4차 산업혁명 시대 대응 중장기 에너지효율관리 발전 방안 연구(1/3)

4차 산업혁명 시대 대응 중장기에너지효율관리 발전 방안 연구(1/3)

4차 산업혁명 시대 대응 중장기 에너지효율관리 발전 방안 연구(1/3)

www.keei.re.kr 기본

연구보고서 18-26

┃이성인·소진영┃

KOREA ENERGY ECONOMICS INSTITUTE

기본연구보고서 18-26

참여연구진

연구 책임자 : 연 구 위 원 이성인 선임연구위원 소진영 연구 참여자 : 연 구 위 원 김지효

위 촉 연 구 원 이효선

서울대학교 교수 부경진

고려대학교 교수 하윤희

<요 약>

1. 연구 필요성 및 목적

에너지는 기기와 설비를 통해 사용되고 있어 에너지절약을 위해서는 원천적으로 기기와 설비의 효율향상이 핵심과제이다. 이러한 속성은 4 차 산업혁명과 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 시대가 본격화됨에 따라 더욱 강화되고 있다. 4차 산업혁명과 IoT는 에너지사용 기기와 설 비의 스마트화에 크게 영향을 미쳐 결과적으로 에너지 특히 전기 수요 에 커다란 영향을 줄 것으로 예상된다. 에너지사용 기기 및 설비의 이 러한 속성을 감안할 때 에너지효율관리제도의 중요성은 더욱 높아지고 있다.

본 연구의 목적은 제4차 산업혁명 시대에 대응하여 선도적으로 에너 지효율관리의 발전방안을 모색하는 데 있다. 본 연구에서 발전방안은 크게 두 가지 방향이다. 첫 번째 방향은 4차 산업혁명 기술이 에너지사 용 기기에 융복합되고 있는 추세에서 에너지효율관리의 효과성을 높일 수 있도록 관련 제도를 개선하는 방안이다. 두 번째 방향은 에너지효율 관리의 효과성을 제고하는 방향성을 가지고 에너지사용 기기에 대한 4 차 산업혁명 기술의 적용이 확산될 수 있도록 전략을 제시하는 것이다.

기술의 진보가 에너지효율관리의 효과성에 어떠한 영향을 미치는지 에 대한 사전적(ex-ante) 평가와 사후적(ex-post) 평가는 현실적이고 실 효성 있는 제도의 설계를 위해 필수적인 과정이다. 또한, 제도 운영 결 과의 환류를 통해 개선 방향을 도출하기 위해서도 필요하다.

본 연구는 총 3년에 거쳐 연차별로 수행된다. 1년 차에는 첫 번째 방 향인 에너지효율관리의 효과성을 높일 수 있도록 관련 제도를 개선하 는 방안 제시에 초점을 둔다. 이를 위해 먼저 그간의 4차 산업혁명의 전개에 따른 에너지사용 기기의 기술발전, 융복합화 및 제품시장 여건 변화가 에너지효율관리의 측면에서 어떠한 영향을 초래하고 어떤 의미 를 갖는지 평가한다. 그 다음으로 기존 제도의 효과성을 높이기 위한 개선 방안을 제시하고자 한다. 에너지정책효과 평가 시스템 구축 및 운 용 또한 3개년에 걸쳐 이루어질 것이며, 1년 차에서는 주로 에너지정책 효과 분석모형들을 검토하여 최적 모형을 선정하고, 그 모형이나 시스 템의 구조를 설계하는 단계에 초점을 둔다.

2. 내용 요약

4차 산업혁명 핵심기술이 에너지효율관리제도의 대상이 되는 기기에 융복합된 가장 기본적인 유형은 모바일과 IoT가 결합된 형태로서 전기 밥솥, 공기 청정기 등에 적용되고 있다. 두 번째 유형은 AI, IoT, 모바일 등이 결합된 형태로서 TV, 냉장고, 에어컨, 세탁기, 컴퓨터, LED 조명 기기 등에서 나타나고 있다. 세 번째 유형은 AI, IoT, 클라우드, 빅 데이 터 등이 결합된 형태로서 장기간 축적된 빅 데이터를 고도화된 AI로 처리하여 최적화된 시스템을 구축할 수 있다. 향후에는 AI, IoT, 모바 일, 클라우드, 빅 데이터 등의 핵심기술들의 일부 또는 전부가 융복합 되고 로봇, 3D 프린팅, 블록체인 등의 기타 4차 산업혁명 기술과 융복 합될 것으로 전망된다.

이러한 4차 산업혁명이 에너지효율관리의 효율성에 미치는 영향은

다음과 같다. 첫째, 실시간으로 생성되는 양질의 데이터를 활용하여 에 너지효율관리제도를 설계하고 그 효과를 정확하게 평가하여 개선해 나 갈 수 있는 환경이 조성되고 있다. 둘째, 에너지 기기의 사용자들이 사 용 관련 정보를 실시간으로 확인할 수 있게 됨에 따라 행동변화를 유 도하는 정책의 중요성이 높아질 것으로 보인다. 셋째, 4차 산업혁명 기 술을 활용한 에너지효율 서비스사업자의 역할이 중요해질 것으로 평가 된다. 넷째, 에너지효율관리제도 설계와 운영의 복잡성이 증가할 것으 로 보인다. 마지막으로, 자율제어를 통한 최적화 시스템의 기술개발과 보급을 통해 궁극적으로 에너지효율관리의 효과성을 높일 수 있다.

이러한 영향에 대응한 주요국의 대응을 살펴보면 다음과 같으며, 조 금이나마 제도적 변화가 나타나고 있는 것으로 평가된다. 미국의 에너 지효율관리제도에는 스마트 온도조절 장치(smart thermostat)가 포함되 어 있다. 효율을 측정하는 데 있어 실험용 데이터가 아닌 필드 데이터 를 대상으로 한다는 특징이 있다. 유럽연합(EU)에서는 스마트기기에 대한 에코디자인 규정을 적용하기 위한 사전준비 연구(Lot33)가 진행되 었는데, 주요 목적은 전기자동차 충전기의 에코디자인 적용 가능성 탐 색에 관한 것이다. 본 연구에서는 “smart”의 개념정의를 시작으로 스마 트기기의 경제적 파급효과, 스마트장치에 대한 정책적 접근 등 다양한 정책 제안이 이루어졌다. 최근 일본은 모든 부문에서 새로운 에너지절 약 사업의 방법이 출현하고 있는데 핵심은 에너지 관리의 빅 데이터 정보수집, 이용, 제공 기반 구축이라고 할 수 있다. IEA의 회원국들이 참여하는 CDA(Connected Device Alliance)는 ICT와 같은 4차 산업혁명 기술이 에너지효율 연결기기와 호환될 수 있도록 설계 원칙과 정책원 칙을 제시하였다.

우리나라는 에너지효율향상을 위해 에너지소비효율등급표시제도, 고 효율에너지기자재인증제도, 그리고 대기전력저감 프로그램 등 세 가지 효율관리 제도를 운영하고 있다. 에너지효율등급표시제품은 시장에 이 미 보급된 가전기기가 주 대상이고, 대기전력저감 프로그램은 사무·가 전기기를 대상으로, 그리고 고효율에너지기자재인증제도는 신기술의 시장진입을 지원해야 하는 품목 위주로 운영된다. 효율관리제도의 핵 심을 이루고 있는 등급표시제도와 최저효율제도는 국내외에서 매우 성 공적이고 유용한 에너지효율향상 제도로 평가된다.

우리나라에서 에너지 분야의 디지털화와 4차 산업혁명 핵심 기술 융 복합을 주도하는 정책은 ‘에너지신산업 정책’이며, 현재 에너지신산업 정책은 8개 신산업 비즈니스 모델 보급을 중심으로 시행하고 있다. 에 너지신산업 확산을 위한 기초 인프라로 AMI(Advanced Metering

Infrastructure)의 보급에 초점을 두고 있으며, 이를 통해 AMI를 활용하

는 비즈니스를 활성화하고자 한다. FEMS나 BEMS와 같은 EMS 보급도 소규모로 시행했으며, 스마트그리드 시범사업의 시행과 에너지 빅데이 터의 제공 체계 또한 마련 중이다.

에너지수요관리정책의 효과, 즉 에너지 수요절감 효과는 설비 개체 를 통해 나타나기도 하고 에너지 소비 행태 변화를 통해 실현되기도 하며, 이러한 효과가 복합적으로 작용하기도 한다. 설비 개체 프로그램 의 에너지 절감 효과는 국제 성과측정･검증 프로토콜(International Performance Measurement and Verification Protocol, IPMVP)의 가이드라 인이 제시하는 옵션들의 방법으로 산정할 수 있다. 교육이나 홍보, 그 리고 캠페인 등과 같이 소비자의 행동 변화를 유도하는 정책의 효과는 조사 기반 평가법이나 실험 디자인 평가법을 활용하여 평가할 수 있다.

