New & Renewable Energy 2016. 9 Vol. 12, No. 3 ISSN 1738-3935 http://dx.doi.org/10.7849/ksnre.2016.9.12.3.149 [2016-9-RP-016] 초본계바이오에탄올생산의경제성과파급효과분석 조지혜 1) ㆍ정준성 2) ㆍ배정환 3)* Economic Feasibility and Impact Analysis of Cellulose Bioethanol Production in Korea Ji He Jo 1) ㆍ Jun Seong Jeong 2) ㆍ Jeong Hwan Bae 3)* Received 7 July 2016 Revised 7 July 2016 Accepted 1 August 2016 ABSTRACT This study investigated the economic feasibility and economic and environmental impacts of a commercialized cellulose bioethanol production in South Korea. As the enzyme cost fundamentally affects the average production cost of cellulose ethanol, low, medium, and high enzyme price scenarios were analyzed by NPV, B/C, and IRR. Only a low enzyme price scenario provides economic feasibility in the commercialization of cellulose ethanol. As economic spill-over effects, the forward and backward linkage effects were over 127.6 and 177.2 billion KRW, while the gross employment effect was 518 persons. For environmental effects, approximately 57,000TCO 2 per annum were mitigated by this project. We suggest that the reduction of enzyme is essential to commercialize cellulose ethanol, so the Korean government should support R&D investment on the development of low-cost enzymes. Key words Cellulose Bioethanol( 초본계바이오에탄올 ), Economic Feasibility( 경제성 ), Impact Analysis( 영향분석 ) Nomenclature TCO2 : ton of CO 2 KRW : Korean won subscript NPV: Net present value 1) Korea Environment Institute (KEI) 2) Changhae Ethanol Co., LTD. 3) Department of Economics, Chonnam National University E-mail: jhbae@jnu.ac.kr Tel: +82-62-530-1542 Fax: +82-62-530-1559 B/C : Benefit-cost ratio IRR : Internal rate of return RFS : Renewable Fuel Standard 1. 서론본연구는억새나보리짚등국내에서공급가능한초본류바이오매스를이용하여생산된수송용바이오에탄올의경제성을평가하고, 연관산업에미치는파급효과와환경적효과를분석함을목적으로한다. 바이오디젤과바이오에탄올은주로식량용원료를이용하여생산되어왔기때문에식량가격폭등의원인으로지목되기도했다 (Cha and Bae, 2011). [1] 이에따라미국과유 Copyright c2016 by the New & Renewable Energy This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
