
□ Implementation plan proposed by the Ministry of Environment for achieving carbon neutrality (March 2021)
ㅇ (Vision) A carbon-neutral society in 2050 should exhibit the following characteristics: ① net-zero emissions, ② economic growth, and ③ an inclusive society.
ㅇ (Task in the power generation sector) Renewable energy power generation based on different approaches:
- Expanding the development of water and solar power systems operated by residents
- Promoting the use of eco-friendly hydrothermal energy
- Promoting offshore wind power generation by improving the environmental impact assessment system
- Establishing a base for the production and supply of renewable energy for basic environmental facilities
- Establishing a roadmap for supplying and expanding renewable energy using environmental resources
□ 2050 Carbon Neutral Scenario (October 2021)
ㅇ (Vision) Based on the five basic principles of responsibility, inclusion, fairness, rationality, and innovation, a sustainable carbon-neutral society that is safe from the climate crisis should be developed.
ㅇ (Power generation sector) Plan A completely shuts down thermal power plants and does not generate greenhouse gas emissions in the energy transition sector, and Plan B discards coal-fired power generation but uses LNG power generation as a flexible power source.
2. Nationally Determined Contributions (NDC) and Related Plans
□ 2030 Amendment to the National Greenhouse Gas Reduction Roadmap (July 2018)
ㅇ (Basic direction) Improving the possibility of implementing the national greenhouse gas reduction goals promised to the international community.
ㅇ (Reduction target) Emission volume should be reduced to 536.0 million tons of CO₂eq (22.3% reduction compared to 2015):
- After achieving a reduction in emissions from the domestic sector, the emission volume should be 574.3 million tons of CO₂eq. The residual amount must be 38.3 million tons of CO₂eq, which can be achieved using forest absorption sources and overseas reduction.
ㅇ (Reduction goals in the power generation sector) The emission volume should reduce to 192.7 million tons of CO₂eq by 2030, which can be achieved by improving the power generation infrastructure, strengthening the eco-friendly power generation mix, developing collective energy practices, and reducing potential emissions.
□ Enhanced 2030 NDC (October 2021)
ㅇ (Reduction target) The reduction target was significantly raised (40% reduction compared to 2018); after the reduction target is achieved, the emission volume should be 436.6 million tons of CO₂eq.
ㅇ (Reduction goals in the power generation sector) The emission volume should reduce to 149.9 million tons CO₂eq by 2030, which can be achieved by reducing coal power generation, increasing renewable energy generation, augmenting carbon-free gas turbines (ammonia turbine), and increasing the supply of renewable energy.
3. Plans related to energy
□ The Third Basic Energy Plan (June 2019)
ㅇ (Overview) Under Article 41 of the Framework Act on Low Carbon Green Growth, the entire period of this plan has been set to 20 years and detailed initiatives will be implemented every five years; therefore, it takes into account the philosophy, vision, goals, and implementation strategies of mid- to long-term energy policies.
ㅇ (Vision) Sustainable growth and improvement of people’s lives through energy transition, which can achieved by:
- A paradigm shift in energy policy with a focus on the reform of the consumption structure
- Adoption of a clean and safe energy mix
- Expanding the distributed and participatory energy system
- Strengthening the global competitiveness of the energy industry
- Expanding the foundation for energy transition
□ The Ninth Basic Plan for Power Supply and Demand (January 2021)
ㅇ (Overview) This plan is implemented every two years under Article 25 of the Electricity Business Act and Article 15 of the Enforcement Decree in order to forecast mid- to long-term electricity demand and expand electricity facilities.
ㅇ (Basic direction) Make changes to the environmental policy in Korea based on the implications derived from overseas cases:
ㆍIncreasing need to change energy policy to adopt a safe and clean power mix (the Third basic energy plan (pages 20-24): comprehensive plan for fine dust management).
ㆍPreparation of measures for the transition sector to further reduce greenhouse gas emissions (a modified(revised) roadmap for greenhouse gas reduction whose details should be drawn up in connection with the 2030 NDC).
ㆍNeed to accelerate investment in new and renewable energy sources for the transition to a low-carbon economy and society (Korean version of the Green New Deal Comprehensive Plan).
ㅇ (Reduction goals) The greenhouse gas emissions should reach 196.2 million tons of CO₂eq by 2030 and a 57% reduction in fine dust emissions must be achieved (compared to 2019). These goals can be achieved by closing down 24 coal power plants for 30 years, imposing constraints on annual electricity generation of remaining coal plants, improving environmental facilities, and implementing a management system in the fine dust season.
