- 한계비용은 수요 또는 생산량이 한 단위 변할 때 소요되는 비용이다.
- 회피비용은 전력수요가 감소하였을 때 전력을 공급하는 회사가 회피하는 비용이다.
- 수명기간 균등화비용은 할인율(discount rate)을 사용해 발전기의 수명기간에 걸쳐 연도 별 비용의 현가의 합을 연도 별 발전량의 현가의 합으로 나눈 것이다.
- LCOE는 전력회사의 시스템에 자기가 소유한 발전기가 생산한 전력을 판매할 때 받아야 할 가격의 하한선이다. 
- 전력회사는 전력시스템에 전력을 판매하려는 발전기가 있는 경우와 없는 경우의 시스템비용의 차이를 구해 회피비용을 계산하고 이것을 LCOE와 비교한다.
- 그리드 패리티(grid parity)를 평가하는 것은 대상 발전기의 LCOE의 경제성을 검토하기 위한 것이다.

김영창 공학박사

한계비용(marginal cost)과 회피비용 
전력사업의 설비확장계획, 요금설계, 수요관리(DSM, demand side management)계획 등에서 한계비용의 계산이 필요한 경우가 많다. 한계비용이란 수요 또는 생산량이 한 단위 증가할 때 추가로 소요되는 비용을 뜻하며, 전력사업의 경우  또는 로 표현된다. 이것은 단기(short-run)에서는 전력수요가 한 단위 증가하였을 때 소요되는 추가적 시스템운용비를 뜻하고, 장기(long-run)에서는 시스템운용비와 건설비의 추가적 비용을 뜻한다. 
증분의 크기가 대단히 작으면 한계비용은 미적분학의 도함수(derivative)의 개념으로 설명할 수 있다. 전력시스템에서 아주 작은 값을 택해 한계비용을 계산하기에는 문제가 있다. 발전설비용량 또는 전력수요가 1억 킬로와트 규모인 경우 1킬로와트의 증분에 대한 시스템운용비의 차이를 시뮬레이션에 의해 계산하는 것은 어렵기 때문이다. 그러므로 발전시스템의 규모로 보아 전력수요가 바뀔 때, 미래의 연도별 발전기 건설계획에 변동이 있을 수 있는 정도의 크기를 택해 증분(increment)을 계산한 다음, 이 값을 1킬로와트 또는 1메가와트에 대한 비용으로 환산해 나타낸다. 이것을 평균증분비용(average incremental cost)이라고 말하며 한계비용의 대용물(proxy)로 사용하는 것이다. 한계비용은 계산 대상기간에 따라 연간 한계비용 또는 시간대 별 한계비용으로 구분할 수도 있는데 이 경우, 대상 전력수요는 연간수요 또는 시간대별 수요를 택해 계산한다. 한계비용은 증분비용(incremental cost)이라고 말하기도 한다. 
회피비용은 전력회사가 추가적으로 킬로와트 혹은 kWh를 공급하지 않을 경우 회피할 수 있는 비용이다. 회피비용(avoided cost)은 회피설비비용과 회피에너지비용으로 구분할 수 있는데, 회피설비비용은 전력수요 감소에 따라 발전기 투자비가 얼마나 절감되는가를 나타내는 수치이며 회피에너지비용은 전력수요의 감소에 따라 연료비, 가변 운전유지비(variable O/M cost)가 얼마나 감소되는가를 나타낸다. 다시 말하면 회피설비비용은 추가로 발전설비 1킬로와트를 공급하는 전력회사의 비용으로 정의될 수 있고, 회피에너지비용은 추가로 전력량 1kWh를 생산하는 전력회사의 비용으로 정의될 수도 있다. 
전기사용기기의 효율개선이나 또는 수요관리(DSM)의 대안을 평가하기 위해 회피비용을 사용할 경우, 전력회사는 먼저 미래의 어떤 시점에 대해 회피비용의 크기를 계산해야 한다. 미국의 경우, 회피비용을 결정하는 절차는 규제위원회(Public Utility Commission)나 또는 다른 규제기관(regulatory institute)에 의해서 통제를 받게 된다. 일단 회피비용이 결정되면, 각각의 수요관리의 대안 또는 효율개선 대안의 시행비용을 평가하고 이것을 그 대안들의 연간 설비용량 및 에너지 절감량(각각 킬로와트와 kWh)을 회피비용에 곱해 얻은 값과 비교한다. 이 과정에서 분명한 이점은, 일단 회피비용이 계산되면, 여러 수요관리대안에 대한 비용/편익의 평가가 쉽게 이루어진다는 것이다. 즉, 공급측 자원과 수요측 자원을 공평한(동등한) 조건(level playing field)에서 비교하고 평가할 수 있다. 
미국의 경우 전력회사가 자체적으로 발전설비를 확충하지 않고 유자격설비(QF, Qualifying Facility)에서 전력을 구입할 경우, PURPA(Public Utility Regulatory Policy Act)의 규정에 따라 회피비용에 의해 구입하도록 되어 있다. 이 경우 전력회사는 유자격설비가 전력시스템에서 수명기간 동안 발전할 경우, 유자격설비가 시스템운용에서 급전이 되는 경우에 대해 건설비 및 연간 운전비용과 발전량을 사용해 회피비용을 계산하고 유자격발전기에서 전력을 구입한다. 이 경우 유자격설비가 존재하므로 전력회사는 자신의 발전기가 공급할 전력수요가 감소한다.
회피비용은 배전용 변압기의 구입에 관련된 의사결정에도 사용될 수 있다. 이 경우, 가격 및 용량에 따라 변압기의 연간손실(유효전력손실, 무부하손실 등)이 다르므로 수명기간 동안 시스템부하의 차이가 발생한다. 새로운 변압기(가격이 비싸지만 손실이 작은 변압기)를 구입할 경우, 손실감소를 위한 투자와 이에 따른 공급비용의 감소를 비교해 변압기 구입의 경제성을 평가할 수 있다. 이때 손실감소에 따른 연도 별 시스템운용비 및 설비투자의 절감비용을 계산하고 회피에너지비용과 회피설비비용을 계산할 수 있다.