조지혜ㆍ정준성ㆍ배정환 럽에서는비식량원료를이용한바이오연료개발에앞장서왔고, 특히미국은 RFS(Renewable Fuel Standard) stage II에서보다강화된비식량원료기반바이오연료에대한쿼터를중장기적으로크게늘렸다. 이에따라미국은 2020 년까지전체바이오연료생산목표 300억갤런가운데 1/3에해당하는 105억갤런을초본계바이오연료로생산하도록쿼터를상향조정하였다 ( 미국 RFS제도홈페이지 ). [2] 다만아직까지초본계바이오에탄올의경제성이확보되지못하고있고, 상업화에도상당한시간이소요될것으로보인다. 지난 2013년기준으로미국의초본계바이오에탄올쿼터는 618만KL이지만생산량이 3000KL 에불과했다 ( 미국에너지부홈페이지 ). [3] 우리나라는바이오디젤에대한수송부문신재생연료의무화제도 (RFS) 는시행되고있으나바이오에탄올은 2016 년하반기부터실증사업을한다음에 2017년에나시행될것으로전망되고있다 ( 김재곤, 2013). [4] 우리나라도향후식량원료에기반한바이오에탄올사용시식량부문에미치는영향을감안한다면초본계바이오에탄올공급방안을강구할필요가있다. 그러나아직까지국내에서초본계바이오에탄올을이용할경우과연경제성이있는지, 또한연관산업이나환경에미치는영향은어떠할것인지에대한연구가미흡하다. 1) 따라서본연구에서초본계바이오에탄올에대한경제성을통해상업화를위한전제조건을도출하고, 연관산업과환경에미치는효과는어떠한지를분석함으로써향후초본계바이오에탄올의상업화와 RFS 제도내에연착륙할수있는초석을마련하고자한다. 논문은우선경제성분석의기본전제, 경제성분석결과, 경제적, 환경적파급효과, 결론및정책적시사점의순으로구성되었다. 2. 경제성분석의기본전제 경제성분석을위해전체사업기간, 바이오매스생산성, 잠재량, 비용과수입에대한기본적인가정이필요하다. 1) 2015 년에우리나라해조류바이오매스를이용한에너지화공정의경제성분석에대한연구가있었다 ( 배정환외, 2015) [5] 2.1 사업기본전제초본계바이오에탄올생산을위한전체사업기간은 21년으로하고, 첫 1년은공장건설기간으로설정하였다. 미국의국가재생에너지연구소 (NREL)(Humberd et al., 2011) [5] 에서는연산 23만KL급초본계에탄올공장의운영기간을 30년으로전제하고있으나 20년이후부터주요설비노후화로대체비용이소모된다는점에서본연구는 20년을사업기간으로보았다. 사업의규모는초본류바이오매스인억새 (Miscanthus) 588,235톤을이용하여연간 10만톤의에탄올을생산하는것으로전제하였다. 농진청실증연구결과에의하면에탄올생산성은바이오매스 1톤당 170L로나타났다. [6] 또한전북익산의억새재배시범단지에서헥타르당 25톤의억새가생산되는것으로나타났고, 이에기초하면 10만KL의에탄올생산을위해서는 588,235톤의바이오매스가필요하다. 중장기적으로농진청분석에의하면보릿짚이연간 124,585 톤, 수변구역유휴지억새재배로 425천톤으로초본계바이오매스잠재량은연간 543,285톤으로추정된다. [6] 사업의경제성을분석하려면기본적으로할인율과에탄올판매가격을가정해야하는데, 본연구는 2015년중소기업기준대출이자율인 3.7% 를적용하고, 에탄올가격은고정비용, 가변비용, 에탄올기업의평균마진율인 8% 를적용하였다. [6] 2.2 투자비와변동비구성사업총투자비는 1,004억원으로전제하고, 투자비는토지임대료, 공장설치비, 전처리, 화학공정, 폐수처리, 보일러, 에너지시설비로구성하였다. 우선토지임대료는군산제2산단에공장이건설된다고보고, 평당 15만원으로공장부지면적 15헥타르를기준으로총 6806백만원인것으로전제하였다. 또한공장건물 80 억원, 전처리시설 10억원, 화학공정시설 8억원, 증류공정 110억원, 폐수처리공정 220억원, 저장시설 3억원, 보일러및발전시설 420억원, 에너지시설 45억원으로전제하였다. 이상의고정비를연간비용으로전환하기위해연간자본균등화비율 (amortization factor) 인 7.16% 를적용하면에탄올리터당 72원으로추산되었다. 150 신재생에너지
초본계바이오에탄올생산의경제성과파급효과분석 다음으로변동비에는바이오매스원료비, 엔자임 ( 효소 ) 비용, 화학원료투입비, 폐수처리비, 냉각수및전력비용, 스팀비용, 노동투입비, 수선비및판매관리비로구성된다. 각항목별비용은다음표를참조하고, 총변동비는에탄올 생산리터당 1,171 원으로추정되었다. 한편초본계바이오에탄올을생산하면부산물로자일로 스 (Xylose molasses) 와리그닌이발생하고이를자일리톨 원료및보일러원료로이용하면에탄올리터당 538 원의 부산물수입이발생한다. 