Issue
04
1. 서론
물(Water), 에너지(Energy), 식량(Food) - 세 가지 자원의 확보 문제는 시대와 국가를 초월한 인 류 공통의 과제이다. 최근에 이슈가 되고 있는 중국 과 동남아시아 국가들 간의 메콩강 물 분쟁, 화석연 료를 중심으로 전 세계를 수시로 위협하는 에너지 공급 불안정, 기후변화 및 인구편중으로 인한 식량 부족과 같은 거대한 사회적 이슈들은 최첨단 기술
을 누리고 있는 현대 사회에서도 해결하지 못한 숙 제로 남아있다. 이미 수십 년 전부터 자원 부족 문 제는 예견되어 왔으며, Bonn 2011 Conference에 서 Water-Energy-Food Nexus (이하 W-E-F Nexus) 주제를 소개하고 논의하기 시작한 것을 기 점으로 이들 세 자원의 안정적인 확보와 효율적인 이용방안이 크게 주목받기 시작하였다. 한국과학기 술기획평가원(2014)에서 미 국가 정보위원회(NIC, National Intelligence Council)의 「Global Trends 2030」을 분석한 결과, 이들 세 자원의 수요가 크게 증가할 것으로 예상되나 생산성은 지속적으로 하락 하고 있어, 인류 4대 메가트렌드로 식량-물-에너 지 위기를 제시하는 등 사실상 자원 부족 문제가 심 각한 위협으로 받아들여지고 있음을 시사하였다.
필자는 물과 미래 2015년 4월호에 게재된 “Water- Energy-Food Nexus 기술이란?” 제목의 학술기 사에서 W-E-F Nexus의 기본 개념과 관련 연구 의 필요성을 언급한 바 있다. 본고에서는 W-E-F Nexus의 기술적인 개념을 소개하고, 자원 간 연계 및 정량적인 해석 방법을 소개하고자 한다. 특히 다 양한 정보 및 데이터의 수집과 분석을 통한 국가별 W-E-F 자원의 데이터베이스 구축 방안과 해석모 형의 개발방안을 제시하였으며, 국내에서 W-E-F Nexus 해석 모형을 개발할 경우, 그 방향성과 가능 한 적용 방안에 대하여 제시하였다.
강 두 선
경희대학교 사회기반시스템공학과 교수
doosunkang@gmail.com
Water-Energy-Food Nexus 해석을 위한 데이터베이스 구축 및 모형개발
정 기 문
경희대학교 사회기반시스템공학과 석·박사 통합과정
gimoon1118@gmail.com
Albert Wicaksono
경희대학교 사회기반시스템공학과 박사과정
albert.wcso@gmail.com
2. W-E-F Nexus의 개요 2.1 W-E-F Nexus의 정성적 이해
W-E-F Nexus 기술이란, 인류생존에 가장 중요 한 물, 에너지, 식량 자원의 연계성을 파악하고, 이 들 자원을 안정적으로 확보하여 효율적으로 이용하 기 위한 통합 관리 기술의 총칭이다. 예를 들어, 물 과 에너지 자원 간의 연계를 설명하자면, 에너지를 생산하기 위하여 냉각수, 플랜트 설비 운용 등의 목 적으로 물 자원이 소모되며, 반대로 용수를 처리하 고 수요지로 공급하기 위해서는 에너지가 소모된 다. 한편, 식량을 재배, 생산, 공급하기 위해서는 물 과 에너지 자원이 소모되고, 반대로 작물을 이용해 서 에너지를 생산(바이오연료 등) 하는 경우도 존재
한다. 이렇게 각각의 자원을 생산, 공급함에 있어서 다른 자원들이 밀접하게 연관되어 있음을 알 수 있 다. 따라서, 실제로 각각의 자원을 생산, 공급하기 까지 소모되는 타 자원의 현황을 정량화하여 파악할 수 있다면, 세 가지 자원의 생산, 공급, 소비를 한눈 에 분석하여 효율적인 관리가 가능할 것이다. 이러 한 해석 결과를 통해 국가별 혹은 지역별 정책 시나 리오, 그리고 더 나아가서 국가 간 자원의 이동 및 분배 전략을 결정하기 위한 기초 자료로 활용하여 각각의 자원을 효율적으로 관리할 수 있도록 한다.
이들 세 자원 간 연계이외에도 기후변화, 환경, 정책 등의 외부요소들 또한 자원안보에 영향을 미치는 것 으로 알려져 있으며, 이러한 관계를 개념적으로 정 리하면 그림 1과 같이 나타낼 수 있다.