복수의 수요관리 정책들을 포괄하여 정책효과를 분석해야 하는 상황은

LEAP, TIMES 또는 CGE 등과 같은 에너지-경제모형의 틀을 활용하여

분석모형을 구축할 수 있다. 이들 방법론 중 LEAP을 기반으로 구축된 모형은 감축정책이 경제주체의 의사결정 변화를 유발하여 에너지소비 및 온실가스 배출량 변화를 세부적으로 분석할 수 있다는 장점을 지니 고 있다(임재규 외, 2013, p. 102).

4차 산업혁명이 정책의 효과성에 영향을 미치기 때문에 정책효과를 평가하는 시스템 또한 4차 산업혁명의 기술 특성과 방향성을 반영할 수 있어야 한다. 첫째, 에너지 기술DB와 사용행태DB는 실시간으로 측 정되는 정보를 시의 적절하게 반영하여 업데이트될 수 있도록 유연하 게 설계되어야 한다. 둘째, 기존 설비/기기별 절감효과와 더불어 시스템 차원에서의 절감효과의 평가가 중요해진다. 셋째, 행태변화에 따른 에 너지 절감효과의 평가는 연속적인 정보의 흐름에 따른 영향을 반영해 야 한다. 마지막으로, 행태변화 또한 궁극적으로는 시스템의 최적화의 영역으로 수렴할 것으로 예상된다. 본 과제에서 연차별로 개발하는 평 가 시스템은 4차 산업혁명 시대에 대응하여 합리적이고 효과적인 에너 지효율관리제도의 설계를 위한 기초 분석을 제공하는 역할을 할 수 있 을 것으로 기대된다.

3. 정책 제언

4차 산업혁명이 에너지효율 분야와 에너지효율관리제도에 미치는 영 향과 이에 대한 대응 움직임 등을 종합적으로 정리하여 정책적 시사점 을 도출하였다. 첫째로 4차 산업혁명 기술이 빠르게 진화하고 있어, 이

에 맞추어 에너지관리 정책과 제도의 패러다임 변화가 요구된다. 둘째 로 디지털화 에너지사용 기기와 기술의 표준화가 필요하다. 셋째로 스 마트화·IoT화 핵심 디바이스를 에너지효율관리 대상 품목으로 포함하 여 관리하고 단일제품 중심에서 시스템으로 확대해 나가야 한다. 넷째 로 스마트 기술을 적용한 제품에 대한 에너지효율 기준 마련이 필요하 다. 다섯째로 에너지효율관리 적용대상 제품을 가전·사무기기 중심에서 건물·산업용 기기로 확대할 필요가 있다. 특히 산업용 제품에 대한 에 너지효율규제를 강화할 필요가 있다. 여섯째로 최고 효율기준 라벨 도 입과 기준의 정기적 조정이 필요하다. 일곱째로 소비자에게 맞춤형 정 보 제공이 필요하다. 마지막으로 개별 모니터링 및 제어 장치 등의 등 장으로 개별 에너지 사용기기의 에너지 사용량 파악이 가능해 지고 있 어 효율에 대한 검증 강화와 함께 실제 사용 환경에 가까운 정보제공 이 필요하다.

ABSTRACT

1. Background and Research Objective

As energy is used through devices and facilities, it is critical to improve their efficiency to save energy. This is even more so with the advent of the Fourth Industrial Revolution and the Internet of Things (IoT). It is expected that the technologies of this new era will make energy-using devices and facilities smart, and consequently, greatly influence the demands of energy, most notably, those of electricity. Not surprisingly, the energy efficiency management is becoming increasingly important.

This research aims to proactively seek directions for the development of energy efficiency management in the age of the Fourth Industrial Revolution.

Two major directions are presented as follows. First, given the trend of convergence of the Fourth Industrial Revolution technologies and energy devices, it is necessary to refurbish the institutions to increase effectiveness of the energy efficiency management. Second, we would like to suggest strategies to help apply the technologies of the Fourth Industrial Revolution to energy devices in order to raise effectiveness of the energy efficiency management.

Ex-ante and ex-post evaluations on how technological progress influences the effectiveness of energy efficiency management is a necessary step in designing a realistic and effective policies. It is also important to draw up

directions for improvement through feedback of the results of the implementation of policies.

This research is conducted annually for three years. In the first year, we focus on suggesting the directions on how the related institutions should be reformed to manage energy efficiency more effectively. To do this, the influence and meaning of the technological development, convergence, and changes in the market for energy devices, due to the Fourth Industrial Revolution, will be evaluated in terms of energy efficiency management. Next, the directions for improvement of the existing institutions will be suggested.

Also, the energy policy evaluation system will be established and operated for three years; during the first year, the focus is placed on examining the models and methodologies of energy policy effect analysis to select the optimal one and designing the structure of the model or system.

2. Summary of Findings

Among the energy devices subject to energy efficiency management where core technologies of the Fourth Industrial Revolution are integrated, the most basic type is combination of mobility and IoT, as in electric rice cooker and air cleaner. The second type is the combination of AI, IoT, and mobility, as in TV, refrigerator, air conditioner, washing machine, computer, and LED lighting equipment. The third type is the combination of AI, IoT, cloud, and big data, which enables big data accumulated for a long-time to be processed with advanced AI to build an optimized system. In the future, some or all

of core technologies such as AI, IoT, mobility, cloud, and big data will be converged and so with other Fourth Industrial Revolution technologies such as robots, 3D printing, and block chains.

The influence of the Fourth Industrial Revolution on the effectiveness of energy efficiency management is as follows. First, an environment is being created where energy efficiency management system can be designed by using high-quality data generated in real time and the effect accurately evaluated and improved. Second, as users can have information about energy use of their devices in real time, it will increase the importance of policy to induce them to change behavior. Third, the role of energy efficiency service providers using the Fourth Industrial Revolution technology will become important.

Fourth, the complexity of energy efficiency management system in design and operation will increase. Finally, technology development and diffusion of the optimization system through autonomous control can ultimately enhance the effectiveness of energy efficiency management. Within this context, the responses of major countries show the signs of making institutional changes, albeit slowly. The US energy efficiency management scheme includes a smart thermostat. It is characterized by measuring efficiency with the field data, not the experimental data. In the European Union, a preliminary study (Lot 33) was conducted to apply the eco-design rules for smart devices, with the main objective being to explore the applicability of eco-design for electric vehicle chargers. This research begins with defining the concept of “smart,” and makes various strategy suggestions related to economic ripple effect of smart devices and policy approaches to smart devices. Recently, Japan is witnessing new

energy-saving projects sprouting in almost every field, evolving around establishing platforms for collecting, using, and providing data on energy management. The CDA (Connected Device Alliance), which mainly consists of the IEA members, presented the principles for design and policy to make core technologies of the Fourth Industrial Revolution, such as ICT, compatible with connected devices for energy efficiency.

South Korea operates three energy efficiency management programs: Energy Efficiency Labeling and Standard, High-efficiency Appliance Certification, and e-Standby Power. Energy Efficiency Labeling targets home appliance products already in the market and e-Standby Power is a program for office and home appliances. High-efficiency Appliance Certification program runs to promote certified devices and equipment and create relevant markets. The labeling and the minimum efficiency system, which lie at the core of energy efficiency management, are considered successful and useful for improving energy efficiency at home and abroad.

In South Korea, ‘New Energy Industries’ policy is leading digitalization in the energy sector and technology convergence of the Fourth Industrial Revolution and the government is currently promoting eight new industrial business models. To boost the new energy industries, AMI (Advanced Metering Infrastructure) and related businesses are activated. In addition, energy management system (EMS), such as FEMS (factory energy management system) or BEMS (building energy management system), has been distributed on a small scale while smart-gird pilot projects and platforms for energy big data are being prepared.

The effect of the energy demand management policy, that is, the reduction of energy consumption, can be realized through the facilities or the change of energy consumption behavior, or combination of both. The energy saving effect of the programs for facilities can be measured with the methods proposed by the guidelines of the International Performance Measurement and Verification Protocol (IPMVP). The impact of policies inducing behavioural changes of consumers through education, promotion, and campaign, can be assessed using survey-based evaluation or experiment design evaluation methods. To analyze the overall influence of a number of demand management policies, an analysis model can be built with energy-economy modelling tools, such as LEAP, TIMES or CGE. In particular, LEAP-based models have an advantage in making an in-detail analysis of the changes in energy consumption and GHG emission by changing decision-making of economic subjects. (Lim Jae Kyu et al., 2013, p. 102).

