EFOM-ENV 모형개선 및 수송부문 사례분석연구

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수송부문 사례분석연구

2002

최 병 렬

에너지경제연구원

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연구책임자 : 연구위원 최병렬

연구참여자 : 선임연구위원 심상렬

연구위원 임기추

책임연구원 최도영

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본 연구는 상향식(bottom-up) 평가모델인 EFOM-ENV를 활용하여 우 리나라 에너지부문별 에너지절약 및 온실가스 저감 평가모형을 구축할 필요성이 제기되면서 비롯되었다. EFOM-ENV는 주어진 기술․환경․경 제적 조건하에서 에너지와 제품의 공급비용을 최소화할 수 있도록 기 술․연구개발․에너지공급을 최적화 하는 모형으로, 에너지정책의 영향 평가, 신기술도입의 유용성 평가 등에 활용되고 있다.

본 보고서에서는 EFOM-ENV 모형의 일반구조 및 특성, 링크와 노드 의 기능, 파라메타의 종류, 최적화의 목적함수와 제약조건을 설명한 후, 수송관련 자료를 활용하여 국가에너지시스템의 한 부분인 수송부문

EFOM-ENV 모형을 부분적으로 개선하였다.

본 연구의 목적함수는 설명변수인 연료비와 자동차구입비의 총합이 최소화되도록 최적화하는 하는 것이다. 외생변수인 수송부문 최종에너지 수요전망은 ‘기후변화협약 및 교토의정서 대응전략연구(에너지경제연구 원, 2002)’의 결과를 활용하였다. 이 수요전망을 바탕으로 수송유효에너 지를 도출하고, 각 분야별 수송수단의 차량가격과 수송연료가격, 적절한 제약을 통하여 최소비용함수의 해를 도출하였다. 또한 구축된 모델을 통 하여 5%와 10% 이산화탄소의 배출제약을 가할 경우, 각각의 에너지흐 름과 배출저감 비용을 산출했다.

분석결과 비용효과적인 수송부문의 온실가스 저감수단은 버스 및 트 럭의 연료전환으로서 CNG의 활용이 유망할 것으로 나타났다. 이 같은 연료전환의 온실가스 저감비용은 투자비 등을 포함하여 5% 저감시 2010 년 기준 탄소톤당 50달러 이하로 추정되었다. 경차, 전기차, 하이브리드

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모델 운영결과는 다음 몇 가지 시사점을 제시하고 있다. 첫째, 저감목 표를 달성하기 위해서 이산화탄소 배출이 적은 연료를 사용하는 수송수 단의 보급되는 것으로 나타났다. 그런데 버스와 트럭분야에서는 CNG 차량의 보급증대로 단위당 저감비용이 마이너스를 기록하고 있는 바, 이 는 현재 CNG 가격이 경유가격보다 낮게 책정되어 있는 가격구조가 반 영된 결과로 볼 수 있다. 둘째, 본 연구의 에너지네트워크는 연료경쟁이 발생하는 분야가 제한되어 있어 현실적인 에너지흐름의 형태로 세부 조 정하는 데에는 한계가 있음을 보여주었다. 셋째, 에너지절약정책 또는 온실가스 저감대책이 부문별로 이뤄질 경우에는 자원배분에 비효율을 초래할 수 있음을 보여준다. 즉 수송부문에서 무리하게 CO2를 저감하게 되면, 전기자동차와 같은 고비용의 수단을 도입하여야 한다.

본 연구결과 구축된 수송부문 EFOM-ENV 모형은 다음의 특징을 가 지고 있다. 첫째, 유효에너지(수송서비스) 개념을 도입함으로써 수송수단 간의 효율을 모형에 반영할 수 있도록 에너지시스템을 구축하였다. 유효 에너지는 수송수단의 연평균연료소비량 기준으로 상대지수화(가장 효율 이 좋은 수송수단인 전기자동차를 1로 둠) 하여 작성하였다. 둘째, 수송 부문 저감수단별 온실가스 평균저감비용 산출할 수 있는 분석의 틀을 마련하였으며, 온실가스 감축 제약시의 중장기 수송대안 제시할 수 있 다. 셋째, 자동차 소매가격, 연료의 주유소 판매가격을 입력 자료로 활용 하고 있어 자료수집이 용이하다.

