구분 선행연구와의 차별성
연구목적 연구방법 주요 연구내용
본 연구
-개별 업종이 아니라 우리나라 전체를 대상으로 상향식 모형을 설정. 산업계 전문가들이 검증한 감축수단을 활용하여 기후변화 정책의 효과를 분석하는 모형 설정
-상향식 모형을 하향식 모형과 통합하여 저탄소 정책이 경제에 미치는 파급효과를 분석할 수 있는 통합모형 개발
-상향식 모형 (MARKAL)을 통한 저탄소 정책의 비용 효과성 비교 분석
-우리나라 전체의 기준에 너지 시스템 설정 -저탄소 감축수단 분석 -온실가스 감축 잠재량 및
감축비용 분석
-비용 효과적인 온실가스 감축전략 제시
-하향식 모형과의 통합방 안 제시
MARKAL의 목적함수는 비용함수이다. 비용함수에는 기술의 투자비, 고정유지비용, 변동유지비용, 연료비용, 잔존가치 등이 포함되며 제약조 건으로는 전력, 열 및 모든 에너지의 수급 균형, 오염물질 배출량 등이 사용된다. 목적함수로는 비용함수 이외에 안정도 함수, 비용-안정도 결합 함수, 환경함수 등을 사용할 수 있다.
선형문제의 값으로서 모형에서 결정되는 변수(decision variables)는 1 차 에너지의 수출･입 및 국내 생산량(공급량), 각종 기술(자원기술, 전환 기술, 가공기술, 수요기술 등)의 투자 규모와 설비용량 및 활동 수준, 오 염물질 배출량 등이 있다.
MARKAL에서는 생산함수가 간접적으로(implicitly)으로 정의되며 개 별 기술의 기술적이고 경제적인 모수(technical and economic
parameters)가 모형에 사용된다는 점에서 MARKAL은 기술에 기반을 둔
(technology explicit) 모형이다. MARKAL은 최대 15개 지역모듈 (regional module)까지 모형화(multi-regional)할 수 있기 때문에 에너지 교역을 분석할 수 있는 장점이 있다. 또한 주어진 가격에서 에너지 및 물질의 흐름(flow)을 결정하여 이러한 가격 수준에서는 에너지 및 물질 의 생산자가 공급하는 양이 소비자가 소비하는 양과 일치된다.
개하면 표준 모형(standard MARKAL), 거시경제 모형(MARKAL-Macro), 다지역 모형(Multi-region Model), Stochastic MARKAL, 탄력적 수요 모형(MARKAL-ED (Elastic Demand)), TIMES 등이 있다.
구분 구성 요소 내용
모형 명칭 MARKAL 국제에너지기구(IEA)의 에너지 시스템 분석(ETSAP) 모형
모형의 유형
상향식 최적화 최소비용의 에너지 시스템 구축 동적 선형계획 장기간을 고려한 최적화 달성 부분균형 접근법 주어진 최종수요를 충족하기 위한
최소비용의 에너지 시스템 구축 목적함수 비용함수 비용함수의 최소화
모형의 구성
목적함수 기술관련 비용의 할인된 총비용 제약조건 에너지 및 물질의 수급조건 결정변수 에너지 공급량, 기술의 투자/활동수준
<표 Ⅱ-8> 분석모형의 개요
나. 목적 함수
목적함수로 비용함수가 사용되며 비용함수는 에너지 시스템의 할인된 총비용을 나타낸다. 시스템의 할인된 총비용으로 다음의 비용이 포함된다.
․기술에 대한 연간화된 투자비용(annualized investment)
․기술의 고정 및 변동 운영･유지비용
․에너지 및 물질의 수입비용과 국내 자원 생산비용
․에너지 및 물질의 수출에 의한 수입(收入)
․에너지, 기술 및 오염물질 배출에 부과･지급되는 세제 및 보조금
목적함수는 분석기간에 발생한 연간비용의 합계(ANNCOST)를 현재가치 (NPV)로 환산한 함수로서 다음과 같이 표현된다.
