Exploring the impacts of demand scenarios, weather variability and mitigation of emissions on Morocco's hydrogen market and renewable transition pathways

기술 요약: 모로코의 수소 시장 및 재생에너지 전환 경로에 대한 수요 시나리오, 기상 변동성 및 탄소 배출 완화의 영향 탐색

문제 제기
모로코는 풍부한 태양광 및 풍력 자원을 활용하여 2035년까지 글로벌 Power-to-X(PtX) 시장의 최대 4%를 점유하고 유럽의 에너지 전환을 위한 전략적 파트너가 되는 것을 목표로 하고 있다. 그러나 유럽의 수요 궤적, 인프라 준비 상태 및 투자 리스크와 관련하여 상당한 불확실성이 존재한다. 기존 연구들은 섹터 결합 모델(예: OSeMOSYS)이나 특정 수출 경로(예: PyPSA-Earth)를 사용하여 모로코의 재생에너지 전환을 분석해 왔으나, 수소 기반 경로에 대한 체계적인 비교는 여전히 부족한 실정이다. 특히, 녹색 수소 생산과 그 하류 파생물(암모니아, 메탄올, 그린 스틸)을 명시적으로 최적화하는 동시에, 국내 산업 재배치 대 수출 지향적 전략, 연간 기상 변동성, 그리고 재무적 민감도를 동시에 고려하는 고해상도 모델링 측면에서 공백이 존재한다. 본 연구는 탄화수소 수입국에서 녹색 분자 수출국으로 전환하는 동시에 국내 가치 창출, 에너지 안보, 그리고 감축이 어려운 부문의 탈탄소화를 달성해야 하는 이중 과제를 다룬다.

방법론
본 연구는 확장된 형태의 섹터 결합형 오픈 소스, 시간 단위 해상도 다지역 PyPSA-Earth 모델을 채택하였다. 분석은 GADM 데이터를 기반으로 한 14개 지역(노드)의 공간 해상도를 바탕으로 2035년까지의 기간을 다룬다.

• 모델 개선 사항: 프레임워크는 세 가지 구체적인 PtX 공급망인 그린 스틸(직접환원철 및 고온 브리켓 철을 통해), 그린 메탄올(포집된 CO2와 수소를 통해), 그린 암모니아(하버-보슈 공법을 통해)를 통합한다. 또한, 재생 가능 전력 생성과 수전해 수소 생산 사이의 시간당 시간적 일치를 보장하기 위한 제약 조건을 포함하여, 신흥 EU 규정인 재생 가능 비생물 기원 연료(RFNBOs)와 정렬되도록 하였다.
• 잠재 영역 분석: 기술-생태적 타당성 지도를 구축하기 위해 제외 레이어(산림, 도시, 농경지 등)와 특정 기준의 불리언 오버레이(Boolean overlay)를 사용하였다: 최소 태양광/풍력 구현 확률 점수, 그리드 근접성(<30km), 수자원 스트레스 제약(2050년까지 토지의 80%가 낮은 스트레스 상태) 등이 포함된다. 이를 통해 약 94.24 GW의 육상 풍력과 462.25 GW의 태양광 PV 잠재량을 식별하였다.
• 수요 경로: 하이브리드 수요 모델링 방식은 주거, 운송 및 산업 부문에 대해 LEAP의 상향식 방법론과 표적 문헌 검토를 결합한다. 시나리오는 활동 수준, 기술 확산 및 연료 점유율에 따라 차별화된다.
• 시나리오 정의: 두 가지 대조적인 시나리오를 모델링하였다:
  • S1 (산업 재배치): 현지 및 수출 수요를 위한 그린 스틸 가치 사슬과 비료를 위한 완전한 국내 암모니아 자동차 공급을 포함한 국내 전환에 집중한다. 메탄올 확장은 시멘트/산업계로부터 가용한 CO/CO2에 의해 제한된다.
  • S2 (수출 기회): 외국인 투자와 항만 인프라 확장에 의해 뒷받침되는 유럽으로의 직접 수소 수출을 우선시한다.
• 민감도 분석: 가중평균자본비용(WACC), CO2 제약 엄격도, 그리고 기상 변동성(저풍량 ERA5 연도인 2016년 사용)에 대해 일변수(One-at-a-time) 민감도 테스트를 수행하였다.
• 복지 프록시(Welfare Proxy): 단순 비용 최소화를 넘어, 모델에서 도출된 제품(H2, NH3, MeOH, HBI, steel)의 한계 가격에 생산량을 곱하여 복지 프록시를 계산하였다. 이는 국내 산업 활동 확대의 암묵적 복지 기여도를 측정하는 척도로 활용된다.