따라서가변비용과연간고정비, 부산물수입을모두고려하면에탄올리터당생산비는 705 원이된다 (Table 1). Table 1. Average production cost of cellulose bioethanol Item KRW/liter 1) Variable cost 633 Feedstock cost 432 Enzyme cost 304 NaOH 29 H2SO4 12 Urea 9 Wastewater management 35 Fresh water 6 Electricity 106 Steam 201 Labor and marketing 36 2) Byproduct revenue -538 3) Annual fixed cost 72 Average production cost (1+2+3) 705 (Source: 창해에탄올, 2013 초본계바이오에탄올경제성및파급효과 용역보고서 [7] ) 시나리오 (baseline) 에는포함시키지않고, 대안시나리오 (alternative) 에포함시켰다. 즉배출권거래제의경우정부제시가격인톤당 1만원을탄소배출권수입으로간주하였고, 에너지안보편익은우리나라휘발류소비자의국산원료를이용한국산에탄올에대한비시장편익인리터당 52.34 원을적용하였다. 2) 2.4 경제성분석기준일반적으로투자사업의경제성은순현재가치기법 (Net Present Value: NPV), 내부수익률법 (Internal Rate of Return: IRR), 편익비용비율 (B/C ratio) 법에근거하여사업시행여부를판단하게된다 (Rosen and Gayer, 2010 [9] ). 세가지기법모두현재시점을기준으로미래에발생할비용과편익을평가하기때문에할인율 (discount rate) 을적용하게되고, 본연구는전술했듯이중소기업평균대출이자율인 3.7% 를적용하였다. 이를이용하여사업의편익 ( 수입 ) 과비용을현재시점기준으로전환한다음 NPV의경우는편익의순현재가치에서비용의순현재가치를차감하여 0보다크면사업을시행하고, 그렇지않으면미시행하게된다. 또한 IRR의경우는사업의순현재가치가 0이되도록하는할인율을구하고, 이것을기준할인율 (3.7%) 과비교하여더크면사업을시행한다. 마지막으로편익비용비율법은편익의현재가치를비용의현재가치로나누어그것이 1보다크면시행한다. 통상세가지기법이각기장단점이있기때문에경제성을판단하기위해세가지분석결과를비교하는것이일반적이다. 2.3 수입구성수입은에탄올판매수입과온실가스배출권거래시장에서의배출권판매수입, 에너지안보편익으로구성하였다. 우선에탄올판매수입을추정하기위해에탄올가격을평균생산비 + 평균에탄올업계마진율로하였는데, 평균생산비가 Table 1에서산출된리터당 705원이고, 마진이 56.36원이므로판매가격은 760.91 원이된다. 단여기서유류세는제외한값이다. 다음으로탄소배출권수입및에너지안보편익은기본 3. 경제성분석결과 3.1 기준시나리오 기준시나리오에서는탄소배출권및에너지안보편익과 같은사회적편익은제외하고경제성을분석하였다. 기준 시나리오도핵심비용인엔자임비용이최저, 중간, 최고인 2) 에너지안보편익에대한구체적인내용은 Bae, J.H., 2014, Nonlinear preferences on bioethanol in South Korea, Environmental and Resource Economics Review Vol.23 No.3, p515-551 참조 [8] 2016. 9 Vol.12, No.3 151
조지혜ㆍ정준성ㆍ배정환 세가지경우로나누어분석하였다. 이처럼엔자임비용을기준으로한이유는생산비에서가장비중이높은항목이원료비와엔자임이고, 원료비는변동성이낮지만엔자임은변동성이높기때문에엔자임비용을기준으로시나리오를구성한것이다. 우선엔자임비용이최저인경우인데, 미국 NREL 연구결과에따르면에탄올리터당엔자임비용을 304원으로추정하였다. 이때에탄올가격은 760.91 원이되고, NPV 기준 78,676백만원, B/C 기준 1.08, IRR 기준 7.3% 로경제성이있는것으로평가된다. 다음으로엔자임비용이리터당 944원이되는경우로이는국내엔자임생산업체에서공급가능한최소가격을기준으로한것이다. 에탄올거래가격을 2013년미국에탄올시장평균거래가격인갤런당 $3.14 를적용하면리터당 874.57 원이되고, NPV 는 656,197 백만원, B/C 율은 0.65, IRR은 0미만이되어경제성이없는것으로나타났다. 세번째로엔자임비용이국내엔자임생산업체에서개발중인 C-TECH2 가격인리터당 1,758원인경우로이때에탄올가격을 874.57원으로할경우 NPV는 1,792,428 백만원, B/C율은 0.41, IRR은 0미만으로경제성이없는것으로나타났다. Fig. 1. Baseline 시나리오 : 순현재가치 (NPV) 비교 ( 단위 : 백만원 ) Fig. 2. 경제성확보를위한적정엔자임비용 ( 기준시나리오 )( 단위 : 원 / 리터 ) 3.2 대안시나리오 대안시나리오에서는탄소배출권수입과에너지안보편 익을추가로고려하였다. 우선탄소배출권수입을계산하기 위해초본류에탄올의온실가스저감효과를리터당 0.57kg 으로전제하였다. 이는에너지관리공단에서제공하는휘발 류에대한온실가스배출계수를적용한것이다. 