그림 1. Water-Energy-Food Nexus 개념도
2.2 W-E-F Nexus의 정량적 이해
물, 에너지, 식량 중 두 가지 자원 간 연계를 통
해, 하나의 자원이 다른 자원의 생산에 기여하는 양 을 정량화함으로써 넥서스에 대한 보다 구체적인 이 해가 가능하다. 아래에서는 자원 간 Nexus Activity
를 간단히 소개하였다.
1) Water ⇔ Energy
IEA(International Energy Agency, 2012)에서 조사한 자료에 의하면, 2012년 미국에서 에너지 자 원 채취 및 생산을 위해 사용된 물은 전체 물 사용량 의 약 19%를 차지하고 있으며, 이는 공공용수 및 가 정용수 소비량의 약 2배에 해당하는 양이다. 또한 EPRI(Electric Power Research Institute, 2002) 의 조사 결과에 따르면, 용수의 생산 및 공급에 사용 되는 에너지 비율은 미국 전역에서의 에너지 사용량 대비 약 6.1%인 것으로 알려져 있으며, 특히 캘리포 니아 지역의 경우 20% 수준에 이른다.
2) Energy ⇔ Food
유럽의 JRC(European Commission Joint Research Centre, 2015)의 조사결과, 유럽 전체 식량 생산, 가공 및 수송을 위해 총 에너지 소비량 의 약 15%에 달하는 에너지가 사용되고 있으며, 이 는 가정용 에너지 사용량(25%)의 약 2/3에 해당하 는 양이다. 미국, 캐나다, 브라질 등에서는 옥수수, 사탕수수, 고구마 등의 곡물을 이용한 바이오에너지 산업이 발달하였다. 하지만, 최근에는 곡물을 생산 하기 위해 필요한 용수공급 문제와 곡물가격의 상승 을 부추기는 원인으로 지적되면서 바이오에너지의 생산량 조절이 필요하다는 의견도 대두되고 있다.
3) Food ⇔ Water
식량의 재배와 가축의 사육에 소모되는 농·축산 용수는 모든 용수사용량 중에서 가장 큰 비중을 차 지한다. 앞서 언급된 IEA의 자료에 의하면, 미국에 서 식량 자원을 생산하기 위해 사용된 물은 전체 물 사용량의 약 70%에 해당하며, 우리나라 역시 농업 용수 사용량이 약 60%에 달한다. 따라서, 식량 정책 에 따라 수자원 상황이 매우 큰 영향을 받게 될 것임 은 쉽게 짐작할 수 있다.
3. W-E-F Nexus 해석을 위한 데이터베이 스 구축
3.1 W-E-F Nexus 데이터 수집
대부분의 국가에서는 물, 에너지, 식량 등 각각의 자원을 별도로 관리하기 위한 부처 및 시스템이 존 재하고, 하나의 자원을 관리하기 위한 기관도 다수 존재한다. 이와 같은 상황에서 자원 간 공급 및 수 요와 관련한 분류 체계는 통일되어 있지 않은 실정 이며, 관련 자료 수집 시, 다수의 기관으로부터 자 료를 제공받아야 하는 불편함은 물론 계측 방법 및 분류 체계에 따라 일부 자료에 오차가 있거나 자료 의 검증이 불가능한 경우도 존재한다. W-E-F 관 련 기술 개발에 관심을 두고 있는 국가에서는 이미 이러한 문제점을 수차례 지적한 바 있고, W-E-F 관련 데이터를 손쉽게 관리하고 활용하기 위해 많 은 노력을 기울이고 있다. 예를 들어, FAO(Food and Agriculture Organization of the United Nations)에서는 가상수 데이터베이스 구축을 위해 몇 가지 주요 농작물의 재배 과정에서 소비되는 물 자원의 규모(m3/ha)를 국가별로 수집한 바 있으며, USGS(United States Geological Survey)에서는 공공, 농·축산업, 에너지 생산 등 다양한 용도로 소 비되는 물 자원의 규모(m3/day)를 국가별로 수집하 는 등 전 세계적으로 많은 데이터베이스의 구축 사 례가 존재한다 (표 1 참조). 본 연구에서는 이처럼 여러 기관에 산재해 있는 관련 자료를 수집하여 엑 셀(Excel) 기반의 데이터베이스를 구축하였으며, 이 를 통해 W-E-F Nexus의 관련정보에 쉽게 접근할 수 있고 또한 개발 중인 W-E-F Nexus 해석모형 의 입력 자료로 활용하도록 기획하고 있다.
