해조류 바이오매스 에너지화 사업의 경제적 타당성과 파급효과 분석

2.1 다시마 생산성

해조류에 속하는 다시마(Laminaria)를 이용하여 메탄과 에탄올, 바이오오일로 구성된 바이오연료(Biofuel) 생산단계를 거쳐 최종 생산물로 휘발류와 에탄올, 등유를 생산하는 에너지화 사업^①의 경제성을 분석하였다. 아직까지 세 가지 바이오연료를 동시에 생산할 수 있는 기술 수준에 이르지는 못하고 있으나 중장기적으로는 미국 에너지부 연구에 기초^②하여 세 가지 바이오연료를 생산할 수 있을 것으로 가정하였다(Roesijadi et al., 2010).⁹⁾

우선 다시마 생산단가는 건조중량 톤당 $112로 가정^③하고, 정상가동시 건조중량 기준 연간 50만톤의 다시마를 생산할 수 있는 것으로 전제하였다(Table 1).

Table 1.

Production Costs and Productivity of Various Macro Algae

Table 2.

Bioenergy conversion rate and production costs of macroalgae

전체 사업기간은 2013~2030년으로 총 17년을 사업기간으로 하였고, 이는 해조류바이오매스사업단(ABRC: Aquatic Biomass Research Center)의 자료에 기초하였다. 또한 다시마를 이용하여 메탄과 에탄올, 바이오오일(HTL Biocrude)을 생산하기 위한 에너지 전환율은 각각 0.124m³/kg, 0.254 kg/kg, 0.2278kg/kg으로 전제하였다^④. 이때 바이오 오일은 경질유(light oil)만을 대상으로 하였다.

한편 다시마의 생산성(건조중량 기준 59톤/헥타르/연)을 기준^⑤으로 다시마 생산량을 초기에는 목표 생산량 50만톤의 10%인 5만톤에서 로지스틱 함수형태로 증가하는 것으로 가정하였다(Fig. 1). 이때 사용된 로지스틱 함수는 다음과 같다.

Fig. 1.

Logistic pathway on annual production of Laminaria (dry metric ton)

(Y(t): 시간 t에서의 생산성, Y₀: 초기 생산성, r: 성장률로 0.5 사용)

통상 로지스틱 함수는 생물의 생애주기 동안의 성장 패턴을 나타내기 위해 많이 사용되며, 해조류 바이오매스 역시 생물이기 때문에 유사한 패턴을 따를 것이라고 가정한 것이다.

에너지 전환율을 감안한 메탄과 에탄올, 바이오오일의 최종 연간 생산량은 각각 61.8백만³, 127천톤, 113.9천톤으로 전제하였다. 최종 에너지인 휘발류와 에탄올, 등유 생산량도 로지스틱 함수를 따르는 것으로 전제하였다(Fig. 2).

Fig. 2.

Logistic pathway of methane, ethanol, and biooil

한편 메탄, 에탄올, 바이오오일별로 사업 투자비는 각각 41.5백만달러, 243백만달러, 151백만달러이고, 유지비는 각각 4.2, 29.3, 19백만달러로 전제하였다(Table 3). 또한 환율은 달러당 2012년 연평균인 1126.25원을 적용하였다.

Table 3.

Investment and maintenance costs for producing energy

한편 메탄과 에탄올, 바이오오일을 이용하여 석유제품을 최종생산하기 위해서는 추가적인 전환비용이 요구되며, Roesijadi et al.(2010)⁹⁾에 따르면, 메탄에서 휘발류로 전환하는 비용은 갤런당 1.5달러, 바이오오일에서 디젤로 전환하는 데에는 갤런당 1.2달러가 소요되는 것으로 추정되었다(Table 4). 이를 리터당 한화로 전환하면 가솔린 전환비는 446원/리터, 디젤은 357원이 소요된다. 본 연구에서는 디젤이 아닌 등유를 최종산물로 간주하였다.

Table 4.

