탄소제약 세계에서의 원자력 미래

본 자료는 MIT가 2018년도 9월에 발간한 『탄소제약 사회에서의 원자력 미래(http://energy.mit.edu/wp-content/uploads/2018/09/The-Future-of-Nuclear-Energy-in-a-Carbon-Constrained-World.pdf The Future of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World)』중 제2장의 원전 건설비용 관련 내용을 소개하고 우리에게 주는 시사점을 기술하고 있습니다.

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원자력이 수십억 인류에 에너지를 제공하면서 온실가스를 줄일 수 있는 이상적인 에너지원인데도 불구하고 번성하지 못하고 전망 또한 불투명한 것은 원자력의 높은 가격 문제가 가장 크다. 탄소제약은 원자력에 기회를 주며 이 기회는 원자력 비용이 줄어들 수록 커지기 때문에 여기서는 다른 산업과의 비교를 통하여 유사점과 차이점을 도출하고 원전건설 비용이 높아진 근본원인을 밝히고 이를 낮출 수 있는 방안을 기술한다.

타 산업과의 비교

MIT에서 비교한 산업은 화학플랜트, 화력발전소, 해상유정, 제트엔진, 제약, 자동차, 위성 및 로보트 산업이었으며 이들 각각에서 새로운 제품의 개발, 실증, 출시 유형을 비교 조사하였다. 그러나 이들 기술집약산업 대부분의 비용, 출시 기간을 원자력과 비교한 결과 유사점을 찾기가 어려웠다. 이것은 원전 산업의 대규모성, 고도의 규제주도 연구개발, 신규 시설 허가를 위한 광범위한 시험 요건, 비효율적인 건설관행과 원전 제품(즉 전기)의 저부가성 등 여러 가지 요인이 복합적으로 작용한 것에 기인하는 것으로 보인다.

대규모성

원자력과 유사한 규모의 대규모 설비를 제작하는 몇몇 산업 또한 원자력만큼 고도 기술이고 따라서 건설기간 중 계획과 프로젝트 관리가 엄청나게 요구된다. 연구개발에서 소규모 원형 시설 및 대규모 실증 그리고 상업화하는 과정이 들어가는 점에서 원자력과 유사한 개발 주기를 갖는다

그렇지만,

• 화학플랜트 및 유정 산업의 개발주기는 원자력보다 다소 짧으며 로보트, 자동차나 석탄 같은 산업은 훨씬 짧고 매우 경쟁적인 시장에서 운영

- 총 사업 기간은 개념부터 최종 제품까지 18~36개월 정도

• 이들 산업은 사업 초기에 모든 기능을 통합하고 엄격한 비용 목표를 만족시키도록 설계

조사한 여러 산업이 자본 집약적이다. 제트엔진 개발 비용은 1회성 엔진 판매에서 회수되지 않고 항공기 서비스에서 회수된다. 원자로 판매도 수익성이 거의 없지만 핵연료와 서비스는 수익성이 있다.

규제 주도의 광범위한 연구개발과 엄격한 시험

원전산업과 마찬가로 제트엔진이나 제약산업도 광범위한 연구개발과 엄격한 인허가 시험이 요구된다.

• 미국의 경우, 신약용 시험프로그램은 승인까지 집약적이면서 비용이 많이 든다.
• 제트엔진의 경우 극한 조건에서 원형 엔진 시험을 포함하여 반드시 수행해야 할 시험 종류에 대한 세세한 규정이 있다.
• 원자로 인허가도 마찬가지로 원자로에 대한 완벽한 이해를 요구하고 있다.

차이점은 원자력의 경우 full scale 시험이 힘들고 이것이 원자력의 제품개발을 더 비싸게 만든다는 것이다.

• 제트엔진과 자동차 산업의 경우, 전산모형이 full scale 시험을 대체할 정도로 충분히 진화

몇몇 다른 산업에서는 최종 제품의 특정 속성에 대한 일부 규제(예 배출 규제)를 빼고는 자율 규제에 맞기지만, 원자력은 제품 개발과 건설, 운전 전 과정에 규제가 적용된다.

원자력의 규제 감독은 주요 부품 제조 검토 및 현장에서의 주요 시스템 시험뿐만 아니라 운전 중 감시를 포함하며 이것들이 모두 비용을 추가하게 한다.

비효율적인 건설

몇몇 산업의 건설/조립에서는 공장 제작과 모듈 방법을 채택하여 비용과 건설기간을 모두 감소시키고 있다. 그러나, 원자력에서는 통상 그렇지 못하다.