Since the Fourth Industrial Revolution influences the policy effectiveness, the evaluation system also has to reflect the technological characteristics and directions. First, the energy technology DB and consumption pattern DB need to be flexible enough to timely apply the real-time information for an update.

Second, it is also important to measure saving effects on the system level, as well as evaluation by individual facilities/devices. Third, the energy saving effect of the behavioral changes should reflect the influence of continuous flow of information. Finally, the behavioral changes are expected, ultimately to be included in the area of system optimization. The evaluation system, developed annually in this research, is expected to provide basic analysis for the design

of a reasonable and effective energy efficiency management policies to respond to the Fourth Industrial Revolution.

3. Implications

The influence of the Fourth Industrial Revolution on the area of energy efficiency and the energy efficiency management system and the responses were integrated and organized to derive policy implications. First, it is mandatory to change energy management policies and system to cope with the rapidly evolving technologies in the Fourth Industrial Revolution. Second, standardization of digital energy devices and technology is needed. Third, smart and IoT devices have to be included in the energy efficiency management target with the focus shifting from single devices to the overall system. Fourth, energy efficiency criteria should be created for the products based on smart technology. Fifth, the scope of the energy efficiency management policies should be extended to cover buildings and industrial devices, not just home and office appliances. In particular, stricter regulations for energy efficiency are needed for industrial products. Sixth, the labelling of maximum energy performance standard needs be introduced and adjusted regularly. Seventh, consumers need to be provided with customized information. Finally, since the individual monitoring and control devices allow users to monitor the energy use of individual devices, it is important to strengthen the efficiency verification system and provide information close to the actual environment where the devices are used.

제목 차례

제1장 서 론 ···1

제2장 4차 산업혁명 기술의 적용 현황 ···7

제1절 에너지효율과 4차 산업혁명의 의의··· 7

1. 선행연구 검토··· 7

2. 에너지효율의 정의··· 10

3. 4차 산업혁명의 의의··· 12

4. 4차 산업혁명과 에너지··· 20

5. 전력 수요부문의 주요 기술변화··· 29

제2절 에너지사용 기기의 4차 산업혁명 핵심기술 융복합 추세··· 36

1. 에너지효율관리제도 대상 기기··· 36

2. 에너지사용 기기의 IoT 기반 시스템화 사례··· 48

제3절 에너지사용 기기의 기술 표준화 및 인증동향··· 55

1. 에너지효율 정책 이행과 표준의 필요성··· 55

2. 국제 표준화 및 인증 동향··· 57

3. 국내 최근 에너지효율 표준화 동향··· 61

제3장 4차 산업혁명의 제도적 영향 ···63

제1절 주요국의 에너지효율관리제도 현황 및 성과··· 63

1. 주요국의 에너지효율관리제도 현황··· 63

2. 주요국의 에너지효율관리제도 성과··· 88

제2절 제도적 영향 및 주요국 대응 동향··· 93

1. 4차 산업혁명이 에너지효율관리제도에 미치는 영향··· 93

2. 주요국 대응 동향··· 95

제4장 우리나라의 제도 현황 및 대응 ···105

제1절 우리나라 에너지효율관리제도 현황··· 105

1. 국내 에너지효율관리제도 개요··· 105

2. 에너지효율등급표시제도 현황··· 107

3. 대기전력저감 프로그램 현황··· 114

4. 고효율기자재 인증제도 현황··· 117

제2절 국내 에너지효율관리제도 운영 성과 평가··· 121

1. 에너지효율등급표시제도 운영 성과 평가··· 121

2. 대기전력저감 프로그램 운영 성과 평가··· 131

3. 고효율기자재 인증제도 운영 성과 평가··· 133

제3절 우리나라 대응 동향··· 137

1. 4차 산업혁명과 에너지 산업··· 137

2. 4차 산업혁명 관련 에너지정책 현황··· 138

제5장 기술변화를 고려한 정책평가모형 구조 설계 ···141

제1절 에너지 수요관리정책 개요··· 141

제2절 에너지 수요절감 효과 분석 방법··· 143

1. 기기 및 설비: IPMVP ··· 143

2. 교육 및 홍보··· 147

3. 에너지-경제 모형··· 148

제3절 에너지정책 효과 분석 체계··· 158

1. 에너지효율정책 평가 시스템 구조··· 158

2. 4차 산업혁명 기술적 특성의 반영과 활용 방향··· 162

제6장 정책적 시사점 ···165

참고 문헌 ···179

표 차례

<표 2-1> 국내외 스마트공장 추진 사례··· 32

<표 2-2> 인공지능/일반 TV의 에너지소비효율 등급 비교··· 37

<표 2-3> 스마트 홈 분야의 디바이스별 대기 전력··· 52

<표 2-4> 국내 전기냉장고의 에너지소비량 ··· 53

<표 2-5> 스마트 홈 기술의 에너지 절감 효과··· 53

<표 2-6> IEC의 에너지효율 표준화 분야··· 60

<표 3-1> 미국의 최저소비효율기준 (MEPS) ··· 64

<표 3-2> 미국의 에너지효율 라벨 종류 및 대상 제품군··· 69

<표 3-3> 중국 에너지라벨(CEL) 대상제품··· 73

<표 3-4> 에코디자인 우선적용 대상제품··· 76

<표 3-5> 탑-러너 대상 품목 변천 ··· 82

<표 3-6> 탑-러너 대상품목과 에너지라벨 품목··· 84

<표 3-7> 스마트 온도조절장치 기기 자체 성능 기준··· 97

<표 3-8> 스마트 온도조절 장치의 에너지 사용 절감량 기준··· 98

<표 3-9> CDA의 에너지효율 연결기기를 위한 설계 원칙··· 102

<표 3-10> CDA의 에너지효율 연결기기를 위한 정책 원칙··· 103

<표 4-1> 에너지소비효율등급표시제도 적용 대상품목··· 110

<표 4-2> 품목별 표시항목 및 라벨 부착 위치··· 111

<표 4-3> 대기전력 경고표시 대상품목 시기별 확대 현황··· 116

<표 4-4> 대기전력 저감 프로그램 적용대상 품목··· 117

<표 4-5> 고효율기자재 인증대상 품목선정 절차··· 118

<표 4-6> 고효율에너지기자재인증제도 적용 대상품목··· 120

<표 4-7> 고효율에너지기자재 인증제품 지원제도··· 121

<표 4-8> 가전제품 에너지효율 개선효과 연구결과··· 122

<표 4-9> 제품별 에너지소비 등급별 생산·판매 비율 추이··· 128

<표 4-10> 대기전력저감 우수제품 판매 및 에너지절감 효과(2016) ·· 132

<표 4-11> 고효율에너지기자재 인증품목 및 인증현황··· 133

<표 4-12> 고효율에너지기자재 인증품목 판매량(대) 추이··· 135

<표 5-1> 에너지절약 성과 검증(M&V) 옵션··· 144

<표 6-1> 스마트 LED 및 홈오토메이션 디바이스 대기전력··· 168

그림 차례

[그림 2-1] 4차 산업혁명의 의미··· 13 [그림 2-2] 4차 산업혁명에 대한 논의··· 14

[그림 2-3] 4차 산업혁명의 범용 핵심기술 및 분야별 응용기술··· 16

[그림 2-4] 국내 에너지 포트폴리오 전환 계획··· 21 [그림 2-5] 4차 산업혁명과 에너지신산업··· 23 [그림 2-6] 에너지시장의 구조변화··· 24

[그림 2-7] 4차 산업혁명 및 에너지 전환에 대한 에너지산업 육성(1) · 25

[그림 2-8] 4차 산업혁명 및 에너지 전환에 대한 에너지산업 육성(2) · 26

[그림 2-9] 4차 산업혁명 기술의 에너지 분야 융합 예시··· 27

[그림 2-10] 재생에너지에 인공지능(AI) 기술이 융합된 특허출원 동향···· 28

[그림 2-11] 인공지능 기반의 재생에너지 발전소 운영 및 관리··· 28

[그림 2-12] 스마트·디지털 공장에 적용되는 기술 예시··· 30 [그림 2-13] 두산중공업의 발전소 IoT 적용 및 SW 개발 현황··· 31

[그림 2-14] 빌딩에의 EMS 기술 적용을 통한 효율성 제고 사례··· 33

[그림 2-15] 국내 가전 업체에서 제공하는 HEMS의 개념도··· 34

[그림 2-16] 주요 가전기기별 가구당 전력소비 비중··· 36 [그림 2-17] ABB의 디지털 변압기··· 42 [그림 2-18] 전동기에 대한 최저효율제도 적용 확대 ··· 44