Production costs of final products (2008 average USD)

또한 최종 에너지 생산물을 판매할 경우 판매 단가를 산정하기 위해 2008~2012년간 평균 휘발류, 자동차용 경유, 실내등유 가격을 이용하였다(에너지경제연구원, 2012¹⁴⁾). 1kcal당 단가로 환산하면 세 가지 석유제품 모두 0.1원이 되는 것으로 분석되었기 때문에, 메탄은 휘발류 기준, 바이오오일은 실내등유 기준으로 단가를 각각 리터당 각각 780원과 802원으로 계산하였고, 에탄올은 발열량이 휘발류 대비 90% 수준(6,992kcal/리터)이므로 리터당 701원으로 계산하였다.

한편 2008~2012년간 기간 연평균 석유제품의 가격 상승률은 3.38~5.9%이므로 각각 민감도 분석을 위해 저유가, 기준, 고유가 시나리오로 구분하였다. 저유가 시나리오는 연평균 2%씩 가격이 상승하고, 기준 시나리오는 3%, 고유가는 4%씩 매년 상승하는 것으로 가정하였다. 이에 따라 기준 시나리오의 경우 휘발류와 에탄올, 바이오오일 가격은 2013년 각각 780, 701, 802원에서 2030년에는 1,289, 1,158, 1,326원으로 상승한다고 전제하였다.

Table 5.

Sales price (before tax) for petroleum products

Fig. 3.

Prediction of prices for methane, ethanol, and biooil with Baseline scenario (3% oil price growth) (KRW/liter)

2.2 경제성 분석 기준

경제성 분석을 위해 산정된 비용과 편익을 할인율(discount rate)과 내구연한(duration period)을 이용하여 현재가치(present value)화 하고, 이에 기초하여 순현재가치(Net Present Value: NPV), 내부수익률과 편익비용비율(B/C ratio)을 산정하였다(Rosen and Gayer, 2010¹²⁾). 우선 편익(PVB)과 비용(PVC)의 현재가치는 아래의 공식을 이용하여 구할 수 있다. 이때 할인율은 r이고, 내구연한은 n으로 표시된다. 본 연구의 경우 할인율은 2011년 연평균 중소기업 자본대출이자율인 6.35%를 이용하고, 내구연한은 17년으로 하되, 공장건설기간 8년을 감안하였다. 이는 해양바이오매스기획위원회(2009)⁸⁾에서 전제하고 있는 2020년 기준 해조류 바이오매스 에너지화 시설의 상업적 가동 시기와 일치시키기 위해서 2013년부터 전체 건설기간을 2020년으로 전제하고, 이에 따라 투자비가 매년 동일한 비용이 투하된다고 가정했기 때문이다. 편익의 순현재가치에서 비용의 순현재가치를 제하면 순현재가치가 되며 이것이 0보다 크다면 해당 사업은 경제성이 있다고 판단할 수 있다. 또한 사업의 여러 대안이 있을 경우 순현재가치가 가장 큰 것을 선택해야 할 것이다. 한편 비용과 편익이 할인율을 통해 현재가치화되므로 먼 미래에 발생하는 비용과 편익일수록 현재가치는 감소한다고 볼 수 있다.

다음으로 내부 수익률(IRR: Internal Rate of Return)은 순편익의 현재가치를 0으로 만들어주는 할인율과 같다. 즉 비용과 편익의 현재가치가 같아지도록 만드는 할인율과 같아지게 된다.

다음으로 편익비용비율(B/C)법은 편익과 비용의 현재가치의 비율로 정의된다.

이 기준에 의하면 비율이 1보다 크면 편익의 현재가치가 비용의 현재가치보다 높기 때문에 높으면 높을수록 사업의 경제성이 좋은 것이고, 낮을수록 경제성이 감소된다.

