1. 서 론
현재 전 세계적으로 지속적인 인구증가와 도시화 및 산업화 영향으로 물, 에너지, 식량의 수요증가와 공급 부족이 예상되는 가운데, 급격한 기후변화와 자원고갈로 인해 이는 더욱 가속화되고 심화될 위기 에 직면하였다. 특히 물의 수요는 증가하나 공급은 제한되어 있어 지속가능한 인류의 생존을 위하여 인 간에게 꼭 필요한 에너지와 식량의 문제를 물을 중 심으로 상관성을 찾고 효율적인 물 활용 방법을 개 발하고 정책화할 필요가 있다.
특히 세계 물공급량 중 농업으로는 70%, 에너지 로는 15%로 소비되고 있다. 또한 유럽과 미국은 발 전용 냉각수로 각각 담수총량의 43%, 50% 등을 사 용하고 있는 등, 세계는 물, 식량 그리고 에너지 수 급의 불균형이 심화되고 상호 위기가 증폭되고 있 다. 현재는 인간의 삶에 절대적으로 필요한 세가지 자원이 복합적으로 연계되어 상호 위기가 증폭될 수 있는 실정이나, 우리나라는 개별자원에 대한 관 리 및 운영기술은 상당한 수준이지만 아직까지 연 계성을 이용하여 자원간의 효율성을 찾는 물-에너 지-식량 연계(Water-Energy-Food Nexus, WEF Nexus)에 대한 관리 및 기술 관리는 부족한 실정이 다. 국제적으로 세자원의 연계상황이 선진국과 개도 국간에 편차가 크고, 사막지대 등 자연조건이 열악 한 지역에서 자원들간의 위기 연계성이 높은 상황이
Issue
03
이 을 래 ●●●
K-water연구원 책임연구원 [email protected]
최 병 만 ●●●
K-water연구원장 [email protected]
채 효 석 ●●●
K-water연구원 수자원연구소장 [email protected]
정 영 훈 ●●●
K-water연구원 책임연구원 [email protected]
박 정 은 ●●●
K-water연구원 위촉선임연구원 [email protected]
지속가능한 물-에너지-식량 넥서스를
위한 추진전략 및 체계 도출
므로 우리나라도 물-에너지-식량의 연계위기 상황 을 정확히 파악하고 미래 환경변화에 대한 대응 방 안 수립이 필요하나, 현재 국내 물관리에 있어 저수 지나 수리시설 관리가 제대로 실행되지 못하고 있어 이를 방치할 경우 중장기적으로 식량생산에 있어 물 부족이 우려되고 있다. 또한 부처간의 행정적인 간 격으로 물-에너지-식량의 연계성 연구 및 정책수 립에 있어서 자료 절대적으로 부족한 실정이기 때문 에 체계적으로 빅데이터 기반의 DB구축 및 인벤토 리 정의 등도 현재시점에서는 절대적으로 필요하다 고 할 수 있다.
2. 연구동향
2.1 물-에너지-식량 상호 연관성
WEF Nexus에 관한 연구는 Bone2011 컨퍼런스를 기점으로 활발히 진행 중인 것으로 알려져 있다. 또 한 ‘15년 제7차 세계물포럼에서는 19개 프로그램에서 WEF가 논의되었다. 일반적으로 WEF Nexus는 물, 에너지, 식량 자원의 연계성을 파악하고, 자원을 효 율적으로 이용하기 위한 통합관리 기술을 의미한다.
즉 각각의 자원을 생산, 공급 및 소비함에 있어 다 른 자원들이 밀접하게 연관되어 있음을 알 수 있으며
이를 통해 실제로 각각의 자원을 생산, 공급하기까지 소모되는 타자원의 현황을 정확히 파악하고 정량화 하여 분석할 수 있다면 세가지 자원의 생산, 공급, 소 비에 대한 효율적 관리가 가능하게 된다.