제트엔진과 항공기 조립의 경우 연속 생산의 경제성을 이루고 있다. 이 산업은 시장 진입 장벽이 높기 때문에 몇 개의 생산업체만 시장에 있다.

자동차 산업의 경우, 세계에 도처의 여러 공장에서 대량 생산이 가능하게 큼 부품 표준화와 공장 최적화가 이루어졌다. 신형 자동차 모델 개발 및 생산에 들어가는 30~50억불을 회수하고 이익을 남기려면 자동차 회사는 수 천만대를 팔아야 한다. 자동차 산업은 표준화 대량 생산이 가능한 부품, 전기계장 등의 공급망에 크게 의존하고 있다.

불충분한 부가가치

조사한 업체의 상당수는 고부가 제품을 생산한다.

예로, 신약 하나로 제약 산업은 개발과 그 전개 과정의 매 단계별로 엄청난 가치를 얻는다. 신약은 동종 제품에 대한 대체품이 없기 때문에 왕왕 자연스러운 독점으로 이어지기 때문에 일정 부분 과정의 수익성이 좋다.

반면에 원자력 생산 업체는 제품 속성에 걸맞은 가치를 인정 받기가 어려운 원자재(전기) 시장에서 경쟁해야 한다. 부가가치를 올리는 것도 현행 전력 시장이 제한하고 있다.

이런 이유 때문에 제품 주기를 혁신하려는 원자력 산업의 능력은 현행 구조하에서 다른 기술 집약적 산업과 비교하여 제한 받고 있다.

원자력 산업 특징 요약

① 현행 원전은 대량의 투자가 요구되는 대규모 시설

② 공장 제작보다는 현장 건설 조립이 많아 생산성 혁신과 가격인하에 어려움

③ 신형원전의 인허가에는 장기간의 연구개발과 엄격한 시험이 요구

④ 원자력만의 독특한 품질, 안전, 보안으로 매우 비싼 시스템, 구조와 기기가 필요

⑤ 원전 제품(전기)은 여러 대체 공급자를 갖는 저부가 원자재이다.

이런 원자력 산업 특성이 신기술을 시장에 진입시키기 까지 장기간의 선행 기간(20~30년)과 많은 비용(100억불~150불)이 들게하고, 원자력 산업을 위험 회피 대상으로 만들어 혁신을 방해하고 다른 분야로부터 교훈을 얻는 것을 더디게 하였다.

원전 비용

여기서는 원전이 직면하고 있는 고비용 문제를 다룬다. 경수로가 원전 건설과 운영 비용에 관한 기준이 되기 때문에 먼저 전 세계 경수로에 대하여 조사한 후 기준 비용의 주요 항목들을 자세히 살핀다.

발전 비용 기초

원전이든 비원전이든 전기를 생산하는 신규 발전소의 비용은 기본적으로 자본비, 운영비, 핵연료비의 3가지 요소로 구성된다. 자본비는 다음과 같이 두 부분으로 구성된다.

① 건설순비용(overnight cost)

② 발전소 건설 자금에 대한 이자 비용

건설순비용은 기기, 건설 자재, 노무비를 포함한 발전소 건설 비용으로써 실제 건설기간과는 무관하며 이자비용은 건설 기간과 사용 자금의 복합이자율에 영향을 받는다.

발전소가 지어지고 나면 발전소를 돌리기 위한 인력의 인건비와 소모품 등의 운전과 정비 비용이 들어간다.

세번째 주요 비용인자는 전기 생산에 사용된 연료비이다. 자본비와 운영 비용은 전기 생산 여부와 관계 없이 지불되기에 고정비로 간주된다. 반면에 연료비는 발전소가 전기를 생산할 때만 발생하므로 전적으로 변동비라고 볼 수 있다.

원자력 기술은 자본 집약적이다. 발전소에 따라 다르지만 자본비가 전체 비용에서 차지하는 비중은 신규원전의 경우 80%가 넘으며 나머지는 운영비(15%)와 연료비(5%)로 통상 나뉘어진다. 이러한 비용 분율은 이자율, 실제 건설기간(지불 이자 비용에 영향)과 엔지니어링 서비스 계약 여하에 따라 발전소 종류별로 약간씩 달라질 수 있다. 원자력의 비용 구조는 80% 정도가 연료비인 천연가스 발전소와는 확연히 다르다.