3.1 기준 시나리오

기준 시나리오는 메탄과 에탄올, 바이오오일이 매년 3%씩 가격이 상승한다고 전제하였다. 우선 비용의 현재가치를 살펴보면, 2020년까지 일정하게 상승하다가 투자비가 소진된 이후 시점에서 크게 감소하고, 2030년까지 완만하게 감소함을 알 수 있다. 2013년 기준 비용의 현재가치는 83,755백만원이고, 2030년에는 67,869백만원으로 감소하는 것으로 분석되었다. 한편 수입의 현재가치는 2013년에는 26,230백만원에 불과하지만 2022년까지 로지스틱 형태로 증가하다가 그 이후에는 완만하게 2030년까지 감소함을 알 수 있다. 2030년의 수입의 현재가치는 151,952백만원으로 추산되었다.

수입에서 비용을 차감한 이윤은 초기에는 높은 투자비로인해 계속 손실이 발생하지만 2018년부터 이익이 발생하기 시작한다. 그 이후 2021년까지 급격하게 이익이 상승하다가 2028년부터는 완만하게 감소한다. 2013년의 이윤은 -57,524백만원에서 2030년의 이윤은 84,083백만원이다.

사업기간 순현재가치의 합은 669,330백만원이고, 편익/비용비율은 1.38, 내부수익률은 15.7%로 나타나 경제성이 있는 것으로 분석되었다. 다만 주의할 것인 해조류 바이오매스가 성공적으로 밀집 재배되고, 메탄, 에탄올, 바이오오일 복합 에너지화 사업 또한 성공적으로 상업화되었다는 전제를 감안하여야 할 것이다. 또한 자본 대출 이자율을 6.35%로 가정하였지만, 앞으로 자본 대출 이자율이 상승할 경우, 본 사업의 경제성이 감소할 수 있는 요인임을 고려하여야 할 것이다.

Fig. 4.

NPV for baseline scenario (Unit: Million KRW)

3.2 저유가 및 고유가 시나리오

한편 저유가 및 고유가 시나리오는 메탄과 에탄올, 바이오오일이 각각 매년 2%와 4%씩 가격이 상승한다고 전제하였다. 우선 저유가 시나리오의 경우 사업기간 순현재가치의 합은 444,446백만원이고, 편익/비용비율은 1.25, 내부수익률은 11.84%로 나타났고, 고유가 시나리오의 경우 사업기간 순현재가치의 합은 919,403백만원이고, 편익/비용비율은 1.52, 내부수익률은 19.23%로 나타나, 저유가와 고유가 시나리오 모두 경제성이 있는 것으로 나타났다. 즉 유가가 더 높게 상승할수록 경제성이 더 높은 것으로 나타났다. 그러나 유가가 상승하면 물가도 연동되어 상승하므로 제반 비용도 동반상승함을 감안하면 유가 상승이 반드시 경제성을 더 좋게 만드는 것은 아니라는 것을 염두에 두어야 한다. 향후 추가적인 연구를 통해 유가에 연동된 비용을 감안하여 보다 정밀한 경제성 분석이 요구된다.

Fig. 5.

Comparison of NPV for different scenarios (unit: Million KRW)

Fig. 6.

B/C ratio for different scenarios

Fig. 7.

IRR for different scenarios

4.1 경제적 파급효과

경제적 파급효과는 기준 시나리오를 대상으로 산업연관분석을 통해 전후방연쇄효과와 부가가치 파급효과, 취업 및 고용유발효과를 중심으로 분석하였다.

4.1.2 산업연관분석 결과

산업연관분석을 위해 우선 해조류 바이오매스를 이용한 에너지화 사업으로 인해 신규 투자수요가 얼마나 어떤 산업 분류에서 발생하는지를 파악해야 한다. 이를 위해 관련 산업으로 수산 양식업과 주류산업, 그리고 연료유 산업으로 구분한다. 수산 양식업에는 다시마 생산 및 수확비용이 대응되고, 주류산업에는 에탄올 생산투자비 및 유지비, 연료유 산업에는 메탄과 바이오오일 투자비와 유지비, 최종에너지 전환비용이 대응되는 것으로 보았다. 재무 비용은 기회비용으로 파급효과가 없는 것으로 간주하였다(Table 6).