탄소배출 권은톤당 1 만원을기준으로하였다. 따라서초본계에탄올 리터당 5.7 원의온실가스저감편익이적용된다. 다음으로에너지안보편익을리터당 52.34 원으로계산 하였다. Bae(2014) [7] 의연구에의하면, 2012 년우리나라 휘발류소비자 500 명을대상으로다양한종류의바이오에 탄올에대해실시한선호도설문결과, 국산원료를이용한 국산바이오에탄올에대한지불용의액이리터당 52.34 원 으로나타났다. 이를에너지안보편익으로간주한것이다. 따라서총사회적편익 ( 탄소배출권수입 + 에너지안보 편익 ) 은리터당 58 원으로추정되었고, 엔자임최저비용시 나리오에적용하면 NPV 는 159,651 백만원, B/C 율은 1.16, IRR 은 13.66% 로나타났다. 한편엔자임중간비용시나리오에의하면 NPV 는 574,716 백만원, B/C 는 0.69, IRR 은음의값을갖는것으로나타 한편초본계바이오에탄올사업의경제성을확보하기위한엔자임비용을도출해보았다. 즉 NPV=0 또는 B/C=1 을만족시키는엔자임비용을추정해본결과리터당 473.8 원으로나타났다. 또한 IRR이대출이자율인 3.7% 와같아지도록하기위해서는 447원이되어야하는것으로추정되었다. Fig. 3. 대안시나리오의엔자임비용별 NPV( 단위 : 백만원 ) 152 신재생에너지
초본계바이오에탄올생산의경제성과파급효과분석 났다. 엔자임최고비용시나리오는이보다더경제성이악화되었다. 한편, 사업경제성에사회적편익이포함되었을경우, 경제성확보에필요한엔자임비용을산출하였다. 에탄올가격리터당 874.57원에사회적편익 58원을반영할경우 NPV=0 또는 B/C=1을만족시키는엔자임가격은 531.8 원이었고, IRR=3.7% 을만족시키는엔자임가격은 505.1원으로나타났다. 4. 경제적 환경적파급효과 4.1 경제적파급효과경제적파급효과는기준시나리오를대상으로산업연관분석을통해전후방연쇄효과와부가가치유발효과, 취업및고용유발효과를중심으로분석하였다 (Miller and Blair, 1985). [10] 경제적파급효과분석을위해서는산업연관분석모형을사용하고, 분석에필요한데이터는각효과별유발계수로서초본계바이오에탄올산업이없기때문에가장인접산업인주류산업의유발계수를적용하였다 3) (Table 2). Table 2. 주류산업의유발계수 Fig. 4. 사회적편익반영시경제성확보를위한엔자임가격 ( 단위 : 원 / 리터 ) 산업파급효과 주류산업 전방연쇄효과 1.459 후방연쇄효과 2.026 부가가치유발계수 0.853 취업유발계수 ( 명 /10 억원 ) 5.921 고용유발계수 ( 명 /10 억원 ) 3.834 3.3 민감도분석사업의경제성은다양한요인의변동에의해영향을받는다. 모든변동요인을고려하지는못하기때문에몇가지중요한요인들의변동에대해사업경제성이어떻게영향을받는지를분석하는것이민감도분석이다. 본연구에서는바이오매스원료비변동과할인율변동만을고려하였다. 우선원료비가 10% 상승하는경우와 10% 하락하는경우를살펴보았다. 원료비가 10% 상승하면 NPV=0 또는 B/C=1 이되기위해필요한엔자임가격은리터당 430.6원으로나타났고, IRR=3.7% 이기위한엔자임가격은 403.8 원으로감소하였다. 한편원료비가 10% 하락하면 NPV=0 또는 B/C=1이기위한엔자임가격은 471.4 원이되고, IRR=3.7% 인엔자임가격은 432.4원으로나타났다. 다음으로할인율이 10% 상승하면 NPV=0 또는 B/C=1 이기위한엔자임가격은 471.4 원이고, IRR=3.7% 인엔자임가격은 432.4원으로나타났다. 한편할인율이 10% 하락하면 NPV=0 또는 B/C=1이기위한엔자임가격은 476.2 원이고, IRR=3.7% 인엔자임가격은 449.9 원으로나타났다. 경제적파급효과분석을위해우선 RFS제도에서바이오에탄올생산계획을가정하였다. 즉 2017-2018년은 E3(3% 바이오에탄올 ) 를 30만KL, 2021 년 E5를 50만KL, 2022 년이후 E7를 70만KL로확대하는것으로가정하였다. 한편에탄올생산원료의경우한국환경정책평가연구원자료 (2015) [11] 에의하면수입에탄올, 국산원료에탄올, 수입원료기반국산에탄올의비중을 1/3씩전제하고있다. 이에따라초본계바이오에탄올이향후 20년간연간 10만KL가생산되는것으로전제하였다. 에탄올가격을리터당 874.6원으로하면총매출액이 875억원이된다. 이에따라전방연쇄효과는 1276억원, 후방연쇄효과는 1772억원, 부가가치유발효과는 746억원, 취업및고용유발효과는 518명과 335명으로추정되었다. 4.2 환경적효과초본계에탄올생산증가로대기오염개선효과와온실가스저감효과가기대된다. 우선 E3를기준으로하면일산화 3) 이는한국은행 2010 년산업연관표소분류 (168 부문 ) 에서주류산업유발계수를인용한것임. [11] 2016. 9 Vol.12, No.3 153