미 국가 정보위원회(NIC, National Intelligence Council)에서는 오바마 2기 시대를 맞이하여 미래 예측 전망보고서(글로벌 트렌드 2030;대안적 세계) 를 제시하였는데, 여기에서는 2030년까지 인류의 삶에 파급효과가 큰 4대 메가트렌드를 제시였으며, 이중 WEF Nexus가 포함되어 있다. 보고서에는 이 러한 4대 메가트렌드를 극복하기 위해서는 맞춤형 기술혁신을 강조하기도 하였다.
그림 1. 물-에너지-식량 간 상호연계성
그림 2. 주요 4대 메가트렌드(NIC, 2012)
에너지와 식량의 생산을 위한 물 소비량의 파악을 위해서는 국가별 물사용량 지표인 물발자국(Water footprint) 및 가상수(Virtual water)를 활용할 수 있다. 이는 국가별 실제의 물소비량을 가늠하고 장 래 물부족에 효율적으로 대비하기 위하여 도입된 지 표로서 물 발자국은 그 국가에 거주하는 사람들이 소비하는 상품과 서비스를 생산하는데 필요한 물 의 양을 추적하여 계산한 값이다. 2004년에 발표된 UNESCO-IHP 연구자료에 의하면 우리나라는 평
가대상 100개 국가 중 15번째로 물 수입률(65%)이 높은 것으로 나타나있다. 우리나라의 경우 고부가가 치 상품의 수출이 많은 반면, 농산물·원유 등 저부 가가치 상품 대부분을 수입에 의존하므로 식량의 무 기화 및 보호무역에 매우 취약함을 의미하며, 만일 의 상황에서의 국내 자급을 위해서는 현 수준 사용 량의 1.4배의 물이 더 필요함을 나타낸다고 볼 수 있 다. 그림 3은 식량 및 에너지의 경우 소모되는 물의 양을 나타낸 그림이다.
[waterfootprint.org] [IEA WoldEnergy Outlook 2012, IRENA Desalination technology brief 2012]
그림 3. 식량 및 에너지자원의 물 발자국
2.2 물-에너지-식량 안보
지속가능한 확보 및 적정 배분을 위해서는 각 자 원간의 안보를 확보하는 것이 절대적으로 필요하 다. 물안보는 생계유지, 인간의 행복, 사회경제적 발전을 위해 자가오염(water-borne pollution)과 물관련 재앙을 예방하며, 정치적 안정과 기후학적 평화를 위해 생태계를 보존할 수 있도록 적절한 양
과 질을 갖춘 물에 지속적으로 접근할 수 있는 인류 의 능력(UN Water, 2014)을 의미하며, 식량안보는 활동적이고 건강한 삶을 영위하기 위하여 모든 사 람들이 언제나 자신의 섭취욕구와 식품기호를 만족 시킬 수 있을 정도로 충분하고 안전하며 영양가 있 는 식량을 물리적, 사회적, 경제적으로 얻을 수 있 는 상태(FAO, 2014)이다. 또한 에너지안보는 수용 가능한 가격 수준에서 필요한 에너지의 지속적인
공급 가용성(IEA, 2014)을 나타내고 있다. 각 자원 의 안보를 확보하기 위해서는 각 자원의 생산, 소비 및 공급체계를 정확히 판단하고 이에 대한 상호 연 관성을 충분히 검토하고 적용해야 한다.