Table 6.

Industry share of cost items for 2013

Fig. 8과 같이 사업 초기에는 주로 연료유 산업과 주류산업용 투자비가 소모되기 때문에 두 산업의 비중이 92%에 이르고, 수산양식업 비중은 8%에 불과하지만, 수산양식업 비중이 점차 다시마 생산 증가에 따라 로지스틱 형태로 증가하다가 투자가 끝나는 시점인 2021년부터는 전체 산업의 33%를 차지하게 된다.

Fig. 8.

Industry share of total project costs (unit: million KRW)

총사업비를 연도별로 수산양식업과 주류산업, 연료유 산업으로 할당한 다음에 한국은행 산업연관표(2010)¹⁵⁾로부터 전후방연쇄효과, 부가가치효과, 취업 및 고용유발효과 계수를 추출해야한다. 연료유 산업의 경우 장치산업이고, 타산업의 주요 중간투입재로 이용된다는 특성으로 인해 타 산업에 비해 전후방연쇄효과가 크게 나타나지만, 고용이나 취업유발효과는 낮게 나타난다. 이는 자본 집약적 산업의 특성을 잘 나타내고 있다고 할 수 있다.

우선 후방연쇄효과의 현재가치를 산업별로 비교해 보면, 사업초기에는 수산양식 16,465백만원, 주류산업이 76,005백만원, 연료유산업이 87,285백만원으로 나타나 수산양식업의 후방연쇄효과가 비중이 낮지만, 점차 수산양식업 비중이 증가하여 2030년에는 164,346백만원이 되고, 주류산업이 66,854백만원, 연료유산업이 230,572백만원이 되어 수산양식업 비중이 크게 증가함을 알 수 있다(Fig. 9).

Fig. 9.

Backward linkage effects (unit: million KRW)

한편 전방연쇄효과는 연료유 산업이 사업 전반에 걸쳐 가장 크게 나타나고, 주류산업은 사업 초기에는 증가하다가 2021년이후부터는 그 비중이 가장 낮게 나타난다. 이는 연료유 산업이 타산업의 중간투입재로 주로 사용되기 때문이다. 또한 수산양식업의 전방연쇄효과는 사업초기에는 미미하지만 2021년 이후 생산이 본격화되면서 점차 증가하여 주류산업보다 커짐을 보여준다.

다음으로 부가가치 유발효과를 연도별로 비교해보면, 연료유 산업은 장치산업이면서, 중간투입재로 주로 쓰이기 때문에 부가가치 유발효과가 다른 효과들보다 상대적으로 미약하게 나타나고, 주류산업의 경우 상대적으로 높게 나타난다. 이는 주류산업이 식음료용 주류를 포함하고 있기 때문이며, 보다 정확한 분석을 위해서는 추후 에탄올 산업에 대한 승수를 별도로 추정해야 할 것이다. 한편 수산양식업의 경우 부가가치 유발효과가 가장 크게 나타나, 노동집약적 산업임을 알 수 있다.

다음으로 산업별 취업유발효과를 비교해보면, 수산양식업이 사업기간 동안 가장 높은 효과를 창출하며, 다음으로 주류산업이고, 연료유산업의 경우 취업유발효과가 매우 낮음을 알 수 있다. 고용효과는 취업자 수에서 자가 고용인원을 제외한 것이므로 취업유발효과와 유사한 형태를 갖기 때문에 비교를 생략하기로 한다.

끝으로 현재가치 기준으로 세 산업에 대한 총후방연쇄효과는 4,100,538백만원, 총전방연쇄효과는 4,783,502백만원, 총부가가치효과는 1,002,171백만원으로 나타나고, 총취업유발효과는 18,558명, 총고용효과는 10,056명으로 나타났다.

Fig. 10.