[그림 2-19] 효율관리제도 기기의 4차 산업혁명 핵심기술 융복합 전망··· 47

[그림 2-20] 스마트 홈 비즈니스모델의 발전단계··· 48 [그림 2-21] 건물에너지 성능··· 58

[그림 3-1] 에너지가이드 라벨··· 65 [그림 3-2] 에너지스타 라벨··· 66 [그림 3-3] 에너지스타 Most Efficient 라벨··· 67 [그림 3-4] 의류 세탁기 중 ‘Most Efficient’에 선정된 제품 예시··· 68 [그림 3-5] 중국의 에너지라벨 (China Energy Label) ··· 72 [그림 3-6] 식기세척기 친환경 세제··· 77 [그림 3-7] EU 에너지라벨 표시 사항··· 78

[그림 3-8] EU 에너지라벨링 제도 개선 전후 비교(세탁기 기준) ··· 79

[그림 3-9] Topten 웹사이트 제공 원 도어 냉장고 정보 예시··· 81 [그림 3-10] 일본 에너지절약 라벨··· 86 [그림 3-11] 일본 통일에너지절약 라벨··· 87 [그림 3-12] 중국의 전력소비량 제품별 비중(2011년 기준) ··· 91 [그림 3-13] 스마트 온도조절장치 예시··· 96 [그림 4-1] 국내 3대 에너지효율관리제도 개요··· 106 [그림 4-2] 에너지소비효율등급표시제도 추진절차··· 109

[그림 4-3] 기존 라벨과 2007년 5월 고시 개정에 따른 신규 라벨···· 113

[그림 4-4] 고효율에너지기자재 인증절차··· 119

[그림 4-5] 주요 가전제품의 에너지효율관리제도에 따른 운영성과·· 124

[그림 4-6] 전기냉방기 에너지소비효율 개선효과··· 125 [그림 4-7] 전기냉장고 에너지소비효율 개선효과··· 125 [그림 4-8] 일반세탁기 에너지소비효율 개선효과··· 126 [그림 4-9] 드럼세탁기 에너지소비효율 개선효과··· 126 [그림 4-10] 텔레비전수상기 에너지소비효율 개선효과··· 127 [그림 4-11] 전기밥솥 에너지소비효율 개선효과··· 127

[그림 4-12] 4차산업혁명위원회에서 추진하는 전 산업의 지능화 혁신·· 137 [그림 5-1] 에너지 절감량 산정 옵션 선택 과정··· 146 [그림 5-2] LEAP의 일반적인 모듈 구조··· 150 [그림 5-3] TIMES의 기준(reference) 에너지시스템 구조도··· 154 [그림 5-4] CGE 분석의 절차 ··· 156 [그림 5-5] 단계별 에너지효율정책 평가 시스템 구조··· 159 [그림 5-6] 미국 California Energy Efficiency Statistics 웹사이트··· 161

[그림 6-1] IEC 전동기에서 전동기시스템으로 측정·효율기준 확대 167

제1장 서 론

新기후체제에 대응하여 에너지효율향상이 에너지정책의 핵심과제로 부상하고 있으며, 에너지효율 개선은 지구적 관심사인 기후문제 해결 뿐만 아니라 국가 산업경쟁력 강화 방안으로도 강조되고 있다. 에너지 는 기기와 설비를 통해 사용되고 있어 에너지 사용을 줄이기 위해서는 원천적으로 기기와 설비의 효율향상이 핵심과제이며, 따라서 에너지효 율관리의 중요성이 높아지고 있다.

선진국들은 에너지효율관리제도의 강화와 함께 에너지 고효율 제품 구입과 설비 투자에 대해 세제혜택과 장려금(보조금) 지원 확대를 통해 에너지절약 투자와 경제적 효율성의 제고를 촉진하고 있다. 유럽연합 (EU)은 2020년까지 에너지소비를 1990년 대비 20% 감축하는 것을 중 기 목표로 설정하고, 에너지효율관리제도 강화와 함께 에너지공급사 효율향상의무화제도 도입을 통해 고효율 제품의 보급 확대 정책을 강 화해 가고 있다. 일본 또한 2030년까지 에너지효율 향상 30%이상을 목 표로 설정하고 강력한 에너지효율관리 및 에너지절약대책을 실시하고 있다(임재규 외, 2013, p. 77).

한편, 4차 산업혁명과 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 시대가 본 격화됨에 따라 에너지사용 기기와 설비의 스마트화¹⁾가 빠르게 진행되 고 있다. IoT의 적용 확대로 디바이스에 대한 모니터링(Monitoring)과 원격 제어(Control)가 가능하며, 클라우드에서의 데이터 분석 기능과 인

1) 본 연구에서는 편의상 에너지를 사용하는 기기나 설비에 4차 산업혁명의 핵심 기술 이 융복합되는 현상을 스마트화라고 칭하고, 스마트화된 에너지사용 기기나 설비를 스마트기기라 부르기로 한다.

공지능(Artificial Intelligence, AI)까지 조합하면 가동 조건의 최적화 (Optimization)와 자동화(Automation)도 가능해진다. 즉, ICT 기반 소프트 웨어, 하드웨어(센서, 통신 등), 제어 및 관리 기술을 토대로 에너지사 용의 최적화와 에너지사용 실태의 실시간 모니터링이 가능한 스마트기 기의 등장과 발전이 빠르게 전개될 것으로 전망된다.

반면, 스마트화로 인해 에너지를 사용하는 제품의 전력 사용량이 증 가할 가능성이 있으며, 또한 IT기술과 접목한 새로운 에너지 다소비 제 품이 등장하는 등 전력수요 및 제품시장 환경이 변화하고 있다. 전자제 품 디지털화, IT기술 발달 등으로 에너지사용 제품의 스마트화 추세는 더욱 확대될 전망이며, IoT 시대가 본격화됨에 따라 기술 혁신과 기기 들 간 연결의 가속화로 에너지사용 제품들의 네트워크화와 더불어 시 스템화도 빠르게 진행되고 있다. 이에 따라 에너지 클라우드 생태계의 발전 및 기술과 서비스를 재결합하는 동적 플랫폼의 태동도 예상된다.

이러한 추세에 따라 4차 산업혁명 기술 확산에 따른 전력수요의 증감 요인이 상존하고 있다. 센서, IT 통신 연결 등 에너지기기의 스마트화 는 전력소비의 증가요인으로 작용하는 반면, 에너지기기의 스마트화를 통한 운영 최적화는 전력소비 감소요인으로 작용한다.

본 연구의 목적은 제4차 산업혁명 시대에 대응하여 선도적으로 에너 지효율관리의 발전방안을 모색하는 데 있다. 본 연구에서 발전방안은 크게 두 가지 방향이다. 첫 번째 방향은 4차 산업혁명 기술이 에너지사 용 기기에 융복합되고 있는 추세에 대응하여 에너지효율관리의 효과성 을 높일 수 있도록 관련 제도를 개선하는 방안이다. 두 번째는 에너지 효율관리의 효과성을 제고하는 방향성을 가지고 에너지사용 기기에 대 한 4차 산업혁명 기술의 적용이 확산될 수 있도록 전략을 제시하는 것

이다.

기술의 진보가 에너지효율관리의 효과성에 어떠한 영향을 미치는지 에 대한 사전적(ex-ante) 평가와 사후적(ex-post) 평가는 현실적이고 실 효성 있는 제도의 설계를 위해 필수적인 과정이다. 또한, 제도 운영 결 과의 환류를 통해 개선 방향을 도출하기 위해서도 필요하다. 하지만, 4 차 산업혁명의 영향으로 에너지사용 기기들이 시스템화 되는 추세에서 이러한 영향을 종합적으로 평가할 수 있는 평가 시스템이 부재하다. 따 라서 본 연구에서는 4차 산업혁명의 기술 확산에 따라 변화하는 에너 지사용 기기나 그 기기를 사용하는 행태의 특성을 반영하여 정책효과 를 평가할 수 있는 에너지정책효과 평가 모형의 구축도 병행하고자 한 다. 여기서 정책효과는 에너지 절감에 대한 효과를 주요 대상으로 하고 자 한다.

본 연구는 총 3년에 거쳐 연차별로 수행된다. 1년 차에는 첫 번째 방 향인 에너지효율관리의 효과성을 높일 수 있도록 관련 제도를 개선하 는 방안 제시에 초점을 둔다. 이를 위해 먼저 그간의 4차 산업혁명의 전개에 따른 에너지사용 기기의 기술발전, 융복합화 및 제품시장 여건 변화가 에너지효율관리의 측면에서 어떠한 영향을 초래하고 어떤 의미 를 갖는지 평가한다. 그 다음으로 기존 제도의 효과성을 높이기 위한 정책의 개선 방안을 제시하고자 한다. 에너지정책효과 평가 시스템 구 축 및 운용 또한 3개년에 걸쳐 이루어질 것이며, 1년 차에서는 주로 기 존의 에너지정책효과 분석모형들을 검토하여 최적 모형을 선정하고, 그 모형이나 시스템의 구조를 설계하는 단계에 초점을 둔다.