주요 경수로 건설 경험

다음 그림은 세계에서 건설된 경수로의 킬로와트 당 건설 순비용을 2017년도 달러로 표시한 것이다. 동 그림에는 오래된 발전소들과 최근 완공, 제안 또는 건설 중인 신규 발전소를 포함하고 있다.

• 
  세계의 경수로 건설비용

이들 단가의 기본이 각국마다 동일하지 않을 수 있다. 예로 직간접 정부 보조금 때문에 협상용으로 제시된 가격이 실제 비용을 나타내지 않을 수 있다. 일부 단가 자료는 FOAK(First-Of-A-Kind: 신설계에 의한 최초 건설) 발전소에 대한 것이며 나머지는 보다 표준화가 진행된 NOAK(N'th-Of-A-Kind)에 대한 제시가격이다. 일부는 1기 발전소 가격이며 일부는 다수기 원전 가격이다. 일부는 건설 예정 원전의 추정치이기도 하다. 금융시장 또한 국가마다 다르다. 중국과 한국의 건설 자료는 투명성과 상세 함이 결여되어 가용 가격 추정치 검증이 곤란하다. 한국이 UAE에 짓고 있는 원전 가격에 소유자 비용을 포함하지 않았을지 모르기 때문에 불확실성이 있지만 한국이 국내와 UAE에서 보여준 원전 건설 실적 때문에 포함시킨다.

위 그림에서 보듯이 건설 비용 범위는 상당히 크고 대단히 가변적이다. 지금까지 보고된 것 중에서 가장 저가는 한국과 중국 그리고 한국 회사가 짓고 있는 UAE에 있다. EPR과 AP1000 같은 서방 설계 원전은 다른 원자로형 보다 훨씬 비싸다. 고가의 일부 원인은 지난 30년에 걸쳐 유럽과 미국에서 원전 건설 중단과 관련한 FOAK 문제에 기인한다. 기존 원전의 경우, 최저가는 한국, 인도와 불란서에서 찾을 수 있으며 그 다음은 일본과 미국이다. 오래된 미국 경수로형의 가격 범위가 매우 큰데 이것은 부분적으로 전력 수요의 큰 변화, 건설 지연, 1970년대 말과 1980년대들 특징 짓는 TMI 사고 이후 규제 강화에 기인한다.

미국과 서유럽에서 신규원전 전망을 암울하게 만드는 주 인자는 신규 원전의 높은 자본비와 오랜 건설 지연이다. 2003년 MIT 최초 보고서와 2009년 개정판에서 이런 인자의 영향을 강조하였지만 현재 상황은 점점 악화될 뿐이다. 미국의 초기 원전 건설도 상당한 건설 지연과 비용 초과로 골치를 썩여 왔다. 3세대 플러스(GEN-III+)로 건설비를 줄이고 다른 측면의 경제성과 안전 성능을 개선하려는 시도가 있었다. 이러한 신형로에 대한 2003년 MIT 보고서 평가는 “자본비, 운전 및 정비비, 건설 공기의 단축으로 경쟁력 차이를 줄일 수 있을 것이다. 제시된 비용 개선은 입증되지는 않았지만 타당하다고 판단한다” 이었다. 2009년 개정판에서는 다음의 질문을 던졌다. “비용 추가 없이 건설이 제 일정대로 될 것인가? 처음 몇 기의 미국내 원전이 관련 모든 조직에 대한 중대한 시험이 될 것이다”(Deutch 2009)

미국과 서유럽에서 처음 몇 기의 3세대 플러스(GEN-III+) 원전 실제 건설 경험으로 비쳐 볼 때 그 시험은 보기 좋게 실패하였다. 이들 프로젝트는 모두 장기간의 건설 지연과 큰 비용 초과를 경험하였다. 아래 그림은 미국과 서유럽에서 짓고 있는 5개 원전에 대하여 MIT 2009 개정판의 참조 목표 값 대비 최근의 건설 순비용을 보여 주고 있다. 그림에서 왼쪽 3개의 막대는 유럽에서 짓고 있는 EPR의 건설비이다. EPR은 가압경수로형으로 프라마톰, 지멘스, EdF 합작사가 설계하였다. 다음 2개의 막대는 미국에서 짓고 있는 AP1000 이다. AP1000은 웨스팅하우스가 설계한 가압경수로형이다. AP1000 두기 중 VC Summer 프로젝트는 비용 초과 문제로 건설이 취소되었다. 마지막 막대는 UAE 바라카에서 한국이 짓고 있는 것으로 이 글을 쓰는 시점에 1호기는 완공 단계에 있었으나 운전 준비 이유로 1년을 연기한다는 발표가 있었다. 앞서 언급한 것처럼 UAE 비용은 불확실성이 있기 때문에 그림에서 다른 색으로 표시했다.