조지혜ㆍ정준성ㆍ배정환 탄소는순수휘발류대비 29.2% 감소하지만, VOC 및 NOx 는 1.9% 및 6.8% 증가한다. 따라서대기오염저감효과는일률적으로바이오에탄올이휘발류보다우수하다고하기는어렵다. 한편바이오에탄올 10만KL를휘발류에대해대체할경우휘발류온실가스배출계수리터당 0.58KG [12] 을적용하면연간 57,000 톤이저감되고, 20년간의사업기간동안총 1,140,000톤이저감된다. 5. 결론국내에서억새와보리짚과같은초본계바이오매스를이용하여바이오에탄올을생산하는사업의경제성을검토한결과엔자임투입비용절감이결정적인것으로나타났다. 미국 NREL 보고서 (Humberd et al, 2011) [6] 에따르면전체초본계바이오에탄올생산비에서엔자임비용이차지하는비중이 2000년경 50% 에서 2012년까지 10% 로감소한다고추정하였다. 반면에원료비용은 2000년 30% 에서 2012년 50% 이상상승하는것으로추정하였다. 그만큼미국은엔자임투입비절감에있어서많은개발이이루졌다는것을의미한다. 그러나우리나라는엔자임개발분야에서미국보다크게뒤쳐져있고, 국내회사에서개발한엔자임가격은미국노보사엔자임보다 10배이상비싸다. 본연구에서실시한경제성분석에서도엔자임비용이미국기준으로감소하는경우에만초본계바이오에탄올의경제성이확보되는것으로나타났다. 따라서우리나라가향후 RFS 제도에에탄올공급을의무화하고, 초본계에탄올에대한쿼터를도입하기위해서는엔자임가격을전폭적으로낮출수있는 R&D 개발이선행되어야할것이다. 현재국내에서는민간기업이엔자임을개발할유인과여건이열악하고아직미국이엔자임시장을주도하고있기때문에국가가나서서엔자임개발에연구개발투자를확대할필요가있다. 특히초본계바이오에탄올은비식량원료이고, 온실가스및대기오염저감효과가식량기반에탄올보다우수하기때문에더높은가중치를부여하여야할것이며, 적어도사회적편익인리터당 58원만큼유류세저감정책등이필요할 것으로판단된다. 또한중장기적으로국내휘발류소비자에대한선호분석과생산비분석에기초하여바이오에탄올에대한국산- 수입에탄올비중및국산바이오에탄올에대한수입원료- 국산원료비중 4) 에대한보급계획을수립해야할것이다. 후기 본연구는 2015년에수행된창해에탄올의 초본계바이오에탄올의경제성및파급효과분석 연구용역사업결과의일부를수정및발전시킨것입니다. References [1] Cha, K.S., Bae, J.H., 2011, Dynamic Impacts of High Oil Prices on the Bioethanol and Feedstock Markets, Energy Policy, 39, 753-760. [2] 미국 RFS 제도홈페이지 : (http://www.ethanolrfa.org/pages/renewable-fuel-standard) [3] 미국에너지부홈페이지 : (http://www.afdc.energy.gov/data/search?q=cellulosic#10423) [4] 김재곤, 2013, 지속가능한바이오연료의보급정책과기술개발동향, KIC News, Vol. 16, No.2: 1-15. [5] 배정환, 정해영, 김미정, 2015, 해조류바이오매스에너지화사업의경제적타당성과파급효과분석, New&Renewable Energy 11(2), 29-38. [6] Humbird et al., 2011, Process Design and Economics for Biochemical Conversion of Lignocellulosic Biomass to Ethanol: Dilute-Acid Pretreatment and Enzymatic Hydrolosis of Corn Stover, NREL. [7] 창해에탄올, 2013 초본계바이오에탄올경제성및파급효과 용역보고서. [8] Bae, J.H., 2014, Non-linear Preferences on Bioethanol in South Korea, Environmental and Resource Economics Review, 23(3), 515-551. [9] Rosen, H. S. and T. Gayer, 2010, Public Finance, 4) Bae, JH(2014) [14] 의연구에의하면소비자선호및생산비를감안했을때, 국산원료를이용한바이오에탄올과수입에탄올간적정비중이 76%: 24% 로나타났다. 154 신재생에너지
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