3. 국내외 자원간 시장 동향 3.1 물분야의 시장동향
세계 물 공급량 중 농업용으로 70%, 에너지 산업 에서 15%가 소비(FAO, 2014)되고 있다. 영국의 물 전문 리서치기관인 GWI(Global Water Intelligence) 에 따르면 2010년 세계 물시장 규모는 4,828억 달러 로 추정되며, 연평균 4.9% 성장하여 ‘25년 8,650억 달러로 성장할 전망하였다. 한편 국내에서의 물시장 규모는 100억달러 규모로 호주(150억달러)와 스페인 (110억달러)에 이어 세계 11위 수준이다. 전체 농업 용수 공급 면적의 56%인 453천ha를 관개하고 있는 댐 및 저수지의 경우, 30년 이상 경과된 노후시설이 87%에 달하고 있는 실정이다. 국내 농업부문의 물 사용량은 전체 물 사용량의 62%를 차지하며, 수자원 공급시설 노후화가 심화되고 있어 개선하지 않을 경 우 중장기적으로 농업용수의 총체적인 공급 차질이 예상된다. 특히 기후변화 및 기상변동성 증가로 수자 원관리에 있어 어려움이 가중되고 있으나, 신규수자 원 개발은 답보상태에 있어 향후 지역적으로 물부족 이 우려되고 있는 실정이다.
3.2 에너지분야의 시장동향
세계적으로 석유, 가스 및 석탄 채굴 등 자원개발 과 원자력 및 화력발전의 냉각수 등이 주요 물 소비 분야이며, 특히 유럽과 미국은 발전용 냉각수로 담 수 총량의 43%, 50%를 각각 사용하고 있다(UN- Water 2014 통계). 국내에서는 국내 전기 사용량의 7%가 상수도 시설 운영에 소요되며, 취수장 연간전
력 사용량 1,315백만kWh, 정수장 연간전력 사용량 1,117.6백만kWh, 공업용 정수장 연간전력 사용량 32.4백만kWh, 공공하수처리시설 연간전력 사용량 2,530.6백만kWh를 차지하고 있으며 특히 한국은 에너지 안보상황이 매우 취약하여 129개국 중 103 위로 나타나고 있다.
3.3 식량분야의 시장동향
세계 주요 곡물가격이 지난 10년간 2-3배 상승하 였다(박평식 등, 2008). 기상이변의 상시적 위험과 수급 구조적 위험이 높아질 전망이며, 옥수수, 밀, 사탕수수 등 식량을 이용한 바이오연료 생산에 의 해 용수 및 식량수급이 위협받고 있다. 국내에서는 곡물자급율, 경지면적의 감소, 곡물 수입의 소수 국 가 및 기업 편중 등 식량수급 취약성이 심화되고 있 는 실정이다(성명환 등, 2012). 이에 대응하기 위해 서는 수자원관리의 효율성 재고, 자원안보 측면의 해외 농업전략, 국내 식량시장의 수급조절 기능강화 등의 연구가 추진되어야 한다. 국내 농업은 6차 산 업을 추구하면서 그 발전을 도모하고 있으나, 식량 생산을 위해 소요되는 물과 에너지의 효율적 이용 측면에서는 개선의 여지가 많은 상태이며, 특히 가 공과 유통에 있어서의 에너지 손실을 절감할 수 있 는 기술개발이 절실한 상황이고, 미래 불확실한 기 후변화로 인한 농작물 가격 불안정성 증가로 인한 서민 경제 부담 가중될 수 있다.