회피비용의 계산
회피에너지비용과 회피설비비용을 계산하려면 시스템운용비계산(Production Costing) 모형을 내부에 포함하고 있는 비용최소화 발전기건설계획 모형(Least Cost Generation System Expansion Planing Model)을 사용해야 한다. 이와 같은 전산모형은 전력시스템의 수요특성과 예측된 연도 별 최대수요, 기존의 발전설비, 연료에 대한 가격전망, 발전기의 건설비, 기존 및 미래의 발전기 운전특성 및 고장정지확률 등을 고려해 연도 별로 시스템운용비를 계산하고 연도별 투자비와 시스템운용비의 현가의 합을 최소로 하는 발전기 건설계획을 찾아내기 때문이다. 이렇게 찾아낸 발전기 건설계획은 발전시스템의 공급신뢰도를 유지하기에 충분한 설비예비력을 확보하도록 하는 계획이다. 설비예비력을 확보하기 위한 제약조건은 발전기의 확률적 고장정지 등에 대비한 신뢰도제약조건(예, LOLP: loss of load probability)을 말한다.
비용최소화 발전기건설계획수립모형을 사용하면 회피비용 계산이 가능하다. 회피비용은 평가하고자 하는 대안 발전기(일반적으로 분산형 발전기)가 존재하지 않을 때와 존재할 경우의 계획의 비용 차이를 의미한다. 비용 차이는 회피설비비용 및 회피에너지비용을 파악하는 데 사용된다. 첫 번째 계산은 기준 케이스로 현재와 미래의 시스템 특성에 관해 가능한 한 정확하게 모델링한 상태에서 비용최소화 발전기건설계획을 수립하는 것이다. 두 번째 계산은 변경케이스(change case)의 경우로, 기준안과 동일한 모델과 데이터를 사용하지만, 연도별 수요가 첫 번째보다 일정 부분만큼 감소된 수요를 대상으로 해 비용최소화 발전기 건설계획을 구한다. 이 경우 연도별 발전소 건설계획이 변하며, 따라서 연도 별 설비구성도 바뀔 수 있으며 연도별 시스템운용비도 변한다. 두 번째 계산에서 수요 감소의 정도는 전력회사가 전력시스템의 외부에서 전력을 구입함에 따라 자신이 공급해야 할 전력수요가 어떻게 감소하는가를 평가해 계산한다. 또한 전기기기의 효율개선, 소비절약, 그리고 수요관리계획 등을 평가할 때에도 예측한 전력수요 감소량에 바탕을 두어 회피비용을 계산한다.

비용최소화모형과 회피비용의 계산
그림-32는 전력시스템 외부의 급전불가능 발전기에서 전력을 구매하지 않는 경우, 최소비용의 발전시스템확장계획을 나타낸 것이다. 매 연도 별로 주어진 발전설비를 이용해 부하지속곡선과 발전기의 고장정지확률을 이용해 시스템운용비를 계산하고 어떻게 연도 별로 발전기를 추가하면 연도 별 발전기의 투자비의 현가의 합과 연도 별 시스템운용비의 현가의 합이 최소가 되는가를 구한다. 연도별 신규 발전기 추가는 수요의 증가에 따라 신뢰도제약조건을 고려해 결정된다. 시스템운용비를 시뮬레이션에 의해 계산할 때 가장 취급하기 어렵고 계산시간이 많이 소요되는 것이 개별 발전기의 확률적 고장정지(forced outage) 상황을 고려하는 방법이다. 이 계산에 더해 여기에 시간의 흐름에 따른 전력수요의 증가를 고려해 발전기의 추가계획을 동적시스템 분석(dynamic system analysis)에 의해 구하는 것이다. 
    