4. Plans and policies fine dust management
□ Comprehensive Plan on Fine Dust Management (2020-2024) (November 2019)
ㅇ (Overview) A legal plan is established every five years based on Article 7 of the Special Act on the Reduction and Management of Fine Dust, which presents policy directions and tasks for fine dust reduction and management over the next five years.
ㅇ (Vision) The aim is to achieve clean air in Korea without fine dust.
ㅇ (Reduction target) Annual average concentration of ultrafine dust (PM_2.5) should reach 16 ㎍/m³ in 2024 (35% reduction compared to 2016) through the following steps:
① Reducing coal-fired power generation and fine dust emission:
ㆍOwing to the implementation of intensive reduction measures in the high concentration season, the shutdown period of coal plants will be changed from the spring season (March to June) to the winter season (December to March), and will apply to more plants.
ㆍThe upper limit constraint (about 80% of coal power output) will be adjusted to a regular level during the high concentration season.
ㆍThe closure of old coal power plants will be rescheduled.
ㆍThe investment for green facilities used in coal power generation will be increased (such as dust collection, desulfurization, and desorption facilities), while technologies to reduce air pollutants are being developed.
ㆍKeeping coal storage yards indoor is being promoted.
② Expansion of renewable energy sources, transition to eco-friendly energy through environmental dispatch, and strengthening the management of blind spots such as small power plants in islands
ㆍExpansion of supply to increase the proportion of renewable energy generation as proposed in the Third Basic Energy Plan
ㆍImproving the competitiveness of eco-friendly power generation prices through the implementation of environmental dispatch by reflecting environmental costs such as drug treatment costs and emission trading costs.
ㆍReinforcing the management of air pollutant emissions for 18 power plants in islands
ㆍPromoting the conversion of fuel used in island power plants into eco-friendly fuel
□ Basic Plan for Air Quality Control in Air Control Zones (2020-2024)(April 2020)
ㅇ (Overview) The basic plan for air quality control for each air control zone is subordinate to the “Comprehensive Fine Dust Management Plan (2020-2024)”, which is the top-level plan; subsequently, a detailed reduction plan is established for areas requiring wide-area management in consideration of the mutual regional impact.
ㅇ (Reduction means in the power generation sector) Implementing an air pollutant management system in the place of business:
- The total amounts of air pollutants allowed to be discharged every year are allocated to each place of business, and pollutants to be discharged are regulated within the quota.
ㆍIf the total amount of air pollutants actually emitted exceeds the maximum amount allowed to be emitted a penalty surcharge is imposed and the total amount allowed to be discharged in the following year is reduced.
- Places of business that emitted lower amounts than their quota can sell the total remaining emission allowance, and places of business that emitted larger amounts than their quota can purchase emission allowances within the same area.
- Under the Clean Air Conservation Act, the place of business to which total permissible emission volume of pollutants subject to the total volume control is allocated is exempt from the basic charge for air pollutants subject to the total volume control ; the emission allowance standard has been lowered to 130% for three types of place of business with annual pollutant emissions of less than 20 tons.
Ⅲ. Carbon Neutrality Analysis Methodology in the Power Generation Sector
1. Optimization model for power generation
□ Establishing an optimization model for construction and operation of power generation facilities using linear programming
ㅇ Since the employed method is a form of mathematical programming, it comprises an objective function, a constraint for optimization, optimized variables, exogenous parameters, and sets connecting their relationships.
ㅇ The construction and operation plans for various power plants, which were to meet the electricity demand during the analysis period, are derived by solving the optimization problem.
ㅇ Optimization model objective function:
ㅇ Operation constraint
ㅇ Demand constraint:
ㅇ Reserve rate constraint:
ㅇ Storage system constraint:
ㅇ Emission constraint:
ㅇ Sets and elements:
- k: Electric generator
- s: Storage device
- r: Demand section
- v: Construction year
- cp: Planned period
ㅇ Parameters:
- df: Discount rate
- INV_k,t: Investment cost (annual equalization cost)
- FC_k,t: Annual fixed cost
- L_k: Life span
- VC_k,t,r: Variable cost
- CF_k,t,r: Maximum utilization rate
- self_k: Auxiliary Power Ratio
- RF_k,t: Peak Load Contribution
- RM_t: Target reserve rate
- D_t,r: Demand
- stf_s: Storage system efficiency
- CO₂coef_k,t,r: CO₂ emission factor
- CO₂cap_cp: Emission variable during the planned period
ㅇ Variable
- P_k,t,r: Amount of electricity generated
- N_k,v: Capacity of new generator
- st_s,t,r: Power storage
□ Input data
ㅇ Major assumptions - To derive a stable optimal solution within an appropriate timeframe, 8,760 hours are grouped into 48 groups (time periods of 6:00-9:00, 9:00- 12:00, 12:00-14:00, 14:00-16:00, and 16:00-22:00 for four seasons, including weekdays and weekends) to reduce the analysis units.