∙ ∙ ∙ ⋯
R(r)은 지역(region)의 수로서 분석대상을 산업별 업종별로 구분할 것 이냐, 아니면 보다 큰 분류인 산업부문이나 가정부문과 같은 부문별로 구분할 것이냐, 아니면 한국이나 미국과 같은 국가 단위로 구분할 것이 냐에 따라서 결정된다. NPER은 분석기간의 구간(period)의 수로서 예를 들면 분석기간을 2005년부터 2040년까지 35년 기간으로 설정하고 5년 단위로 구분했다면 NPER=8이 되며 NYER은 각 구간(period)내의 기간 (years)의 수로서 NYER=5가 된다.11) d는 할인율12)이며 t는 구간(period) 을 의미한다(t = 1, 2, , 9).
연간비용의 합계(ANNCOST)는 모든 기술(k), 수요부문(d), 오염물질 (p) 및 투입연료(f)에 비용을 합계한 것으로서 여기에는 연간 투자비용, 연간 운영비용(고정 및 변동 운영비용, 연료 인도비용, 에너지 수입 및 추출비용), 세제수입의 합계와 에너지 수출에 의한 수입 감소가 포함되 어 있다. 연간비용을 수식으로 표현하면 다음과 같다.
11) MARKAL에서 분석기간 구간(period)내의 기간(year)은 모형자가 설정한 일정한 기 간(예를 들면 5년 단위)으로 설정되는 특성이 있다.
12) 우리나라 에너지산업의 연구에서는 할인율을 7%(d=0.07)로 적용해 오고 있다. 그 러나 하향식 모형과의 균형과 최근의 이자율 변화 등을 반영하여 할인율을 조정할 필요가 있다. 할인율 조정은 제2차년도(2009)년 연구에서 추진할 계획이다.
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∗ 본 연구의 연간비용에는 기술의 연간화 투자비용, 기술의 고정 및 변 동 운영비용, 에너지 수입비용, 탄소세 및 에너지세 부과에 의한 세수가 포함된다. 인도비용(Deliverycost)과 채광비용(Miningcost) 및 무역비용 (Tradecost)도 포함된다.
연간화 투자비용(annualized investment cost)은 각 구간(t)에서의 단위 당 투자비용(Annualized_Invcost)에 투자규모(INV)를 곱하며 이를 모든 구간(t)과 기술(k)에 합산한다. 투자비용은 기술의 수명기간동안 동일한 금액을 매년 지불하는 것으로 가정하기 때문에 분석기간의 마지막 기간 에서는 좌초된 자산가치(salvage value)를 반영한다. 단위당 투자비용은 총 투자비용을 기술의 할인율(hurdle rate)로 기술의 수명기간동안 동일 한 연간 비용으로 분산시킨 개념이다.
고정운영비용13)은 단위당 고정운영비용(Fixom)에 설비규모(CAP), 변 동운영비용은 단위당 변동운영비용(Varom)에 기술활동수준(ACT)을 곱 해서 산출한다. 인도비용은 재화(c)의 단위당 인도비용(Delivcost)에 기술
13) 우리나라의 기술DB에서는 기술의 고정유지비용에 보험료와 인건비 등을 포함시켰다.
의 운영에 필요한 재화의 양(Input)을 곱해서 산출할 수 있다. 채광비용 (Miningcost)은 가격수준(l)에서 재화(c)의 채광비용에 채광양을 곱하며 거래비용(Tradecost)은 재화의 단위당 수출입을 위한 거래비용 (transaction cost)나 수송단가에 양을 곱하며 수출비용이나 수입비용은 수출입 단가에 수출･입 양을 곱하여 산출할 수 있다.
에너지 수입비용은 에너지 수입가격(Importprice)에 에너지 수입량 (Import), 탄소세 세수는 단위당 세금요율(Tax)에 오염물질 배출량(ENV) 을 곱해서 산출한다.