그러나 동 모델의 유용성을 보다 극대화하기 위해서는 다음 사항들을 보완할 필요가 있다. 우선, 수송부문 유효에너지( 수송 서비스)의 개념을 구체화하고 세련시킬 필요가 있다. 둘째, 실질적인 최적화 모델이 되기

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효율자료인 원단위(㎞/ℓ), 인․km, 톤․km 등을 활용할 수 있어야 한 다. 본 보고서에서는 상대적 효율자료를 활용하고 있다. 셋째, 2020년까 지의 분석기간 동안 연료비나 수송수단의 가격의 변화가 없다고 가정하 고 있다는 점과 수송에너지 네트워크상에 경쟁적인 부분이 너무 단순하 게 구성되어 있다는 점 등이다.

본 연구에서는 수송에너지네트워크의 구조, 유효에너지, 입력된 비용 자료 등을 비교적 상세하고 구체적으로 기술하여 향후 모델 개선에 도 움을 주고자 하였다. 보완되어야 할 사항이 적지 않음에도 불구하고 동 모델은 주어진 현실적 자료를 활용하여 중장기 수송분야 에너지 흐름과 그에 따른 온실가스저감정책의 영향을 분석하는데 유용한 도구로 활용 될 수 있을 것이다.

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The primary objective of this study is to identify major options to mitigate GHG emissions in the transport sector, and to estimate their abatement costs. This study developed a dynamic linear programming model based on the EFOM-ENV methodology. The EFOM-ENV model is widely used to evaluate new technologies, and to assess energy and environmental policies, minimizing total energy system costs given the demands for effective energy services and commodities.

Fuel switching, e.g., the use of CNG, in buses and trucks will be a cost-effective option to reduce GHGs, of which the abatement cost is estimated well below US$50 per carbon ton in 2010. The use of small, electric, and hybrid cars is expected to be major GHG mitigation options for passenger cars, but at high abatement costs.

Regarding the salient features of the model developed in this study, it introduced a concept of the effective transport energy demand based on relative fuel economies between transport vehicles.

In addition, it improved on the model structures of previous studies by expanding technology options. For future work with the model, the concept of the effective energy demand needs to be refined in terms of passenger-km, ton-km, etc. And it is necessary to obtain micro economic and technical data, e.g., share of transport modes, road-tested fuel economies, etc., which are exogenous to the model.

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<제목차례>

Ⅰ. 서론···1

Ⅱ. EFOM-ENV 모델의 개요···4

1. 모델의 운용현황···4

2. EFOM-ENV의 활용가능 범위···5

가. 에너지정책 부문···6

나. 에너지 생산/공급 부문···7

다. 에너지소비 부문···7

라. 환경영향 평가···8

3. EFOM-ENV 적용 사례···9

가. 해외사례···9

나. 국내적용 사례···10

4. EFOM-ENV 모델 개발동향···12

가. TIMES (The Integrated MARKAL-EFOM System)···12

나. EFOM-ENV와 CGE 모델과의 통합···13

Ⅲ. EFOM-ENV의 구조···14

1. EFOM-ENV 구조의 개관···14

2. 모델 구성요소 및 운용 방법···18

가. 에너지/환경 데이터베이스···18

나. 최적화 및 리포트···26

3. EFOM-ENV 모델의 장점 및 취약점···30

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Ⅳ. 수송부문 EFOM-ENV의 구성 및 운영···32