2년 차와 3년 차에는 두 번째 방향인 4차 산업혁명 기술 융복합의 확 산을 통해 에너지효율관리의 효과성을 높이기 위한 전략 제시에 초점

을 둔다. 4차 산업혁명 기술의 확산은 그 기술을 적용하여 에너지사용 기기를 생산하는 생산자 측면과 그 기기를 수용하는 수요자 측면의 접 근이 필요하다. 2년 차에는 생산자 측면에서 에너지사용 기기와 4차 산 업혁명의 융복합 기술개발을 촉진하고 그 기술의 적용이 확대될 수 있 는 최적의 생태환경을 조성하는 방안을 제시하고자 한다. 예를 들어 에 너지사용 기기의 시스템화와 네트워크화를 비용-효과적으로 촉진하기 위해 필요한 동적인 플랫홈의 구축에 대한 검토가 여기에 포함된다. 2 년 차의 에너지정책효과 분석모형은 4차 산업혁명 기술의 특성을 반영 하는 에너지사용 기기의 스마트화가 개별 시스템 단위로 에너지의 사 용량에 어떠한 영향을 미치는지 평가할 수 있는 단계, 즉 에너지 기술 의 효과를 평가할 수 있는 모형을 구축하는 데 초점을 두고자 한다. 편 의상 이를 기술평가모형이라 부른다. 모형의 범위는 에너지사용 기기 의 스마트화가 비교적 빠른 시스템을 우선적으로 대상으로 고려하고자 한다.

3년 차에는 에너지 수요자의 측면에서 4차 산업혁명 기술이 응용된 에너지사용 기기와 시스템, 즉 스마트기기의 보급과 이용을 확대하기 위한 방안을 모색하고자 한다. 예고 목표효율제도의 도입과 연계하여 스마트기기와 같은 신기술에 대한 시장을 창출하는 방안이 하나의 사 례가 될 수 있다. 또한 소비자의 스마트기기나 시스템을 통합적으로 관 리하여 실질적인 에너지 절감을 실현하는 서비스 등의 비즈니스 모델 개발도 하나의 방안이 될 수 있다. 에너지정책효과 평가모형은 2년 차 에 개발한 기술평가모형을 확장하고 이를 국가 수준의 에너지수요 평 가모형과 통합하는 것을 목표로 하고자 한다. 이를 통해 에너지기기의 스마트화와 연관된 에너지효율관리 정책들이 국가적인 차원에서 에너

지의 수요에 어떠한 영향을 미치는지 평가할 수 있는 단계, 즉 에너지 정책의 효과를 평가할 수 있는 모형을 구축하는 데 초점을 두고자 한 다. 편의상 이를 정책효과모형이라 부른다. 모형의 범위는 에너지사용 기기의 스마트화가 비교적 빠른 부문을 우선적으로 고려하여 모형을 개발하고자 한다.²⁾

1년 차인 본 보고서는 총 6개의 장으로 구성하였다. 제1장 서론에서

는 연구의 필요성과 목적을 서술하였다. 제2장에서는 4차 산업혁명 기 술이 에너지사용 기기나 설비에 적용되는 현황을 검토하였다. 먼저 본 연구에서 다루는 주요 개념들에 대한 정의와 의의를 검토하였다. 다음 으로는 에너지효율 기기와 4차 산업혁명 핵심기술이 융복합되는 추세 를 조사하였다. 그리고 4차 산업혁명 핵심기술과 관련된 기술의 표준화 와 인증에 대한 국제 동향을 조사하였다. 제3장은 4차 산업혁명 핵심기 술의 융복합이 에너지효율관리에 미치는 영향에 대해 해외 사례를 중 심으로 조사하였다. 먼저 주요국의 에너지효율관리제도의 현황과 성과 를 분석하였다. 다음으로 4차 산업혁명이 에너지효율관리의 효과성에 미치는 영향을 분석하였으며, 또한 이러한 영향에 대해 주요국들이 어 떻게 대응을 하고 있는지 살펴보았다. 제4장에서는 우리나라의 에너지 효율관리제도 현황과 운영 실적을 분석하였으며, 또한 에너지 분야에 서 4차 산업혁명과 관련된 우리나라의 대응 현황을 수록하였다. 제5장 에서는 먼저 기술변화를 고려하여 에너지정책 효과를 평가할 수 있는

2) 우리나라에서 에너지를 부문별로 분류하면 산업부문, 수송부문, 가정부문, 상업부문 그리고 공공부문 등 5개로 분류된다. 에너지수요관리 정책은 제5장에서 자세히 다 루겠지만, 산업부문, 수송부문, 건물부문, 기기부문, 그리고 기반조성부문 등 다소 다른 분류체계를 적용한다. 본 연구에서는 4차 산업혁명의 기술 특성을 적절하게 반영할 수 있는 분류체계를 검토하고, 그 중 기술 진전이 가장 빠른 부문을 대상으 로 하여 우선적으로 모형을 개발하고자 한다.

방법론들을 비교분석하였으며, 이를 토대로 적절한 분석 모형 구조와 체계를 구상하였다. 그리고 4차 산업혁명의 기술적 특성을 모형에 반영 하고 활용하는 방향을 제시하였다. 마지막으로 제6장은 앞의 분석 내용 을 기반으로 정책적 시사점을 도출하여 제시하였다.

제2장 4차 산업혁명 기술의 적용 현황

제1절 에너지효율과 4차 산업혁명의 의의 1. 선행연구 검토

에너지효율관리 제도나 그 개선에 관한 연구로 김인길(1997), 이성인

(2011), 유정민 외(2012) 등이 있다. 김인길(1997)은 국내외 에너지효율

관리제도와 그 운영 실태를 비교 분석하고 국내 에너지효율기준과 관 리제도의 경제적 효과를 분석하였다. 방법론으로는 주로 당해 연도 에 너지절약 잠재량(Technical Potential of Saving, TPS)의 산정이 사용되었 으며, 최대 기술적 절감잠재량(Maximum Technical Potential, MTP), 그리 고 경제적 잠재량(Economic Potential, EP)의 개념도 사용되었다(김인길, 1997, p. 84).

이성인(2011)은 에너지효율관리제도의 평가기반인 통계체계의 개선

측면에서 접근한 사례이다. 먼저 다양한 기관에 산재되어 있는 다양한 에너지사용 기기들에 대한 통계 자료의 작성주기, 공표시기, 조사 시기, 조사방법, 조사항목 등이 평가되었다. 그리고 이들을 하나로 통합한 생 산통계와 이를 체계적으로 관리할 수 있는 통계 DB관리 체계의 구축 방향을 제시함으로써 에너지효율관리 제도의 개선을 시도하였다(이성 인, 2011, p. 5).

유정민 외(2012)는 미국, 유럽 그리고 일본의 에너지효율관리제도에 대한 분석을 통해 우리나라 에너지효율관리제도의 개선방안 도출을 목 적으로 하였다. 주로 문헌연구와 전문가 인터뷰 등 정성적 분석으로 진

행되었으며, 효율관리 대상 기기의 시장 및 기술 데이터가 분석 자료로 이용되었다(유정민 외, 2012, p. 2). 이 연구는 에너지효율관리제도에 대 한 IEA의 평가, 국내외 에너지이용 환경 그리고 해외 에너지효율관리 제도 분석에서 도출한 결과를 바탕으로 통합적 구조의 에너지효율관리 제도, 효율관리제도의 고도화, 시스템 차원의 에너지효율관리 그리고 효과적인 추진 체계 정립 등을 에너지체계의 선진화 방안으로 제안하 였다(유정민 외, 2012, pp. 218-219).

4차 산업혁명 기술이 에너지 분야에 미치는 영향에 대한 연구로는 이성인 외(2017), 소진영(2017), 이성인 외(2016), 전재완 외(2017) 등이 있다. 이성인 외(2017)는 미래 트렌드에 대한 분석을 통해 향후 에너지 소비구조 변화를 전망한 사례이다. 2030년 인구, 기술, 경제 산업 등 세 가지 분야에서의 미래 에너지 소비구조 변화를 전망하였으며, 기술의 트렌드는 4차 산업혁명 기술에 초점을 두었다. 먼저 각 분야에서의 에 너지 소비 관련 구조변화 요인과 파급경로들을 분석한 후 각 영역이 에너지 소비에 미치는 영향을 정량적 접근방법과 정성적 접근방법을 통해 종합적으로 분석하였다. 특히 에너지 소비구조 믹스 변화 분석에 서는 최소접근법(Minimal Approach)이 활용되었다.