ㅇ Input data
- The main input data include the status of power generation facility, power demand, annual power demand growth rate, generator efficiency, emission coefficients by generator, initial investment cost, grid connection cost, fuel cost, operation maintenance cost, hot start-up cost, technological characteristics data, water generator technological characteristics data, date of preventive maintenance, and use rate by renewable energy source by time slot.
2. Analysis methodology for the cost of health damage caused by air pollution
□ Status of overseas research
ㅇ Enerdata (2014)
- A study was conducted to evaluate changes in health effects when implementing the low-carbon power generation strategy of the European Union (EU).
- PM_2.5 and PM_2.5 precursors, NOx, and SO₂ were evaluated to estimate their adverse effects on health and determine the health benefits of reducing their concentrations.
- The health benefits were estimated using the estimated figures of health benefits related to fossil fuel power generation presented in the study conducted by the European Environment Agency (2008).
ㅇ WHO (2018)
- Developing a tool for estimating health benefits (CaRBonH) obtained by the strategy implementation:
ㆍEvaluating the impact of implementing strategies on health in EU member states: Quantifying the reduction in the number of patients with asthma and bronchitis as well as deaths.
ㆍEstimation of health benefits due to PM_2.5 reduction by 2030: Assessment of cost of illness (COI), VSL, VOLY, etc. and derivation of death benefits
- Methodology of CaRBonH for quantifying adverse health effects due to PM_2.5 reduction
ㆍQuantification of health effects is expressed as:
CR function = (RR-1/RR) (1/PM_2.5 concentration change) × prevalence × target population fraction
ㆍQuantification of health benefits is expressed as: Health benefits = Exposed population × CR function × Damage cost in early death units
□ Current status of domestic research
ㅇ Kim et al. (2019)
- The changes in PM_2.5 concentration are calculated using the rate of PM_2.5 conversion by air pollutant and source of pollution presented in preceding domestic studies.
- The number of premature deaths due to long-term exposure to PM_2.5 was predicted, and the concentration-response function (CRF) presented by Hoek et al. (2013) was applied to adults aged 30 or older by each metropolitan local government.
ㅇ Kim et al. (2020)
- The CRF by Hoek et al. (2013) is applied to adults aged 30 or older at the metropolitan local government level to estimate the reduction of early deaths due to the implementation of the seasonal fine dust management system.
- The health benefits estimated using VSL range from about 153 billion KRW to 308.2 billion KRW.
ㅇ Comprehensive Environmental Value Information System (EVIS): a health impact value evaluation toolkit
- Based on the results of preceding studies, a toolkit was established in EVIS that can monetize long-term exposure to PM_2.5 due to the emission of major air pollutants.
- When calculating changes in PM_2.5 concentration, the rate of conversion of PM_2.5 by air pollutant and source of pollutants presented in the existing domestic studies is used.
- The health impact valuation involves setting of the areas for evaluation, quantification of health effects, monetarization of health effects, and derivation of results.
ㆍThe CRF by Hoek et al. (2013) can be used for evaluating health effects due to long-term exposure to PM_2.5; other functions can also be arbitrarily applied.
ㆍThe unit value applied when monetizing health effects can be selected through meta-analysis, or any other value can also be applied.
ㅇ Bae et al. (2020)
- CRF of air pollution and health effects:
Y=y₀×(e^βΔx-1)×POP
ㆍβ: Derived from the environmental epidemiological research, this variable represents the health effects according to changes in the concentration of the air pollutants
ㆍΔX: Reflects the changes in air pollutant concentration values, which in turn indicates the prevalence or mortality, thereby revealing the basic health status of the target population group
ㆍPop: Represents the number of people exposed to changes in the concentration of air pollutants
- Establishment of an evaluation model for health risk caused by exposure to PM_2.5
ㆍBy employing BenMAP, GIS data, population, and socioeconomic data, the air pollution, mortality, and prevalence data of different domestic administrative districts are integrated. Consequently, a health risk assessment model according to the improvement in fine dust concentrations is established.
ㆍThe health risks due to PM_2.5 exposure were estimated, and the health benefits obtained through achieving the objectives of the Comprehensive Plan on Fine Dust were estimated along with those obtained when annual fine dust concentration levels meet the standards recommended by the World Health Organization.
□ Application methodology
ㅇ (Target diseases) Based on the preceding studies and the health effects of air pollutants that are expected to change due to the implementation of low-carbon power generation strategies, early death of adults over 30 years of age is selected as an evaluation index.