기술(k)은 기술을 의미하며 기술은 자원기술(resource technology), 가 공기술(process technology), 전환 및 변환기술(conversion, transformation technology), 수요기술(demand technology)로 구분된다. 수요부문(d)은 최종 수요로서 업종별로 상이하게 정의되며 에너지 흐름의 단계에 따라 서 상이하게 규정한다. 예를 들면 각 업종을 독립적으로 분석하면 정유 산업에서는 LPG, 휘발유, 등유, 항공유, 납사, 경유, 중유, 아스팔트 등 석유제품으로 설정할 수 있으며 시멘트산업에서는 시멘트 생산량으로 설정할 수 있다. 투입연료(f)는 해당 분석대상 산업에서 사용하는 에너지 원 종류를 의미하며 오염물질(p)은 SOX나 NOX와 같은 대기오염물질 뿐 만 아니라 이산화탄소(CO2)와 같은 온실가스 등 모형 설정자가 자유롭 게 정의할 수 있다.
다. 제약 조건
MARKAL 모형에서 에너지 서비스 수요를 충족시키는 에너지 시스템
에 대한 값을 도출하려면 에너지 시스템을 정확하게 표현한 물리적이고 논리적인 관계를 정의한 제약조건이 충족되어야 한다.14) MARKAL에서
는 다음과 같은 대표적인 제약조건이 있다.
･ 에너지 서비스 수요(energy service demand) : 통상 에너지 서비스 수요는 모형 운용자가 외생적으로 모형에 입력하게 되며 모든 기술 의 수요 합계가 최종 서비스 수요보다 같거나 커야 한다.
･ 기술의 설비능력(capacity transfer) : 모형에서는 분석기간 뿐만 아 니라 분석 기간 이전에 설치되어서 분석기간에 이용 가능한 잔존 설 비능력(residual capacity)도 고려하게 된다.
･ 설비 이용율(AF, Availability Factor) : 설비 이용율은 기술의 설비 능력 이용을 제약하게 된다.
･ 재화의 수급균형 : 에너지의 경우 수입과 생산량의 합계(공급)는 소 비와 수출의 합계(수요)보다 크거나 같아야 하며 물질의 경우에는 두 값이 일치해야 한다.
･ 배출 제약 : 모형 운영자가 배출량의 상한선을 설정할 수 있다.
라. 결정 변수(decision variables)
결정변수는 모형에서 선택되는 변수로서 다음과 같다.
･ 기술의 신규 투자규모(INV) : 새로 추가되는 기술의 투자규모이다.
･ 기술의 활동 수준(activity level) : 실제 가동될 기술별 활동 규모를 표현한 것이다.
･ 에너지자원 채광(mining) : 국내에서 이루어지는 에너지자원의 채광 규모이며 여기에는 신재생 에너지(바이오매스, 지역의 고형 쓰레기 포함)도 포함된다.
14) 제약조건을 만족시키지 못하면 모형의 해가 산출되지 않는 경우(infeasible)가 발생 하게 된다.
･ 수출･입 규모 : 재화(에너지 및 물질)의 수출･입 규모는 모형에서 자동적으로 계산되지 않기 때문에 모형 운영자가 통제를 해야 한다.
･ 교역 규모(trade) : 다지역 모형에서 교역규모는 자동으로 계산된다.
･ 최종 수요(demand for end-use) : 에너지 서비스 수요를 충족하기 위한 모형내의 수요기술의 수요를 의미한다.
･ 오염물질 배출량(emissions of pollutant) : 오염물질 배출량은 에너 지원별 오염물질 배출계수에 의해 모형 내에서 결정된다.
제3장 기준에너지 시스템(RES) 설정
본 장에서는 분석모형을 설정하기 위해 필요한 기준에너지 시스템
(RES)을 설정하기로 한다. 우리나라 전체 에너지 시스템의 에너지 흐름
을 분석하고 이를 모형에 적합한 형태로 변환시키는 작업이 기준에너지 시스템 설정에 해당한다. 먼저 기준에너지 시스템의 구성요소를 살펴보 고 에너지원별 흐름을 분석하며 마지막으로는 모형에 입력될 최종수요 를 설정할 것이다.