소진영(2017)은 4차 산업혁명이 에너지 수요·공급 시스템과 산업에

미치는 영향을 종합적으로 분석하고 국가 차원의 대응 방안을 제시 하 였다. 에너지부문에서의 디지털 전환의 심화, 4차 산업혁명 기술의 융 복합, 그리고 분산형 에너지 공급 시스템으로의 전환 등은 지능형 에너 지 시스템으로의 전환을 가능케 할 것으로 전망하였다. 이러한 에너지 시스템 전환을 가속화하기 위해 지능형 에너지 기술 개발을 위한 R&D 추진, 지능형 에너지 기술 확산을 위한 기반 조성, 혁신 및 창업투자 촉

진을 위한 에너지 시장 환경 조성 등의 전략과 정책 과제들을 제시하 였다.

이성인 외(2016)는 ICT 기반 에너지 수요관리를 촉진하기 위한 전략 을 제시한 연구이다. 이 연구는 ICT 기반 에너지 수요관리 기술을 활성 화하기 위해 사물인터넷 생태계 구축의 필요성과 빅 데이터 사용관련 법·제도적 기반 마련의 중요성을 주장하였다. 사물인터넷 시대를 대비 하여 국제 수준에 상응하는 개인정보 보호를 위한 안전장치 구축하는 동시에 이러한 개인정보의 공유 및 활용을 촉진하기 위한 거버넌스 마 련을 강조하였다(이성인 외, 2016, pp. 117-118).

전재완 외(2017)는 4차 산업혁명에 따른 국내 주요산업의 영향, 특히 제조업의 에너지사용 구조변화와 파급효과를 분석하였다. AVE-PDM 2 의 접근방법을 이용하여 석유화학, 1차 금속, 비금속광물 및 기계 산업 분야를 대상으로 1998년부터 2015년까지 4차 산업혁명이 제조업의 에 너지이용 효율성에 어떠한 영향을 초래하였는지 분석하였다(전재완 외,

2017, p. 72). 또한 에너지소비 요인 구조 분해분석과 에너지 원단위 분

석을 통해 에너지효율이 개선된 정도를 평가하였다.

에너지효율 정책평가 모형에 대한 연구로는 이성인 외(2014), 심성희

외(2014) 등이 있다. 이성인 외(2014)는 그 동안 정책효과분석에서 주목

을 받지 못해왔던 공공부문과 공통부문에서의 에너지절약 효과분석 방 법론 도출을 시도하였다. 여기서 공통부문이란 가정, 상업 그리고 산업 등 전 분야에 공통적으로 영향을 미치는 정책을 의미한다. 공공부문에 서의 LED 조명 보급 효과 및 고효율기기 보급 정책의 효과를 GCAM

(Global Change Assessment Model)이라는 통합모형을 통해 분석하였다

(이성인 외, 2014, p. 61). GCAM은 경제, 에너지, 농업 및 토지사용, 그

리고 기후변화에 미치는 영향을 평가할 수 있는 모델로서, 기술들 간의 효율성 비교를 통해 적정 기술의 선택과 에너지 공급을 결정한다(이성 인 외, 2014, p. 62). 2007년 상업·공공부문의 에너지총조사의 자료가 분 석 자료로 사용되었으며 LED 조명 보급에 관한 시나리오와 공공기관 고효율 난방기기 보급 시나리오를 설정하고 GCAM 모형을 통해 시나 리오별 에너지 절감량과 절감비용 등 효과를 산정하였다.

심성희 외(2014)는 LEAP (Long Range Energy Alternatives Planning

System)을 기반으로 구축한 정책효과 평가모형인 KEEI-2012 모형을 이

용하여 에너지수요관리 정책의 효과를 평가하였다. “제5차 에너지이용 합리화 기본계획”의 계획 기간인 2013~2017년 동안의 에너지수요에 대 한 기준전망(Business-as-Usual, BaU)을 도출하였으며, 에너지수요관리 정책 시나리오를 설정하고 각 시나리오별 정책 효과, 즉 에너지소비 절 감 잠재량을 분석하였다.

2. 에너지효율의 정의

에너지는 난방, 조명, 동력 등 에너지 서비스(energy service) 생산의 투입요소이다³⁾. 에너지효율은 연구자나 기관마다 다소 다르게 정의하 고 있는데, 기본적으로는 “투입과 산출의 비율로서 동일한 생산에 투입 에너지를 적게 사용하는 능력(이성인 외, 2013, p. 79)”의 개념을 갖는 다. 예를 들어 미국의 EPA(Environmental Protection Agency)는 “소비자 에게 동일한 또는 개선된 수준의 서비스를 제공하는 데 더 적은 에너 지를 사용”하는 것으로 정의하고 있다(EPA, 2007b, p. 2-1). IEC(International

3) Gillingham et al.(2009, p. 1), 김지효 외(2015, p. 5)에서 재인용

Electrotechnical Commission)는 “에너지효율이란 작업이나 서비스 상품, 에너지의 성과와 에너지 투입과의 비율 또는 정량적 관계”로 정의하며

(IEC, 2017, p. 3). 에너지효율 목표는 다음의 몇 가지 방법으로 달성 가

능한 것으로 기술하고 있다. 첫째, 동일한 성과를 얻는 데 더 적은 에너 지 소비(고효율), 둘째, 더 낳은 성과를 얻는 데 동일한 양의 에너지 소 비(고효율), 마지막으로 1차 에너지에서 최종에너지로의 전환효율 향 상, 예컨대, 고효율 기술 적용을 통한 발전효율 향상(에너지 전환 손실 저감) 등이다.

에너지효율은 투입과 산출 요소에 따라 기술적, 물리적, 경제적 에너 지효율로 구분될 수 있다. 기술적 에너지효율은 에너지서비스의 양 대 비 에너지투입의 비율로 정의되고, 물리적 에너지효율은 서비스 및 재 화 생산량 대비 에너지투입의 비율로 정의되며, 물량 에너지원단위

(energy intensity)로 표현된다. 경제적 에너지효율은 재화 및 서비스 생

산액 대비 에너지투입의 비율로 정의되며, 부가가치 에너지원단위가 해당된다(이성인 외, 2013, p. 79).

에너지절약(energy conservation)은 에너지효율의 개념과 혼용되기도 하지만 실질적으로는 다소 다른 개념이며, “기준 대비 에너지소비량의 절대적 감소”로 정의된다(Linares and Labandeira, 2010, p. 573). 여기에 는 적은 에너지를 투입함으로 인해 서비스의 수준이 낮아지는 상황도

포함된다(EPA, 2007b, p. 2-1). 예를 들면 단순히 난방 온도를 낮게 설정

하거나, 조명의 밝기를 어둡게 조정하는 것과 같이 서비스 수준을 낮추 는 경우가 여기에 해당된다. 이렇듯, 기술적 에너지효율의 개선 없이도 에너지절약이 가능하며, 이러한 경우 물리적, 경제적 에너지효율은 개 선되는 효과가 있다.

3. 4차 산업혁명의 의의

가. 4차 산업혁명에 대한 제반 개념 및 정의

2016년 1월 다보스 세계경제포럼에서 화두가 된 제4차 산업혁명은 “디 지털 혁명(제3차 산업혁명)에 기반을 둔 물리적 공간, 디지털적 공간 및 생물학적 공간의 경계가 희석되는 기술융합의 시대”라고 정의된다(김진 하, 2016, p. 47). 산업혁명은 기술의 범용화 및 보편화를 통하여 생산성의 질적 변화를 일으키는 현상을 일컫는 것으로 18세기에 영국에서 최초로 발생하였다. 1차 산업혁명은 석탄자원을 중심으로 하는 증기기관 및 방 직기의 발명 등에 따른 기계화 혁명으로, 섬유 등 제조 분야의 거대 산업 화를 통한 규모의 경제 실현과 생산성 향상을 이끌었다고 평가된다.

이 후에 20세기 초에 발생한 2차 산업혁명은 석유와 전기 에너지를 기반으로 하는 대량생산 혁명이다. 공장에 전기가 안정적으로 보급되 면서 포드주의(Fordism)적 생산 방식의 활용과 시간·동작연구(Time &

Motion Study)에 따른 과학적 관리의 적용으로 기존 시스템과는 비교할

수 없을 정도로 생산성의 비약적인 향상이 실현되었다.