회피설비비용과 회피에너지비용의 도출 예시
그림-33은 전력시스템 외부의 급전불가능 발전기로부터 전력을 구매함에 따라 전력회사가 공급해야 할 전력수요의 감소를 미래의 수요증가에 반영해 변경케이스를 작성하고 최소비용의 발전기건설계획을 수립하는 것을 설명하고 있다. 전력수요의 감소는 기준케이스와 비교해 발전기건설이 지연되는 결과를 가져오며 동시에 연도 별 시스템운용비도 낮아진다. 따라서 두 개의 최소비용의 발전기건설계획에 대한 목적함수 가운데 발전기건설이 지연됨에 따른 연도 별 투자비의 감소내용을 파악할 수 있다. 이것이 회비설비비용의 현가이다. 그림-33을 보면 부하지속곡선이 축소되어 점선으로 나타나며 연도 별 시스템운용비가 감소한 것을 알 수 있고 이 금액이 연도 별 회피에너지비용이다. 변동운전유지비(variable O&M cost, 이 부분은 발전량의 감소에 따라 운전유지비의 변동이 예상될 경우 사용함)의 감소와 함께 연료비 감소가 주요 내용이다. 두 개의 전력수요에 대해 시스템비용 계산과 발전기건설계획이 결정되는 과정에서 회피설비비용과 회피에너지비용을 산출할 수 있다. 회피설비비용과 회피에너지비용의 합을 연도 별로 감소된 발전량의 현가의 합으로 나누면 회피비용이 되며 LACE(Levelized Avoided Cost of Electricity)라고도 한다.

LCOE(Levelized Cost of Electricity)의 개념
LCOE란 어떤 발전기의 수명기간 동안 투입되는 각 연도의 비용의 현가의 합을 각 연도의 발전량의 현가의 합으로 나누어 구한 값을 의미한다. 여기에서 설명하는 LCOE 계산의 대상이 되는 발전기는 급전불가능발전기(NDT, non-dispatchable technology)이며 대부분의 분산형발전기(dispersed generation 또는 embedded generation)는 급전불가능 발전기이다. LCOE의 계산 공식은 다음과 같다

LCOE를 계산할 경우, 발전기 건설계획수립에서의 LACE를 계산할 때와 같은 동일한 가정을 해야 하며 주로 물가상승 없는 실질현금흐름(real cash-flow)을 사용하고 실질할인률(real discount rate)을 사용한다. LCOE에 사용되는 발전량을 입력하기 위해서는 그 용량과 일 년 동안의 이용률(capacity factor) 자료가 필요한데, 급전불가능 발전기 또는 분산형 발전기의 LCOE를 계산할 경우 발전사업자의 과거 운전 경험이나 자연조건을 정확하게 고려해 발전기의 이용률을 수명기간 동안 추정해야 한다. 이러한 이용률 값은 불확실성이 높아 급전가능발전기의 LCOE의 계산은 무의미하다는 지적도 있다. 
LCOE는 발전시스템에 대한 정보가 없는 발전사업자(주로 분산형 발전기를 소유한 사업자)가 전력회사에 전력을 판매할 때 자신의 발전기 투자비에 대한 수익률이 확보되는 최소 가격(원/kWh)을 알아보기 위해 개발된 지표이다. 
LCOE는 시장에 진입하려는 새로운 발전기에 대한 평가가 이루어질 뿐 현재 가동 중인 발전기에 대해서는 평가를 수행할 수는 없다. 또한 미국에너지정보청(USEIA, U.S. Energy Information Administration)도 LCOE를 발전원별 용량 규모나 가격전망에 직접 활용하지 않는다고 발표하고 있다. 분산형 발전기를 소유한 사업자는 발전시스템에 대한 모든 기술정보를 갖고 있지 않으므로 분산형발전기의 LCOE를 계산해 제시하고 전력회사는 LACE와 비교해 경제성을 판단한다. 회피비용(이 경우, LACE)과 LCOE를 비교해 보면 분산형발전기 또는 급전불가능 발전기의 경제성을 평가할 수 있다. 전력회사는 LACE가 LCOE보다 크다면 전체 시스템운용에서 볼 때 분산형 발전기에서 전력을 구매하는 것이 경제적이라고 판단하며 LCOE와 LACE가 같아지면 그리드 패리티(grid parity)에 도달하였다고 본다. 전력회사는 급전불가능 발전기의 운전에 필요한 백업발전기의 건설 및 운전비용과 전력시스템을 보강해야 할 필요가 있다면 시스템보강비용을 회피비용(LACE)의 계산과정에 포함시켜야 하며 급전불가능발전기 또는 분산형 발전기의 소유자는 LCOE를 계산할 때 추가적으로 필요한 투자비를 LCOE의 계산에 포함시켜야 한다. 

그림 32 원래의 발전기건설계획

그림 33 수요감소를 반영한 발전기건설계획