[논문 리뷰] Flexible nuclear power and fluctuating renewables? -- A techno-economic analysis for decarbonized energy systems

Leonard Göke, Alexander Wimmers외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 28.

Integrated Energy Systems Optimization인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 유럽 탈탄소 전력 시스템에서 원자력 발전의 역할을 평가하기 위해 상세한 에너지 시스템 모델을 활용한 기술경제 분석을 수행한다. 배치 가능성과 높은 에너지 잠재력에도 불구하고, 조건이 유리한 가격 가정(€4,000/kW의 즉시 건설 비용, 10년 이내의 건설 기간) 하에서도 원자력 발전의 비용 효율적 비중은 단지 약 10%에 불과하며, 변동성이 큰 풍력 및 태양광 발전을 통합하기 위한 그리드 유연성, 에너지 저장 및 탄력적 수요가 더 효율적인 대안임을 밝히고 있다.

ABSTRACT

Many governments are considering constructing new nuclear power plants to support the decarbonization of the energy system. On the one hand, dispatchable nuclear plants can complement fluctuating generation from wind and PV. On the other hand, escalating construction costs and times raise economic concerns. In this paper, we extensively review construction costs and times. On this basis, we apply a detailed multi-vector energy model to analyze the cost-efficient share of nuclear power in fully decarbonized energy systems, i.e., energy systems that do not utilize any fossil fuels. Our analysis finds that even if, reversing the historical trend, overnight construction costs of nuclear half to 4,000 US-$2018 per kW and construction times remain below ten years, the cost-efficient share of nuclear power in European electricity generation is only around 10%. The analysis still omits the social costs of nuclear power, such as the risk of accidents or waste management. Nuclear plants must operate inflexibly and at capacity factors close to 90% to recover their investment costs, implying that operational flexibility-even if technically possible-is not economically viable. As a result, grid infrastructure, flexible demand in multi-energy systems, and storage are more efficient options for integrating fluctuating wind and photovoltaic generation.

연구 동기 및 목표

• 실제 비용 및 시간 가정 하에 탈탄소 에너지 시스템에서 원자력 발전의 경제적 효율성을 평가하기 위해.
• 유럽에서 변동성이 큰 풍력 및 태양광 발전과 효율적으로 조화를 이룰 수 있는지 여부를 평가하기 위해.
• 국경을 초월한 전력 교환, 에너지 저장 및 탄력적 수요와 같은 유사한 탄력성 옵션과 원자력 발전을 비교하기 위해.
• 비용 최소화 및 탈탄소 에너지 시스템에서 원자력 발전의 최적 비중을 결정하기 위해.

제안 방법

• 유럽 전역의 높은 비중의 풍력 및 태양광 PV를 포함한 탈탄소 전력 시스템을 시뮬레이션하기 위해 종합적인 에너지 시스템 모델을 사용한다.
• OECD 국가들에서의 예측 및 실제 건설 비용을 기반으로 원자력 발전의 전기 단위비용(LCOE)을 계산한다.
• 모델에는 모든 주요 탄력성 옵션 포함: 국경 간 송전선, 탄력적 수요(예: 전기분해기, 전기자동차), 그리고 합성 연료를 통한 계절 저장까지 포함된 에너지 저장 기술.
• 원자력 건설 비용(€2,000–4,000/kW)과 건설 기간(<10년)에 대한 민감도 분석을 수행하여 비용 효율성을 평가한다.
• 운송, 난방 및 산업 부문의 최종 에너지 수요를 충족시키면서 전체 시스템 비용을 최소화하는 방식으로 에너지 시스템을 최적화한다.
• 원자력 발전의 사회적 비용(예: 고형폐기물 관리, 사고 위험)은 분석에서 제외하여 비용 평가에서 원자력 발전에 유리하게 작용하도록 한다.

Figure 2: Overview of model structure

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 건설 비용 및 시간 가정 하에 탈탄소 유럽 전력 시스템에서 원자력 발전의 비용 효율적 비중은 얼마인가?
• RQ2 변동성이 큰 풍력 및 태양광 발전 통합을 위해 원자력 발전은 그리드 연계, 저장 및 탄력적 수요와 같은 다른 탄력성 옵션과 비교해 경제적으로 어떻게 비교되는가?
• RQ3 원자력 발전은 탈탄소 난방, 운송 및 산업 부문의 증가하는 전력 수요를 얼마나 기여할 수 있는가?
• RQ4 높은 자본 비용과 장기적인 건설 기간은 재생 가능 에너지 및 저장 기술과 비교해 신규 원자력 발전소의 경제적 타당성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 즉시 건설 비용이 €4,000/kW이고 건설 기간이 10년 이내라는 매우 유리한 조건 하에서도, 원자력 발전의 비용 효율적 비중은 여전히 약 10%에 불과하다.
• 투자 비용을 회수하기 위해 원자력 발전소는 약 90% 수준의 이용률을 유지해야 하며, 이는 유연성 없이 고정된 방식으로 운영되어야 함을 의미한다. 이는 탄력성 제공 능력을 제한한다.
• 그리드 인프라, 탄력적 수요(예: 전기분해기, 전기자동차), 그리고 저장 기술은 변동성이 큰 풍력 및 태양광 발전으로 인한 잔여 부하를 관리하는 데 원자력 발전보다 더 비용 효율적이다.
• 모델 분석 결과, 고비중 원자력 시스템(예: 52%)은 잔여 수요를 충족시키기 위해 상당한 양의 열발전이 더 필요로 하는 반면, 원자력이 없는 시스템은 수요 반응 및 저장 기술에 의존하여 수급를 균형 잡는다.
• 탄력적 수요와 국경 간 전력 교환을 포함함으로써 열발전의 비상 대체 수요가 감소하고 전체 시스템 비용이 낮아지며, 이는 원자력 발전보다 탄력성 측면에서 열등하다.
• 유리한 비용 가정 조건 하에서도 원자력 발전은 탈탄소화를 위한 가장 경제적 효율적인 옵션이 아니며, 특히 저장 및 수요 측면 솔루션과 비교할 때 더욱 그러하다.

Figure 3: Technologies for electricity supply