20세기 후반에 시작된 3차 산업혁명은 컴퓨터 및 인터넷 기반의 정 보화 혁명으로 1차 및 2차 산업혁명처럼 세계적으로 눈에 띄게 생산성 이 증가하지는 않았지만, 글로벌 IT 기업들이 부상하였으며 이들이 제 공하는 각종 서비스가 확대되면서 정보의 공유 및 확산 체제를 마련하 였다. 그리고 최근에 널리 퍼진 4차 산업혁명이라는 용어는 2016년 1월 말에 스위스에서 개최된 다보스 포럼의 핵심주제로 등장하였는데, 같 은 해 3월에 서울에서 개최한 이세돌과 알파고의 바둑 대결로 한국 사 회에 이슈화되면서 급격하게 확대되어 왔다.

[그림 2-1] 4차 산업혁명의 의미

자료: 대통령직속 4차산업혁명위원회(2017, p. 3)

4차 산업혁명의 시초는 독일에서 진행된 ‘Industry 4.0’이라고 할 수 있는데, 이는 2011년부터 당시 총리인 메르켈의 주도하에 독일에서 진 행한 산업 정책의 일환으로 전통적인 제조업 분야의 공장에 ICT 시스 템을 결합하여 생산설비를 네트워크로 연결함으로써 지능화된 유연생 산시스템을 갖추게 만들자는 의미에서 시작되었다. 여기에서 주목해야 할 것은 독일의 경우 우리나라와 같이 제조업의 비중이 다른 산업과 비교하여 높은 비중을 차지하기 때문에, 침체되어 있었던 유럽 산업 속 에서 새로운 성장 동력을 마련하기 위해 기존의 제조업을 보다 강화하 고 활성화 하는 전략을 수립한 것이다. 여기에 AI, 로봇 등 우리 생활 에 큰 파급효과를 미칠 것으로 예상되는 기술들이 꾸준하게 발전해 오 면서 이러한 논의를 활성화시켰다.

[그림 2-2] 4차 산업혁명에 대한 논의

자료: 김석관 외(2017, p. 6)

4차 산업혁명이 적용되어 실현되고 있는 예시로 Siemens사의 Amberg 공장(EWA, Electronics Work Amberg)을 들 수 있다. 2억 유로가 넘는 비용을 들여서 공장 내의 모든 기계들에 센서를 부착하여 네트워크로 연결하고 자체 개발한 소프트웨어 플랫폼을 통해 정보를 실시간으로 모니터링 및 분석을 한다. 이를 통해 제조업 분야에서는 거의 불가능한 품질 수준으로 불량률 0.0011%를 달성하는 등 생산성이 기존보다 40배 나 향상된 사례이다(최진기, 2018, p.62). 뿐만 아니라, 자동화 비율이 75%에 달하는 이 공장에서는 다양한 고객의 요구에 맞추어 1,000여 개 의 다른 제품들을 제조할 수 있다⁴⁾. 물론, 이러한 설비를 구축하고 관 련된 시스템을 개발하며 구성원을 교육하고 훈련하는 데 많은 투자가

4) Siemens 웹사이트 (https://www.siemens.com/press/en/presspicture/index.php?view=list&cont ent=&tag=2016-11-ewa, 최종검색일: 2018.10.25)

선행되었을 것이다. 하지만, 이러한 선제적인 움직임은 다른 산업과 국 가들의 좋은 선례가 되어 지금도 다양한 분야의 많은 지도자들이 1년 에도 수십 명씩 이 곳 Amberg 공장을 찾는다(박한구 외, 2017, p.48).

이러한 4차 산업혁명은 사물인터넷 기술의 확산 및 적용을 통하여 생산 및 전송이 가능해진 수많은 형태의 정보들, 즉 빅 데이터의 활용 이 범용화 및 고도화되어 간다. 이에 따라서 기술 간의 융합 및 혁신을 유도하여 사회 전반적인 생산성의 향상과 삶의 변화를 유도하는 질적 변화라고 볼 수 있다.

일부에서는 4차 산업혁명의 주요 기술들이 이미 3차 산업혁명 때에 등장한 것들이기 때문에 3차 산업혁명과 본질적으로 동일한 연장선으 로 보는 시각도 있다. 하지만, 3차 산업혁명을 디지털 시대의 개막과 관련 IT 제품들의 생산을 통한 연결망의 단순 확대라고 본다면, 4차 산 업혁명은 기존의 1차 및 2차 산업혁명 현장이었던 공장과 우리의 실제 삶 속에 ICT 기술 등이 깊숙이 들어와 기하급수적으로 늘어난 정보의 수집 및 분석을 바탕으로 지능화를 실현하는 고차원적인 것으로 해석 할 수 있을 것이다.

나. 4차 산업혁명의 범용 핵심기술

4차 산업혁명은 3차에서 촉발된 디지털 혁명을 기반으로 다양한 산 업 분야가 융합하여 지금까지 볼 수 없었던 패러다임 전환을 이끌 것 으로 기대되고 있다. 이러한 4차 산업혁명을 최초로 주창했던 클라우스 슈밥은 4차 산업혁명을 이끄는 메가트렌드(Mega-trend)를 물리학(physical) 과 디지털(digital) 기술, 그리고 생물학(biological) 기술로 보았다. 하지 만, 거의 모든 지식과 정보처리 분야의 발전이 4차 산업혁명을 이끌고

있다는 것에서 알 수 있듯이 4차 산업혁명의 주요 추동 기술에 대한 정 의는 바라보는 시각에 따라 매우 다양하다.

4차 산업혁명의 기술 동인에 대해서는 구조적 계층을 나누어 구분하는 것이 보다 이해하기 쉽다. 먼저 거시 레벨에서는 앞에서 설명한 클라우스 슈밥의 메가트렌드나 디지털 전환(Digital Transformation)을 들 수 있다. 이는 사회의 각 부분들이 ICT 적용으로 디지털화되어, 생산성이 높아지 고 새로운 비즈니스가 창출되는 것을 의미한다. 한편, 미시 레벨의 범용 핵심 기술은 실제 적용되는 요소 기술들로서, 예를 들면 AICBM(AI, IoT, Cloud computing, Big data, Mobile/5G)을 의미하며, 이들이 각 분야별 응용 기술들과 결합하여 새로운 기술 혁신과 산업별 및 산업 간의 부흥을 이 끌어 낼 수 있다. 이는 가상·증강현실, 드론, 블록체인, 3D 프린팅 등과 같이 적용할 수 있는 범위가 한정되어 있거나 기술적인 가능성이 아직 불확실한 기술들과는 차별화 된다(장윤종 외, 2017, p. 56).

[그림 2-3] 4차 산업혁명의 범용 핵심기술 및 분야별 응용기술

자료: 대통령직속 4차산업혁명위원회(2017, p. 5)

가장 먼저, 일상의 모든 것을 연결한다는 사물인터넷(IoT; Internet of Things) 기술은 사실 오래 전부터 USN(ubiquitous sensor network) 또는

M2M(machine to machine) 등의 이름으로 존재해 오던 것이 진화된 개

념이다. 모든 사물에 센서(sensor)가 달려 있어서 사람이 직접 관여하지 않고도 의미 있는 데이터를 주고받아 자동적으로 수집되고, 이를 기반 으로 정확한 정보의 선별 및 파악이 가능해 지는 것이다. 또한, 사람과 사물뿐만 아니라 사물과 사물끼리도 공통 언어로 상호 양방향 소통할 수 있는 연결된 생태계 그 자체를 의미하는 것으로, 기술적 측면과 함 께 사물들 간의 초연결(hyper-connected)로 인하여 제공할 수 있는 서비 스를 모두 포함하고 있다⁵⁾.

두 번째로 모바일 및 차세대 통신(Mobile/5G) 기술은 앞에서 설명한 IoT를 기반으로 수집된 데이터들과 이의 조합 및 분석 등을 바탕으로 추가 생성되는 데이터들이 자유롭게 전달 및 확산되도록 양방향 교환 되는 통로라고 볼 수 있는 유무선 통신 기술이다. 이는 스마트폰 등의

무선(mobile) 단말기들을 연결해 주며, 정보 교환 및 각종 데이터 서비

스를 가능하게 한다. 국내외 무선통신 사업자들은 사용하는 데이터의 급격한 증가에 따라 늘어나고 있는 통신 수요에 맞추어 지속적으로 네 트워크 용량을 늘려오고 있다.