주요 결과

• 수소 수요 및 규모: 두 시나리오 모두 2035년까지 32.3에서 37.8 TWh 사이의 유사한 규모의 수소 수요를 요구한다. 이는 모로코의 국내 탈탄소화 잠재력(암모니아 및 철강을 위해)이 목표로 하는 수출 역량과 구조적으로 동등함을 나타낸다.
• 용량 확대: 두 경로 모두 현재 재생에너지 및 수전해 용량을 3배로 늘려야 한다. 총 설치된 수전해 용량은 3.8 GW(S1)에서 4.3 GW(S2)에 달한다. 태양광 PV와 육상 풍력이 신규 용량의 대부분을 차지하며, 메크네스-타필라렛(Meknès–Tafilalet) 지역이 태양광에, 겔림-에스-세마라(Guelmim–Es-Semara) 지역이 풍력에 최적의 지역으로 식별되었다.
• 전략적 트레이드오프:
  • S1 (국내 집중형): 더 높은 총 시스템 비용(약 €189억)을 초래하지만, 심층적인 산업 다각화와 수입 노출 감소 덕분에 가장 높은 복지 기여도(약 €62억)를 창출한다.
  • S2 (수출 중심형): 더 낮은 시스템 비용(약 €155억)을 달성하지만, 더 낮은 복지 기여도(약 €28억)를 보인다.
• 민감도 결과: 연구 결과 **금융 비용(WACC)**이 시스템 결과의 지배적인 동인임을 발견했다. WACC를 7.8%에서 6%로 낮추는 것이 엄격한 CO2 제약이나 기상 변동성보다 시스템 비용과 경쟁력에 더 큰 영향을 미친다. 시스템은 연간 기상 변동성을 흡수할 수 있을 만큼 충분히 다각화되어 있다.
• 타당성: 2035년까지 최적화된 재생에너지 용량은 모로코가 발표한 2030년 재생에너지 프로젝트 파이프라인 범위 내에 잘 들어맞으며, 이는 제안된 경로의 기술적 타당성을 강화한다.

의의 및 주장
본 논문은 모로코의 국내 및 수출 야망 사이의 균형을 맞추기 위한 근거 기반의 가이드를 제공한다고 주장한다. 주요 기여는 다음과 같다:

1. 최소 비용을 넘어: 본 연구는 수소 전략을 단순히 최소 비용 기준으로 판단하는 것이 국가적 복지 이득을 과소평가할 위험이 있음을 입증한다. 더 높은 비용이 드는 경로(S1)는 산업 다각화와 지역 가치 사슬 형성을 통해 훨씬 높은 암묵적 복지를 창출한다.
2. 재무적 민감도: 모로코의 수소 궤적이 기술적 잠재력이나 기후 요인보다 저비용 자본(WACC)에 대한 접근성에 의해 좌우됨을 강조한다. 투자 리스크를 완화하기 위한 정책적 조치가 추가적인 규제 강화보다 더 효과적일 수 있다.
3. 구조적 동등성: 국내 탈탄소화 필요 규모가 수출 야망과 거의 동등함을 확립하며, 전략적 질문을 "얼마나 생산할 것인가"에서 "어디에 가치 창출을 우선시할 것인가"로 전환한다.
4. 정책 가이드라인: 본 연구의 결과는 계획 프레임워크가 단순한 최적화 관점이 장기적인 산업 역량 형성을 과소평가할 수 있음을 인정하고, 국가 발전 우선순위를 반영하기 위해 비용 지표와 함께 복지 기반 지표를 통합해야 함을 시사한다.

한계점
저자들은 항만 인프라 비용, 파생물의 지역 간 운송 비용, 하류 암모니아 제품(예: 요소)의 생산 등을 제외했다는 한계를 언급하였다. 또한, 모델은 시간 단위 이하의 유연성, 상세한 입지 제약, 미래 시장 잠재력에 대한 확률적 불확실성을 추상화하였다. 아울러, 본 연구는 산업 역량을 재생에너지가 풍부한 원격지로 이전하는 데 따른 사회경제적 과제에 대한 심층적인 영향 평가를 수행하지 않았다.