ㅇ (Quantitative methodology) Kim et al. (2019) applied the CRF of Hoek et al. (2013) to early deaths that occurred to adults over the age of 30.
- The methodology of Kim et al. (2019), which can calculate damage costs for each pollutant based on emissions, was applied.
ㆍThe national average estimate was reflected by applying the inter-regional concentration contribution rate by dividing it into regional damage costs, while the OECD (2012) estimate was used for the death risk reduction value (VSL).
Ⅳ. Carbon Neutrality Scenario Analysis in the Power Generation Sector
□ Structure of the scenario
ㅇ (Standard Scenario, baseline) This scenario supposes a case where achieving carbon neutrality is not a policy goal and it is the criteria for evaluating various policy scenarios.
ㅇ (Carbon Neutrality Scenario, NZ2050) Scenario of reducing carbon dioxide emissions in the power sector to '0' by 2050:
- Following the path on the existing greenhouse gas reduction roadmap up to 2025 and assuming a path that linearly decreases emissions from 2025 to 2050
- Meet the constraint on a five-year basis that the total emissions for five years should amount to the sum of the target emissions for five years
ㅇ (Integrated Management of Climate and Air Scenario, NZ2050ENV) Scenario that implements additional regulations on air pollutant emissions as well as greenhouse gas regulations
- Evaluates the efficiency of the integrated management of climate and air through cost-effectiveness analysis of the integrated management of air pollutants and greenhouse gases
- As a means of strengthening the air pollution policy, the cost of damage caused by air pollutant emission is estimated and reflected in the total cost.
ㅇ (Technology Development Scenario, NZ2050Et) This is a scenario in which the annual renewable energy supply is doubled:
- The effect of an increased potential of renewable energy supply according to technological development is analyzed.
- It assumes that the annual new supply of solar power is 40 GW, land-based wind power is 2 GW, offshore wind power is 4 GW, and pumped-storage hydropower is 4 GW.
ㅇ (Cumulative Emission Budget Scenario, NZ2050EtB) This scenario analyzes the changes in cases where annual reduction targets are achieved from 2026 to 2050, regardless of the year or emission allowance implementation period (instead of achieving annual reduction targets on a five-year basis)
- This scenario is feasible only when the emission trading system allows the transfer of emission rights.
- It involves the analyses of the results associated with the flexibility of the distribution of emissions over time, given that climate change is a variable to which the total quantity of emissions over a long period of time matters.
□ Simulation results and interpretation
ㅇ (Greenhouse gas emission) Under the standard scenario, carbon dioxide emissions continued to increase until 2046 and then began to decline. While Carbon Neutrality (NZ2050), Integrated Management of Climate and Air (NZ2050ENV), and Technology Development (NZ2050Et) scenarios showed similar paths, the Cumulative Emission Budget (NZ2050EtB) scenario showed a path where large-scale reduction of emissions occurs from the beginning.
- The result shows that reducing greenhouse gases at the initial stage is more advantageous in terms of cost, which implies that it is reasonable to make the most of the opportunity to reduce them at a lower cost now than reducing them in the future.
ㅇ (Power generation by scenario and energy source)
- (Standard Scenario) It is predicted that natural gas-fired power generation and solar power will supplement most of the power shortage, and the role of coal will continue to decline. As 2050 approaches, hydrogen turbines and offshore wind power will be introduced even in the standard scenario.
- (Carbon Neutrality Scenario) The results reveal that coal-fired power generation decreases rapidly, and solar, CCS, hydrogen turbine, and land-based/offshore wind power gradually replace it. Natural gas-fired power generation is also replaced by these low-carbon technologies as time passes. Consequently, as the supply of highly volatile renewable energy such as photovoltaics increases, the role of power storage technologies (positive energy, ESS, etc) becomes more important.
- (Technology Development Scenario) The results reveal that the roles of CCS and hydrogen turbines will mostly be fulfilled by solar and wind power. Power storage technologies and power consumption for hydrogen production from water electrolysis were at a particularly high level between 2046 and 2050.
- (Cumulative Emission Budget Scenario) Coal-fired power generation tends to decrease rapidly from the beginning; meanwhile, natural gas-fired power generation increases, thereby further reducing emissions in the first half. This early reduction plays a role in reducing the need for emissions reduction through renewable energy and hydrogen turbines in the second half; this results in the role of natural gas being maintained until the second half.