4. 물-에너지-식량 넥서스의 미래 추진방향
지금은 미래 기후변화 대응 및 국가 필수 자원 안보 체계 구축을 위해 물기반 국정 아젠다로써의 WEF Nexus 국가 실행계획이 필요한 시점이다. 인 구증가, 경제성장, 기후변화 등의 미래 환경변화에 대응하기 위한 한정적인 자원들의 효율적인 활용이
어려움에 따라 자원간의 연계성을 활용한 지속가능 한 자원 안보의 확보가 요구된다. 지속가능한 자원 확보를 위해 상호 연관성을 파악하고 자원간의 생 산 및 소비 연계를 통해 자원 활용의 효율성 증대와 다음 세대를 위한 자원의 확보 방안이 필요하다. 이 를 위해 정부 주도의 각 자원간 관리체계의 통합연 계 정책수립 및 실행계획 필요하며, WEF Nexus를 통한 자원 자립도 개선도 추진되어야 한다. 전지구 적 기후변화로 인한 수문기상학적 변동성 대응을 위 한 안정적인 자원관리 노력과, 인구변화, 토지이용 변화, 도시화, 산업고도화 등 환경변화에 따른 자원 간 연계성을 이용한 자원의 안보가 필요하다. 국민 생활 패턴의 변화로 인한 자원소비의 형태에 따른 새로운 개념의 자원연계성의 변화예측, 자원소비 예 측, 자원공급 관리전략이 추진되어야 하며, 기후변 화 등으로 인해 국제적인 물부족 심화에 따라 물의 가치가 지속적으로 증대되고 있어 미래 스마트 물산 업 대응 기술 융합을 통한 창조경제 실현이 요구된 다. 기후변화 및 물부족 현상에 대비하기 위해서는
기존의 물관리에서 탈피해 기후, 환경, 산업, 기술 정책 등을 포함한 통합적 관리체계 필요하며, 세계 물시장 개방 확대로 인해 기술융합형 중심의 WEF Nexus 기술 확보 시급하다. Nexus를 통한 국가 자 원안보 달성 및 신규시장 발굴 등 시너지 창출과 함 께, ICT를 활용한 수요관리 시장 구축, 신서비스 산 업 육성 및 일자리 창출 기여 필요하다. 경제활동의 주요 투입 요소인 물과 에너지, 식량 등의 상호 연계 가 경제 성장 등에 미치는 영향을 예측하고, 장기적 관점에서 대응방안 모색을 찾아야 한다. 그리고, 기 술융합형 물-에너지-식량 연계 기술 및 운영 Tool 확보가 시급하게 되는데, 세계 자원시장 개방확대로 인한 자원생산 및 소비 흔적추적을 위한 통합운영 관리시스템 필요하다. 지속가능한 물-에너지-식량 안보 연계를 위한 각 자원이 효율성이 다른 자원으 로 전달될 수 있는 연계기술 및 운영 Tool 개발이 수 행되어야 한다. 그림 4는 세계적으로 널리 활용되고 있는 WEF Nexus의 분석 Tool을 나타낸 것이다.
그림 4. WEF Nexus 분석 Tool 현황 (a) CLEW Model
(c) WEF Nexus Tool 2.0 Model
(b) MARKAL/TIMES Model
(d) WEAP-LEAP Model
5. 자원간 효율성 극대화 및 추진체계
WEF Nexus를 실현하기 위해서는 각 자원간의 효율성을 극대화할 필요가 있다. 과거에는 개별적 자원의 확보를 추구했다면 이제부터는 각 자원간의 상생을 통한 연계성을 확보하여 서로간의 자원 확보
를 고려하여 개발하여야 한다. 이를 위해 현재의 자 원확보에 대한 문제점들을 고려하여, 상호 연계를 통한 효율성을 확보하고 그 효율성이 각 자원에 영 향을 주어 시너지효과를 발생시킬 수 있는 방안으로 진행되어야 한다. 표 1은 이러한 방안의 구체적인 실천 방법을 제시한 것이다.
표 1. 자원간 연계를 통한 효율성 극대화 방안
연계 자원 효율성 극대화 방안
물 ↔ 에너지
• 발전에서 물이 차지하는 비중 경감
• 바이오에너지 신기술 개발
• 발전을 위한 물이용방안 개선
• 물공급 안정성 확보 방안
• 다목적댐의 효율적 활용
• 담수처리과정에서의 에너지 재활용
식량 ↔ 에너지
• 식량생산과 화석연료의 공정 분리
• 수확기 이후의 불필요한 에너지 손실 경감
• Green Agriculture 기술
• 자연강수를 활용한 농업생산 기술
물 ↔ 식량
• Virtual water trade
• 식량을 위한 물공급의 지속가능성 확보
• 식량의 생산과 소비에 있어서의 쓰레기 발생량 억제
출처 : California Government Department of Water Resources website 그림 5. 유역에서의 Grid를 통한 각 자원간 연계 및 활용방안
특정 유역에서의 각 자원간의 연계성은 스마트 그 리드로 구성되어 있다. 물과 에너지, 식량 등은 인간 생활, 공장가동, 연료생산 및 생태계에 모두 연결되 어 있는 그리드라고 생각할 수 있다. 따라서, 이러한 체계에서 특정 자원만 강조하고 개발을 추구하다보 면 다른 자원에서 수급의 불균형을 초래할 수 있게 되므로 모든 자원의 연계성을 고려한 개발은 미래의 자원확보의 가장 중요한 패러다임이 될 수 있다. 그 림 5는 각 자원간의 실질적 연계 및 적용방안을 나 타낸 그림이다. 이를 바탕으로 하여, 각 자원간의 효 율을 증대하기 위해 스마트 그리드를 반영하여 자원 의 안보를 확보하는 것이 중요하다. 표 2는 이러한 구체적 추진체계 및 방법론을 설명한 내용이다.