1. 수송에너지 절약시책 및 주요 프로그램···32

가. 고연비 자동차 보급 확대···32

나. 경자동차 보급 확대···35

다. 연료대체 자동차 개발 및 보급···36

라. 에너지절약관련 교통체계관리제도···37

2. 수송부문 최적화 모델···39

가. 비용최소 최적화 모델···39

나. 분석의 전제 ···39

다. 수송부문 유효에너지 전망···43

라. 수송부문 EFOM-ENV 네트워크 ···44

마. 분석용 자료의 수집 ···48

바. 모델 입력자료 형태···53

Ⅴ. 모델 운영의 결과분석···57

1. 기준안 에너지 밸런스 ···57

2. CO2 배출제약시의 에너지 흐름과 단위당 배출비용···60

가. 이산화탄소 배출 5% 감축 제약···61

나. 이산화탄소 배출 10% 감축 제약···67

3. 모형운영결과의 의미···73

Ⅵ. 결론 및 향후 연구계획···75

<참고 문헌>···79

<부 록>···81

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<표 차례>

<표 Ⅱ- 1> EFOM-ENV의 활용가능 주요 범위···5

<표 Ⅲ- 1> 에너지흐름 모수···23

<표 Ⅲ- 2> 설비 관련 모수···24

<표 Ⅲ- 3> 비용 관련 모수···25

<표 Ⅲ- 4> 환경 및 신기술 관련 모수···25

<표 Ⅳ- 1> 수송부문 에너지절약수단 및 대책 개요···33

<표 Ⅳ- 2> 경자동차 보급실적···36

<표 Ⅳ- 3> 경제성장의 전제···40

<표 Ⅳ- 4> BAU 주요 전망 전제···40

<표 Ⅳ- 5> 에너지원별 수송부문 에너지수요 전망 ···41

<표 Ⅳ- 6> 수송수단별 에너지수요전망···42

<표 Ⅳ- 7> 유효에너지 전망···43

<표 Ⅳ- 8> 차종별 판매가격 입력자료···50

<표 Ⅳ- 9> 차종별 연료소비량 입력자료···52

<표 Ⅳ-10> 차종별 연료비 단가 입력자료···53

<표 Ⅳ-11> 온실가스 배출계수···56

<표 Ⅴ- 1> 여객부문 에너지 밸런스···58

<표 Ⅴ- 2> 휘발유 승용차 부문 에너지 밸런스···59

<표 Ⅴ- 3> 화물부문 에너지 밸런스 ···59

<표 Ⅴ- 4> 이산화탄소 배출 제약시의 에너지 흐름···61

<표 Ⅴ- 5> CO2 배출 5% 저감시 승용차분야 에너지 흐름···62

<표 Ⅴ- 6> CO2 배출 5% 저감시 수송수단별 단위당저감비용···63

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<표 Ⅴ- 7> CO2 배출 10% 저감시 승용차분야 에너지 흐름···68

<표 Ⅴ- 8> CO2 배출 10% 저감시 수송수단별 단위당저감비용···69

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<그림 차례>

[그림 Ⅲ- 1] 에너지 공급 및 이용단계간 관계···15

[그림 Ⅲ- 2] 에너지네트워크의 예···15

[그림 Ⅲ- 3] EFOM-ENV 모형의 최적화 및 리포트 과정···16

[그림 Ⅲ- 4] 에너지/환경 데이터베이스 구조···17

[그림 Ⅲ- 5] 링크의 표시방법···19

[그림 Ⅲ- 6] 노드 타입의 종류와 표기 방법···22

[그림 Ⅳ- 1] 여객부문 에너지 네트워크···46

[그림 Ⅳ- 2] 화물수송 네트워크 ···47

[그림 Ⅴ- 1] CO2 배출 5% 저감시 승용차부문의 저감비용(2010)····64

[그림 Ⅴ- 2] CO2 배출 5% 저감시 버스부문의 저감비용(2010)···64

[그림 Ⅴ- 3] CO2 배출 5% 저감시 트럭부문의 저감비용(2010)···65

[그림 Ⅴ- 4] CO2 배출 5% 저감시 승용차부문의 저감비용(2020)····65

[그림 Ⅴ- 6] CO2 배출 5% 저감시 트럭부문의 저감비용(2020)···66

[그림 Ⅴ- 7] CO2 배출 5% 저감시의 수송수단별 단위당 저감비용·67 [그림 Ⅴ- 8] CO2 배출 10% 저감시 승용차부문의 저감비용(2010)··69