3.2 W-E-F Nexus 데이터베이스 개발 방안 W-E-F Nexus 데이터베이스는 1차적으로 물, 에너지, 식량 자원의 생산과 소비에 관한 통계 자료
의 총 집합체라고 볼 수 있다. 더 나아가, 각 자원 별로 공급원 및 생산 방식에 따른 생산 현황을 구분 할 필요가 있고, 소비 형태에 따라 자원 이용 현황을 구분하여 제공하는 것 또한 중요하다. 따라서, 데이 터베이스는 방대하면서도 다양한 형태의 자료를 취 합, 수정 및 보완할 수 있어야 하며, 동시에 이용자
들로 하여금 각각의 목적에 맞는 자료를 쉽게 취사, 선택할 수 있게 하여야 한다. 그림 2(a)는 본 연구 에서 구축된 Excel 기반의 데이터베이스를 나타내 며, 해당 페이지의 좌측에서 사용자가 선택한 주요 Category별 현황 및 간단한 통계결과를 우측에 그 래프와 도표의 형태로 제공한다.
표 1. W-E-F Nexus 데이터베이스 관련 문헌
그림 2(a). W-E-F Nexus 데이터베이스 사용자 화면
또한, 개발된 데이터베이스는 사용자에게 자료공 급의 용도뿐만 아니라 모형해석을 위한 입력자료 공 급의 역할도 수행한다. 이는 향후 W-E-F Nexus 해석 모형이 고도화될수록 자료 입력 방식이 복잡해 져 데이터베이스에 대한 의존도가 높아질 수 있기 때문이다. 따라서, 데이터베이스는 해석모형과의 뛰
어난 연동 능력을 갖춰야 할 필요가 있으며, 본 연구 에서는 역시 Excel 기반의 Input Data Sheet 형태 를 거쳐 자동적으로 Nexus 해석모형의 요구에 맞는 입력 자료를 구성할 수 있도록 데이터베이스 개발 방안을 고려하였다 (그림2b 참조).
그림 2(b). 데이터베이스와 W-E-F Nexus 해석모형의 연동 과정
4. W-E-F Nexus 해석을 위한 모형개발 4.1 W-E-F Nexus 해석모형의 개발 동향
2011년 Bonn 2011 conference를 기점으로 다수 의 해석모형이 개발되고 있다. 대부분의 넥서스 해 석모형은 자원 간 복잡한 연계상황 및 기후변화 등 외부요인에 의한 영향을 고려하기 위해 컴퓨터 기반 의 평가·예측 모형 개발이 주를 이루고 있는 것으 로 파악되었으며, 이들 모형은 시나리오 기반의 시 뮬레이션을 주로 수행하는 것으로 알려져 있다. 특 히 자원 간 feedback해석을 위해 시스템동적모형 (System Dynamics Model)을 주로 사용하고 있다.
현재까지 개발된 W-E-F Nexus 해석 모형 몇 가
지와 간략한 특징을 표 2에 정리하였다. 비교적 잘 알려진 WEF Nexus Tool 2.0의 경우, 카타르 자국 내 식량 공급을 목적으로 타 자원의 자급, 수입 현황 자료 등을 받아들여, 소비된 에너지와 물 자원 현황 및 안정적인 식량 공급을 위해 필요한 에너지와 물 자원 요구량 등을 결과로 도출한다. 이는 식량 자원 확보를 중심으로 한 일방향연계(one-way) 해석모 형이라는 단점을 갖고 있다. 여타 모형들의 경우에 도 자원 간 양방향연계(feedback) 해석이 미흡하고, 지역 간 자원 교역(trading) 등 실질적인 계획 및 정 책적 의사결정 시스템으로 활용하기에는 부족한 것 으로 조사되었다. 따라서, 자원의 통합 관리 기능을 갖춘 W-E-F Nexus 해석모형의 개발이 필요할 것 으로 판단된다.