6. 맺음말
이제 우리는 인구증가 및 기후변화에 대응하여 물 관련 새로운 국정 아젠다를 준비하는 시점이며 수자 원 중심의 필수자원인 에너지와 식량의 상호연관성 을 충분히 검토하여 자원안보를 확보해야 한다. 이 에 대한 사항으로 다음의 세가지를 생각할 수 있다.
첫째, 통일대비 북한의 물-에너지-식량 문제 해결
을 위한 인도적 차원의 단계적 사업발굴 및 지원이 필요하다. 또한 이를 바탕으로하여 자원 효율과 효 과성을 고려한 한반도 국토 재창조 사업등과 연계 한 인프라 패키지 모델을 개발 및 적용할 때이다. 둘 째, 국제사회의 기여이다. 새로운 글로벌 아젠다인 SDGs를 실현하기 위해서는 우리나라의 경제규모에 맞는 국제사회 기여 요구가 증대되고 있다. 이에 맞 추어 ODA사업과 연계한 전략적이고 체계적인 개도 국의 수자원 개발 및 식량, 에너지 확보의 기반을 구 축할 의무가 있다. 셋째, 성장주도 산업의 육성이다.
글로벌 물산업은 인프라 구축 중심에서 수자원 효 율화, 통합관리, 산업간 연계 등 응용·융합기술 중 심으로 전환하게 되며, 물 희소성, 사회 및 기술변 화 등에 따라 물-에너지-식량 연계 뿐만 아니라 도 시계획, 교통, 공중보건, 환경보호 등을 고려해야 한 다. 세계는 물, 식량, 에너지의 수급 불균형이 심화 되고 있으며 상호 위기도 증폭되고 있다. 이에 우리 나라도 연계위기 상황을 인지하고 이에 대한 대응방 안 수립이 필요하다. 자원간 넥서스는 통합적 지속 가능한 전략을 위한 플랫폼으로 개발이 필요하며, 다양한 수준에서의 검토, 학문과 정부부처간 경계가 초월되어야 하며, 분야간 내부연계가 중요하다. 국 가는 기술과 더불어 지속가능한 발전 정책을 개발해 표 2. 자원간 Smart Grid를 통한 WEF Nexus 추진 방안
Goal Water-Energy-Food Security
Main Concept
•Smart Based Interaction among Sectors
Objective Maximize the efficiency of water, energy and Food
Expected Output Development of method to secure Green water, Green energy and Green Food
야 하는데, 물-에너지-식량 문제는 정책이 통합될 때 가장 효과적으로 해결이 가능하다. 최소비용으로 효율성을 극대화하고 자원간 효율성 전달 및 시너지 효과를 창출하기 위해 통합연계, 분석, 평가 및 의사 결정을 위한 국내실정에 적합한 Tool의 개발도 필요 하다. 이러한 다양한 노력을 통하여 각 자원의 연계 를 바탕으로 할 때 지속가능한 에너지의 생산 및 공
급이 가능할 것이라 판단된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비 지원(11기술혁신C06)에 의해 수행되었습니다.
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