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  3세대 플러스(Gen-III+) 원전 건설 순비용

타 에너지원과의 비교

본 분석에는 NEA가 2015년 작성한 평준화 자료를 이용하였으며 OECD 국가들과 중국 및 남아공의 천연가스, 석탄과 개량형 원전들에 대한 평준화 가격을 비교하였다. 이들 평준화 가격 계산에 사용된 가정은 아래와 같다.

• 할인률 7%
• 이산화 탄소 1톤 당 탄소 비용 30불
• MMbtu 당 천연가스 가격 : 미국 5.5불, 유럽 11불, 아시아 14.4불(액화 천연가스)

그러나 천연가스 가격은 NEA 보고서 발간 이후 상당히 떨어졌다. 집필 시점 현재, 유럽의 천연가스 가격은 5불이고 아시아는 7불이다.

아래 표는 미국, 한국, 중국, 일본, 프랑스의 평준화 가격을 비교하고 있다. 각국의 절대 가격들은 경수로 가격을 1로 놓고 정규화 하였다. 따라서, 정규화 값이 1 보다 작으면 그 에너지는 원전 보다 경쟁력이 있고 1 보다 크면 원전이 보다 경쟁력이 있다. 국가간 정규화 값 비교는 의미가 없다. 천연가스의 경우 평준화 가격 범위를 원래 분석시 사용한 천연 가스 가격 보다 큰 값과 작은 값을 사용하여 나타냈다.

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  원자력 대비 주요국의 전원별 평준화 전기가격 비교

표에서 보듯이, 탄소 제약이 없을 경우 원자력이 다른 에너지원에 비하여 경제적이지 않은 듯 하며, 미국에서는 저렴한 천연 가스를 대체할 수 없다. 최근의 연구에 따르면 천연가스 가격이 MMBtu 당 3.5불에서 4.75불 사이일 때 원전이 천연가스와 경쟁하려면 건설 순비용이 kW당 2000불에서 4000불 사이어야 한다(미국 에너지부 2016).

<편집자 주> 다른 나라와 달리 한국의 원자력은 다른 어떤 에너지원보다 경제적임

아시아에서는 탄소제약을 부과할 경우 일반적으로 경수로가 석탄이나 천연가스 대비 경쟁력이 있지만, 낮은 가스가격에서는 특히 일본과 중국에서 그 경쟁력이 현저히 줄어든다. 유럽의 경우, 탄소 제약이 없으면 천연가스가 원전보다 싸며 탄소 제약이 있을 경우 원전과 가스발전소의 평준화 단가는 비슷하다.

소결

서유럽과 미국에서의 신규원전 투자는 현재 수익성이 없다. 이들 신규 원전 건설 자본비가 너무 높다.

고비용의 근본원인

앞에서 보여준 2개의 원전 건설비 그림에서 왜 가격 범위가 그렇게 큰지를 몇 가지 인자로 대부분 설명할 수 있지만 어느 것도 원자력기술 자체 때문은 아니다. FOAK 발전소는 후속의 동일 설계 발전소에 비하여 보통 30% 정도 비싸다. 이러한 ‘학습비용’은 건설 회사가 이전에 지어본 경험이 없어 필요한 모든 지식과 전문성을 새로 구축하거나 재학습할 경우 더욱 비싸진다. 또한, 지연, 재작업, 공급망 문제와 공기를 지연시키는 제반 인자들은 이자 비용을 따지기 이전에 벌써 비용을 증가시킨다. FOAK, 한 부지 한 기 또는 2~3기는 공히 신형 원전에 대한 전체 인허가 비용이 소요될 뿐만 아니라 부지 개발과 기반/유통 비용이 든다. 미국의 AP1000이나 핀란드, 프랑스, 영국의 EPR은 모두 이런 유형에 속한다.

가장 비용 효율적인 발전소는

• 하나의 표준설계를 사용하여 한 부지에 다수호기(6기 까지)로 건설하고,
• 각 호기에 같은 시공사와 인력을 활용하고,
• 그리고 연속해서 지을 경우이다(Lovering 2016).