Forward linkage effects (Unit: million KRW)

Fig. 11.

Value added effect (Unit: million KRW)

Fig. 12.

Job creation effects (person/billion KRW)

4.2 환경적 파급효과

환경적 효과는 해조류 바이오매스를 이용하여 에너지를 생산함으로써 화석에너지를 대체함에 따른 온실가스 저감효과에 국한하기로 한다. 온실가스 저감효과를 정확하게 규명하기 위해서는 통상 생애주기평가기법(Life Cycle Assessment)을 적용해야 하지만 아직까지 국내외 연구된 바가 없기 때문에 최종 에너지 생산량 기준으로 온실가스 저감효과를 평가하기로 한다.

우선 해조류 바이오매스를 이용하여 생산된 중간재인 메탄과 에탄올, 바이오오일을 이용하여 최종 생산물인 휘발류, 에탄올, 등유로 전환된 양을 기준으로 온실가스 저감 효과가 있다고 전제하였다. 즉 해조류 바이오매스가 성장하면서 온실가스를 흡수하기 때문에 탄소중립적이라는 것이다. 휘발류 1KL의 온실가스 배출계수는 2.08TCO2, 에탄올 1KL는 휘발류 발열량의 90% 수준이므로 배출계수를 1.87TCO2, 등유는 2.44TCO2로 가정하였다(에너지관리공단¹⁶⁾).

휘발류, 에탄올, 등유 생산량은 2013년에는 각각 4,164, 15,899, 14,763KL이지만 2030년에 이르면 41,514, 158,509, 147,187KL에 이른다.

최종 생산량에 근거하여 각 유종별로 온실가스 배출계수를 곱하면, 유종별 온실가스 배출 저감량이 계산되는데, 메탄에서 만들어진 휘발류는 2013년에 8,643TCO2에서 2030년에 86,172TCO2를 저감하며, 에탄올은 2013년 29,661TCO2에서 2030년 295,716TCO2를 저감하고, 바이오오일에서 전환된 등유는 2013년 36,043TCO2에서 2030년 359,343TCO2를 저감하게 된다.

이에 따라 온실가스 총저감량은 2013년에 74,347TCO2에서 2030년에 741,231TCO2로 늘어나며, 전체 사업기간 동안의 저감량은 8,881,281 TCO2 에 달한다.

지금까지 해조류 바이오매스 가운데 다시마를 이용하여 연간 건조중량 기준 50만톤을 상업적으로 재배하는 것으로 전제하고, 메탄과 에탄올, 바이오오일과 같은 세 가지 종류의 바이오연료가 결합 생산(joint production)이 가능한 경우 이를 이용하여 휘발류와 에탄올, 등유를 최종 산물로 생산하는 경우에 대해 경제성과 경제적 파급효과, 그리고 환경적 효과를 추정해 보았다. 추정 결과 저유가, 기준, 고유가 시나리오에 상관없이 결합 생산 시설의 경제적 타당성이 있는 것으로 나타나고, 전후방연쇄효과, 부가가치효과, 고용유발효과와 온실가스 저감효과가 높은 것으로 나타났다. 따라서 향후 해조류 바이오매스를 이용하여 에너지를 대규모로 생산하는 사업에 있어서 경제성을 확보하기 위해서는 세 가지 바이오연료를 ‘결합생산’할 수 있는 기술이 확보되어야 할 것으로 판단된다. 또한 해조류의 생산성 측면에서도 해조류바이오매스사업단에서는 2030년까지 헥타르당 300톤(습량기준)을 최종목표로 하고 있으나, 본 경제성 분석에서는 2배에 해당하는 590톤(습량 기준)을 전제하고 있어, 향후 해조류사업단이 최종 단계에서 사업성 확보를 위해서는 현재 목표치를 2배 정도 상향 조정할 필요가 있을 것이다.

Fig. 13.

Annual production of final products (unit: KL)

Fig. 14.

Annual GHG emission for fuel type (unit: TCO2)