[그림 Ⅴ-10] CO2 배출 10% 저감시 트럭부문의 저감비용(2010)···70

[그림 Ⅴ-11] CO2 배출 10% 저감시 승용차부문의 저감비용(2020)··71

[그림 Ⅴ-12] CO2 배출 10% 저감시 버스부문의 저감비용(2020)···71

[그림 Ⅴ-13] CO2 배출 10% 저감시 트럭부문의 저감비용(2020)···72

[그림 Ⅴ-14] CO2 배출 10% 저감시 수송수단별 단위당 저감비용·72

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Ⅰ. 서론

92년 결의된 리우 기후변화협약이 94년 3월 21일부터 발효되기 시작

한 이래, 우리나라뿐만 아니라 세계 각국은 지구온난화가스의 배출저감 을 위해 다양한 노력을 경주해 오고 있다. 공동이행제도, 청정개발체제, 배출권거래제 등 국가간 공동사업이 추진되고 있는 반면, 각국은 산업 별, 부문별로 자원 및 에너지의 효율화를 통한 이산화탄소의 구체적인 저감방안을 강구하기 시작했다.

미국, 유럽연합 및 일본 등 선진국은 에너지절약 및 온실가스 저감 평 가모형을 위한 연구에 장기적으로 투자해 왔으며 지금은 운용단계에 있

다. 미국은 10년 이상의 장기 연구투자를 통해 국가에너지모형체계

(National Energy Modelling System)을 구축하여, 운용하고 있다. 유럽 연합(EU)은 80년대 초에 에너지이용최적화모형(EFOM) 및 데이터베이스 를 구축하고 이를 바탕으로 유럽연합 회원국은 별개로 평가모형을 수 립․운영하고 있다. 한편, 일본은 수년 전(약 5년)부터 아시아․태평양 지역의 개도국을 중심으로 자료수집 및 모형확립에 투자를 실시하고 있 다.

우리나라도 국제적인 여건변화에 적극 대응하기 위하여 부분적으로 해외모형을 도입․운용하여 기후변화협상 및 국가 에너지절약 사업에 그 결과를 활용하고 있다. 그러나 장기계획이 부재한 상태에서 수시로 발생하는 정보요구의 충족에 시간과 비용을 할애하고 있는 실정이어서 적극적으로 모델을 개발ㆍ운용하지 못하고 있다. 더욱이 에너지정책 평 가모형은 경제부문 내에 존재하는 경제주체의 경제활동 변수자료, 에너 지이용 기기 및 그 이용행태에 대한 자료 및 분석 등의 전제를 필요로

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한다.

이 같은 현실적 여건을 감안하여 상향식(bottom-up) 평가모델인 EFOM-ENV를 활용하여 우리나라 에너지부문별 에너지절약 및 온실가 스 저감 평가모형을 다음과 같이 단계적으로 구축할 필요가 있다.

○ 연도별 추진계획

- 2001년 : 국가 에너지절약 목표와 경제부문별 추진계획 수

립 및 에너지수요 관리체계 확립 방안 연구를 통해 장기목 표를 설정(완료)

- 2002년 : 수송부문 평가모형 정립

- 2003년 : 에너지다소비산업부문 평가모형 정립

- 2004년 : 산업부문 및 가정부문 평가모형 정립 - 2005년 : 상업 및 공공부문 평가모형 정립

- 2006년 : 국가 전체 모형과 경제부문별 모형의 통합 및 운용

EFOM-ENV는 주어진 기술․환경․경제적 조건하에서 에너지와 제품 의 공급비용을 최소화할 수 있도록 기술․연구개발․에너지공급을 최적 화 하는 동태적 선형계획 모형이다. 동 모형은 특히 최종 에너지수요를 충족시키기 위해 필요한 1차 에너지 공급량과 관련 투자규모를 산정하 는 데 이용되며, 에너지정책의 영향평가 뿐만 아니라 신기술도입의 유용 성 평가 등으로 활용범위가 확대되고 있다.

본 보고서에서는 EFOM-ENV 모형의 구조 및 특성을 파악하고, 우리 나라 수송관련 자료를 활용하여 그 이해를 구체화하는 한편, 국가에너지 시스템의 한 부분인 수송부문 모형을 구축하고자 한다.