이렇게 함으로써 물류 비용 추가나 기기 생산을 새롭게 시작하는 것을 방지하고 공정 개선에 필요한 학습을 극대화할 수 있다. 이러한 방법은 한국과 초기 프랑스에서 취해졌다. 이 방법의 최근 사례는 UAE의 바라카 프로젝트로써 여기서는 1호기 대비 4호기 인건비가 40% 줄어들었다. 중국, 한국과 일본의 초창기 건설비는 상당히 비싼 편이었으나 건설비 감축과 공기 개선을 위한 혼신의 노력과 시간에 따른 학습으로 원전 건설비는 초창기에 비하여 감소하였다. 앞서의 원전 건설비용 그림에서 케이스별로 큰 차이를 보이는 것은 경우에 따라 가격인상 인자와 인하 인자가 다르게 작동하였기 때문이다. 미국의 경우 주요한 가격 인상 인자가 모두 작동한 반면 가격 인하 인자는 존재하지 않았고, 한국은 가격 인상 인자는 없고 가격 인하 인자가 작동했다.

원전 건설 단가 차이를 설명해 줄 수 있는 또 다른 비용 증감 인자가 3가지 더 있다. 즉 노임단가, 건설관리 능력, 정부지원 여부 등이다.

첫번째, 중국과 한국의 낮은 인건비로써 이는 대형 건설 현장 인력을 효율적으로 유지할 수 있게 만든다. 즉 미숙련 인력을 경험 인력과 함께 도제방식으로 현장에 있게 하여 다음 프로젝트에 대비한 훈련을 쌓게 한다.

둘째, 미국과 서유럽에서의 최근 프로젝트 경험으로 볼 때, 노임 단가 보다 더 중요한 것은 중국, 한국 및 UAE와 비교하여 미국과 서유럽의 건설 관리 실패가 반복되고 있다.

셋째, 한국과 중국 등의 초창기 원전산업 성공은 강력한 정부 지원이 매우 중요하였다.

미국(예로 보글원전)과 해외(예, 유럽과 바라카 원전)의 건설 프로젝트 책임자들과의 인터뷰를 통하여 프로젝트의 성공과 실패를 연결 지을 수 있는 몇 가지 프로젝트 속성을 찾았다.

소결 성공적인 원전 건설은 다음의 속성을 갖는 경향이 있다.

① 건설 시작 전에 필요한 부분의 설계 마무리 (일반적 FOAK 이슈)

② 핵증기공급시스템을 위한 입증된 공급망 및 숙련 노동자 개발 (일반적 FOAK 이슈)

③ 관련 표준에 맞게 제작성과 시공성이 담보되도록 설계팀에 제작자와 건설사를 포함

④ 독립적인 여러 하청계약의 검증된 관리 전문가 한 명을 주 계약 책임자로 지정

⑤ 모든 계약자가 프로젝트 성공에 흥미를 갖도록 만드는 계약 구조

⑥ 예상치 못한 요건이나 하청계약자 실적 변화시 신속하면서 소송없이 계약변경이 가능하도록 하는 계약 행정 절차

⑦ 설계와 건설에서 예상 못한 사소한 변경을 적기에 수용할 수 있도록 하는 유연한 규제환경

상기 결과는 2000년대 초 원자력 부흥을 예견했던 INPO( Institute of Nuclear Power Operations 원전운영자협회)가 신규원전 건설의 성공 인자를 규명하면서 발표한 2009년 권고 사항의 반복이다. 주목할 것은 VC Summer의 AP1000 건설현장에서 상기 여러 속성들이 부재했다는 것이 벡텔사의 독립 평가(2016)에서도 밝혀진바 있다. (벡텔 평가는 VC Summer 프로젝트가 취소되기 전 18개월 동안 수행되었으나 결과가 공개된 것은 2017년 후반이었다.) 신규원전 건설에서 이러한 속성이 부재할 때, 그 결과는 현장에서 생산성 저하, 재시공 이나 재설계를 초래하고 이것은 공기 지연을 야기하게 하여 효율적 프로젝트 시행에 장애가 되기 쉽다. 이러한 공기 지연과 변경은 다시 전체 프로젝트에 걸쳐 퍼지게 되며 문제가 해결되는 동안 추가 이자가 발생하는 등 중대한 비용 증가의 원인이 된다.

권고 사항

신규 원전 프로젝트의 성공 가능성을 증가시키기 위하여는 검증된 프로젝트 및 건설 관리 관행/기법 사용이 권고된다.