ㅇ (Analysis of air pollutant emissions by scenario)
- In the Integrated Management of Climate and Air scenario, the emission of air pollutants is further reduced compared to the Carbon Neutrality scenario. Nitrogen oxides, sulfur oxides, ultrafine dust, ammonia, and volatile organic compounds were reduced by 8.4%, 8.6%, 3.0%, 0.7%, and 1.3%, respectively.
- In the Technology Development scenario which assumes that the potential for renewable energy supply is greatly expanded, nitrogen oxides, sulfur oxides, ultrafine dust, ammonia, and volatile organic compounds were reduced by 32.8%, 19.6%, 29.5%, 37.5%, and 31.6%, respectively, compared to the Carbon Neutrality scenario.
ㆍIf the potential of renewable energy expansion is limited, it is judged that policy measures such as air pollution charge will have a limited effect on emissions reduction.
- Although the same conditions with the Technology Development scenario were set in the Cumulative Emission Budget scenario, the emissions increased compared to the Technology Development scenario (except for sulfur oxides).
ㆍIn the case of the Accumulated Emission Budget scenario, the role of renewable energy is reduced and coal was more actively replaced with natural gas.
ㅇ Analysis of damage cost due to air pollution
- Damage costs of air pollution were 29.8 trillion KRW from 2026 to 2050 in the Standard scenario and it decreased by 33.8% to 19.7 trillion KRWin the Carbon Neutrality scenario. In the Integrated Management of Climate and Air scenario, the costs were reduced to 17.8 trillion KRW by 40.1% compared to the Standard scenario, and 12.6 trillion KRW (57.7% decrease) in the Technology Development scenario.
ㅇ (Estimation of power supply costs)
- It is analyzed that the Cumulative Emission Budget scenario is the most cost-effective in terms of the total cost among all the policy scenarios.
- The Cumulative Emission Budget scenario can be realized by insuring carry-over credits in the emission trading system. Therefore, implementing the Cumulative Emission Budget scenario in Korea is also feasible However, since Korea’s emission trading system currently sets a five-year planning period and imposes strict restrictions on carry-over credits outside the planned period, the implementation of the Cumulative Emission Budget scenario is impossible if the current regulation is maintained.
Ⅴ. Conclusion
□ Based on the simulation performed using the optimization model, the Carbon Neutrality scenario is estimated to cost about 2,120.8 trillion KRW between 2026 and 2050.
ㅇ This represents an increase of about 15.4% (282.5 trillion KRW) of the cost of the Standard scenario, with an increase in the investment and fixed operating costs and a decrease in the variable costs and damage costs of air pollution.
ㅇ The Carbon Neutrality scenario assumes the optimized power supply operation on the premise that the priority of generator operation is determined by the corresponding prices of emission allowances. The current power market rules block the optimized power supply operations and the government compensates for the cost of emission allowances, which results in the ineffective operation of the trading system.
ㅇ If the gap between the power market and the carbon market is not resolved, the cost of achieving the 2030 reduction goal as well as carbon neutrality could be much higher than proposed in this study, and it should be recognized that the reduction goal itself could be difficult to achieve.
□ In the Integrated Management of Climate and Air scenario, the total cost between 2026 and 2050 is estimated as lower than that in the Carbon Neutrality scenario by 709 billion KRW.
ㅇ The cost of supply increased by 1,151 billion KRW due to strengthened air management policies that are aimed at reducing air pollutants; however, the total cost decreased by 1,860 billion KRW as air pollution damage costs decreased by 186 billion KRW.
ㅇ This result implies that social costs can be reduced if climate policy and air policy are comprehensively promoted.
- As the emission charge system currently in effect has a low levy rate and there are many cases of exemption, it is not enough to reflect air pollution damage costs; therefore, it is necessary to adjust the rate reflecting the reality and strengthen the conditions for exemption.
□ In the Technology Development scenario which assumes that the supply potential of renewable energy increases, the costs decrease by 5.5% compared to the Integrated Management of Climate and Air scenario.
ㅇ This suggests that it is possible to significantly reduce costs if the potential for supplying renewable energy such as solar and wind power increases.
ㅇ However, to double the potential for the renewable energy presented in the Standard scenario, it is necessary that a considerable level of technological development is achieved.
ㅇ This is a scenario which makes it possible to estimate the value of investment in the renewable energy technology development.
□ The total cost in the Cumulative Emission Budget scenario decreased by 3.3% compared to the Technology Development scenario.
ㅇ This suggests that the emission reduction cost can be greatly decreased if the annual emissions or emissions in a certain period are freely determined under the premise of maintaining the same total emissions between 2026 and 2050 as in the Carbon-Neutrality scenario.
ㅇ It is necessary to ease or abolish the restrictions on carry-over credits in the emission trading system.