4.2 W-E-F Nexus 해석모형의 개발 방안
W-E-F Nexus 해석 모형의 가장 큰 특징이자 역할은 타 자원의 생산 및 공급을 위해 필요한 특 정 자원의 요구량, 다시 말해, 간접수요량(Indirect Demand)을 산정하는 것이라고 할 수 있다. 간접수 요량이란, 직접수요량(Direct Demand)과 구분하여 특정자원의 생산과 공급에 소요되는 타자원의사용 량을 의미한다. W-E-F Nexus 해석 모형은 개발 목적에 따라 다소 차이가 있을 수 있으나, 대부분 자 원의 공급안정성 평가 및 지속가능성 예측 등을 주 요 기능으로 하고 있다. 따라서 자원 공급/수요 배 경의 변화와 자원 간 연계 효율을 고려하여 간접 수 요량을 정확히 산정하는 것이 W-E-F Nexus 해석 모형의 핵심 기능이며, 이를 위해서는 다음과 같은 모형 개발 과정이 필수적이다.
a) 적용 대상지역의 기초자료 수집 및 W-E-F 자원 의 공급/수요량 초기 설정
b) 적용 대상지역에서 발생하는 Nexus Activity 구 분 및 Activity 별 효율 설정
c) 모의 기간 설정 및 각 자원의 생산/소비 시나리오 설정
d) 각 자원의 공급 가능량 및 (직·간접)수요량 산정
f) 모형의 정책 활용 (예, 공급/수요 예측결과 비교 를 통한 공급안정성 평가 및 지속가능성 예측)
본 연구에서는 상용 시뮬레이션 프로그램 중 하나 인 Vensim(Ventana Systems, 2013)을 활용하여 W-E-F Nexus 해석모형을 개발하였다. Vensim은 시스템 동적모의가 가능한 모형 중 하나로 다양한 변수 간 feedback 분석과 장기간 모의에 적합하고, 간편한 User Interface로 모형의 개발 과정 및 시뮬 레이션 결과의 파악이 용이하다는 장점이 있다. 그 림 3은 앞서 소개한 과정을 따라 구축된 모형의 개 요를 나타내고 있으며, 요소 간 Arc의 연결을 통해 자원 별 또는 자원 간 feedback 해석 과정을 포함하 고 있다.
4.3 W-E-F Nexus 해석 모형의 활용 방안
최근 국내에서도 W-E-F Nexus 연구의 필요성 에 대한 공감대가 형성되고 있다. 예를 들어, 자원이 용의 효율화를 위한 요소기술 개발, 정부 부처 간 협 력체계 구축, Nexus 기술의 적용대상 선정 등의 주 제로 기획연구가 진행 중에 있으며, 앞으로 관련한 연구는 점차 확대될 것으로 판단된다. 특히, 자원안 보를 위한 의사결정도구로써의 기능을 수행할 수 있 표 2. W-E-F Nexus 해석모형의 개발 사례
는 해석모형의 개발에 대해 관심이 높아지고 있다.
본고에서 제시하고 있는 W-E-F Nexus 데이터베 이스와 해석모형은 다양한 방법으로 활용이 가능할 것으로 판단되며, 요약하면 다음과 같다.
• W-E-F Nexus 해석을 통한 평가 대상지역 내부 의 W-E-F 자원 이용효율 평가
• 자원안보 극대화, 생산비용 최소화를 목적으로 한
자원배분 최적화 (그림 4a 참조)
• 기후변화, 자원고갈, 도시화 등 외부요인 변동에 따른 사회-경제적 영향 평가와 대안 마련
• 지역·국가 간 자원교역을 통한 자원안보 모색(그 림 4b 참조)
• 주요 정책 결정을 위한 기술적 기초자료 제공 및 의사결정 지원 시스템 개발
그림 3. W-E-F Nexus 해석모형 예시
그림 4. W-E-F Nexus 해석모형의 활용 방안
(a) (b)
5. 결론
W-E-F Nexus는 분명 전 세계적으로 크게 주목 받는 이슈이며, 관련 연구가 지속적으로 확대될 것으 로 판단된다. 지금까지 국내 연구가 미진한 것이 사 실이지만, 관련 연구의 필요성을 인식하고 국내 여건 에 맞는 맞춤형 기술 개발을 시작으로, 세계적인 기 술수준에 도달할 수 있도록 신중한 접근과 노력이 필 요한 시점이다. 현재 본 연구팀에서는 보다 많은 정 보와 데이터를 처리할 수 있는 데이터베이스 구축과 다양한 Nexus Activity를 추가 고려하여 해석모형을 개선해나갈 계획이다. 또한, 최적화 옵션을 통해 국
가 자원안보를 위한 국내 자원생산량 및 국가 간 자 원교역량을 추정할 수 있는 기능을 추가할 계획이다.
국내에서 W-E-F Nexus 연구가 꽃을 피우기 위해 서는 수자원-에너지-식량 전문가의 적극적인 참여 와 더불어 부처를 초월한 협력적 연구가 수행되어야 할 것임을 우리 모두가 인식하여야 한다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리사업의 연구비지원 (14AWMP-B082564-01)에 의해 수행되었습니다.
참고문헌
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