국제전기통신연합(ITU)이 개최한 전파통신총회(2015.10)를 통해 정한 5G(5세대 이동통신)의 공식 기술명칭은 ‘IMT(International Mobile

Telecommunication)-2020’이다. 이는 기존 2GHz 이하의 주파수를 이용

하던 4G와는 달리 28GHz의 초고대역 주파수를 사용하게 된다. 최대 다운로드 속도는 20Gbps, 최저 다운로드 속도는 100Mbps로 2011년부터

5) 이 문단은 장윤종 외(2017), pp.56-62 및 박한구 외(2017), pp.65-70를 바탕으로 요약 및 재구성함.

시작된 4G의 최대 데이터 다운로드 속도인 300Mbps와는 비교도 안 될 정도의 이동통신 기술이며, 반경 1km² 내의 100만개 기기에 사물인터 넷(IoT) 서비스를 제공할 수 있다. 결국 중앙에 있는 서버와 끊기는 상 황 없이 많은 양의 데이터를 주고받아야 하는 사물인터넷의 실현을 위 해 반드시 필요한 기술이라고 할 수 있다⁶⁾.

기본적으로 유선 통신망이 무선 통신에 비해 보안은 우수하지만, 이 동성이 핵심인 기기가 대부분인 현대 모바일 환경에 따라 5G 등의 무 선통신 기술의 중요성이 점차 높아지고 있으며, 유무선 통신은 상호 접 목되어 보완적으로도 활용되는 추세이다.

세 번째로 클라우드 컴퓨팅 및 서비스(Cloud computing & service) 는 통신 네트워크를 통해 수집한 데이터를 중앙 집중형태 스토리지에 저장 하고, 이를 분석할 수 있는 핵심 인프라와 컴퓨터 시스템을 구축하여 사 용자들이 원하는 만큼 IT 자원을 사용할 수 있게 만든 환경과 이를 통해 제공하는 서비스를 의미한다. 이로 인하여 IT 자원을 직접 소유할 필요 없이 사용료를 주고 필요한 만큼만 사용할 수 있게 된다. 이는 현재 에어 비앤비(airbnb) 및 우버(uber) 등 사회적으로 확산되고 있는 공유 경제와도 그 궤를 같이한다고 볼 수 있다. 최초의 클라우드 서비스는 Gmail이나 Dropbox와 같이 소프트웨어를 웹에서 사용할 수 있는 ‘SaaS(Software as a

Service)’가 대부분이었다. 그 후, 서버와 저장장치(storage), 네트워크 장비

등을 빌려주는 ‘IaaS(Infrastructure as a Service)’와 플랫폼 자체를 빌려주 는 ‘PaaS (Platform as a Service)’로 점차 확대되고 있다⁷⁾.

한편, 이렇게 클라우드 컴퓨팅은 한 곳에 밀집된 자원을 이용하여 원 거리 사용자에게 필요한 서비스를 제공하는 기술이다. 반면, 근거리에

6) 이 문단은 한국경제TV산업팀(2016), pp.100-121을 바탕으로 요약 및 재구성함 7) 이 문단은 장윤종 외(2017), pp.62-66을 바탕으로 요약 및 재구성함.

분산되어 있는 자원들을 활용하여 필요한 서비스를 빠르게 제공하고, 필요시에 클라우드에 접속하여 통합 서비스를 제공할 수 있도록 구축 해 놓은 환경을 포그(Fog) 컴퓨팅이라고 한다(박한구 외, 2017, p.77).

네 번째 범용 핵심기술인 빅 데이터(Big data)는 양적으로 방대한 것 만 아니라 복잡성도 높아서 기존의 응용프로그램으로 처리하기 힘든 데이터 모음을 의미한다. 글로벌 IT 분야를 대표하는 가트너(Gartner) 그룹의 정의에 따르면 방대한 양(Volume), 유형 및 원천의 다양성

(Variety), 실시간처럼 빠른 수집 및 처리 속도(Velocity), 데이터의 신뢰

성(Veracity) 등으로 그 특성이 요약될 수 있다(박한구 외, 2017, p.81).

데이터의 생성 및 저장, 그리고 처리를 통해 결과를 보여주는 전체적인 프로세스가 빠르고 정확하게 이루어져야 한다.

빅 데이터 기술은 데이터 속에서 일정한 패턴을 추출하는 데에 활용 된다. 데이터의 분석을 통해 파악된 패턴이 가치 있는 것이라면, 이를 통하여 수많은 비즈니스 기회를 발견할 수 있다. 이처럼 대량의 데이터 에서 숨겨져 있는 가치를 발굴하기 위해서는 명확한 분석 목표 하에서 데이터를 수집하고 처리하는 기술과 의미 분석 및 시각화하는 기술의 활용이 필요하다(박한구 외, 2017, p.99).

마지막으로 인간의 지능을 모사하여 학습하고 이를 통해 스스로 판단 하는 인공지능(Artificial Intelligence: AI) 기술은 1950년대에 나왔을 만큼 오래된 단어이다. 하지만, 2012년에 개발된 새로운 머신러닝 방법인 딥러

닝(Deep Learning)의 확산으로 4차 산업혁명과 맞물려 컴퓨팅 환경이 조

성되고 빅 데이터 기술과 연계되면서 범용 핵심기술로 부상하고 있다. 머 신러닝은 기존 데이터의 규칙과 프로세스를 분석하여 학습을 기반으로 미래 데이터를 예측하는 통계적 과정이라고 할 수 있는데, 딥러닝은 머신

러닝의 발전된 개념으로 인공 신경망(ANN; Artificial Neural Network) 기 술이 접목됨으로써 인간이 설계해 놓은 특징을 학습하는 것이 아니라 데 이터 속에서 스스로 특징을 만들어 학습하는 것을 의미한다⁸⁾.

4. 4차 산업혁명과 에너지

가. 에너지 패러다임의 변화

2000년 전후로 기후변화에 따른 각종 위기의 심각성이 대두됨에 따라 세계적으로 에너지의 무조건적 생산과 사용이 아닌 환경과 자연보호에 입각한 에너지의 생산과 사용으로 패러다임 변화 필요성이 요구되어 왔 다. 결국 기존의 협력체계 패러다임인 교토의정서하에서는 선진국들만 을 중심으로 했던 대응방안이 2015년에 개최된 파리기후협약을 거치며 참여 범위를 대부분의 국가로 확대하는 등 변화하기에 이르렀다.

파리협약의 결과로 전 세계는 지구의 평균기온 상승을 산업화 이전 대비 1.5℃로 제한하기 위해 공동으로 노력하고자 하는 장기적 목표를 수립하였다. 지구의 온난화를 방지하려는 목적은 교토협약 때와 마찬 가지이나, 선진국들만 감축의무를 갖는 것에서 벗어나 참가한 당사국 들이 모두 감축 의무를 지니게 되었다. 이에 우리나라 또한 개발도상국 에서 급격히 발전한 국가의 일원으로서 국제 사회에서 해당 의무를 충 실히 이행해야 하는 상황이다.

이러한 글로벌 환경 기준에 부합하기 위해 전 세계 에너지 패러다임 도 기존의 수급 안정과 산업 경쟁력 강화 중심에서 친환경적 생산과

8) 이 문단은 박한구 외(2017), pp.100-108을 바탕으로 요약 및 재구성함

효율적 사용으로 전환되고 있다. 지구 온난화의 주범으로 알려져 있는 온실가스 배출을 줄이기 위해서는 화석에너지 중심의 현재 에너지 공 급 패러다임에서 벗어나 친환경 및 저탄소 에너지 중심의 생산이 되어 야 한다. 이에 따라 재생에너지, 에너지저장, 전기자동차 등의 새로운 비즈니스 분야 및 관련 사업 모델들이 효과적인 방법으로 주목을 받고 있다. 또한, 관련 기술개발과 맞물려 다양한 에너지 산업은 다양한 에 너지 생산자 및 소비주체 등이 참여할 수 있는 에너지 시장 경쟁체제 의 확대 등 산업 전반적인 체계 변화를 가져올 것이 분명하다.

비록 미국이 파리협약(Paris Agreement)을 탈퇴한다고 선언하였지만, 세계 에너지시장은 여전히 화석연료 감축과 친환경에너지 확대로의 에

너지전환(Transition)을 진행 중이다. 특히 EU 및 중국을 중심으로 파리

기후협정을 이행하기 위한 노력들이 지속되고 있으며, 미국도 연방

(Federal) 정부가 아닌 주(States) 정부 차원에서는 파리협약 준수를 위한

움직임이 여전히 유효하다고 할 수 있다. 이처럼 에너지전환의 중요성 이 전 세계적으로 확대되고 있는 가운데, 우리나라도 에너지 포트폴리 오의 변화를 도모하기 위한 에너지전환 로드맵을 추진 중이다.

[그림 2-4] 국내 에너지 포트폴리오 전환 계획

자료: 산업통상자원부(2017a, p. 2)