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본 보고서의 연구범위는 다음과 같다. 먼저 2장에서는 EFOM-ENV 모형의 개요를 살펴본다. 동 모형의 주요 특징과 모델운용 현황 및 모델 활용가능 범위 등을 검토한다. 그리고 동 모델을 이용한 국내외 분석사 례, EFOM-ENV 모델의 개발동향 등을 살펴본다. 3장에서는 모델의 구 조를 알아보고, 에너지시스템 네트워크의 도식화 방법과 모델의 구성요 소 등을 소개한다. 4장에서는 수집가능한 자료를 활용하여 우리나라 수

송부문 EFOM-ENV 모델을 구축하고, 5장에서는 모델운영의 결과를 분

석한다. 마지막 6장에서는 결론 및 향후의 연구방향 등을 모색한다.

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Ⅱ. EFOM-ENV 모델의 개요

1. 모델의 운용현황

EFOM-ENV 모델은 70년대 유럽지역이 경험한 2차례의 석유공급 위

기와 지역의 환경문제에 공동으로 대응할 필요성이 높아짐에 따라 유럽 연합(EC) CEC-DGⅫ(Commission of The European Communities in Directorate General Ⅻ)의 주도 하에 개발되었으며, 기존 EFOM-12C MARK Ⅰ 모델에다 환경 분야를 첨부한 것이다¹⁾. EFOM-12C MARK

Ⅰ 모델은 공급/기술-경제 에너지 모델로서, 주어진 유용에너지 또는 최 종에너지의 외생적 수요를 만족시키기 위해 필요한 1차 에너지의 생산, 수송, 전환과정에 관련된 투자를 모의실험하고 최적화 하는 동태적 선형 에너지공급 모델이다. 동 모델은 ‘77-’80 벨기에 민간기업이 개발하였으 며, 현재 유럽연합의 CEC-DGⅫ가 관리하고 있다. 동 모델은 기술적/경 제적 정보는 사용자가 에너지시스템의 특별한 구조에 데이터 베이스로 저장하며, 두 개의 운영모델인 시뮬레이션 모듈과 최적화 모듈을 가진 다²⁾. 이 같은 구조의 동태 모델에 환경모듈을 첨가한 EFOM-ENV 모델 에서는 에너지시스템의 주된 환경오염원과의 조화뿐만 아니라 배출저감 을 위한 기술적, 조직적 수단 및 관련 비용을 검토할 수 있다.

그러므로 EFOM 모형은 개발 초기에는 에너지정책의 영향을 평가하

1) EC의 에너지환경 프로젝트인 "Optimal Strategies for Reducing Emissions from Energy Production and Energy Use"의 기본적인 분석틀이 되어 SOx, NOx, CO2 등의 저감 기술옵션을 평가함.

2) 구체적인 내용은 3장을 참조하기 바람

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는 민감도 분석이 주류를 이루었으나, 신기술도입의 유용성 및 시장보급 잠재력 평가 연구로 적용범위가 확대되어 왔다. 특히 동 모형에 환경모 듈이 첨가된 EFOM-ENV로 발전되면서 오염배출량 및 배출저감 비용평 가에도 적극 활용되고 있다.

2. EFOM-ENV의 활용가능 범위

EFOM-ENV 모형의 활용범위는 매우 넓다. 에너지 정책부문은 물론

중장기 에너지 수급구조, 최적 에너지 믹스, 온실가스 저감기술평가 등 다양한 분야에 대한 분석이 가능하다.

<표 Ⅱ-1> EFOM-ENV의 활용가능 주요 범위 범 위 분 석 내 용

에너지정책 분야

- 에너지수요증가에 따른 최적 투자, 기술개발 방안 - 에너지 가격(조세)변동과 연료간 대체효과 및 에너 지수입 파급 효과

- 에너지수입정책과 적정 에너지의존도 - 에너지 위기의 영향과 대처방안

에너지 공급 및 수요부문의

경제적․기술 적 활동

- 주어진 최종수요를 충족시키는 최소비용 구조 모색

- 신기술도입의 파급효과

- 장기에너지수요를 충족시키는 투자비용 - 수요구조변화의 파급효과

- 에너지소비저감방안(에너지절약기술도입, 에너지저소비형 공정)의 파급효과 환경영향분석

- 대기오염저감 전략에 따른 에너지공급구조 변화 - 비용/효과적인 온실가스 배출저감 전략

- 온실가스 배출저감 비용곡선 도출

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가. 에너지정책 부문

EFOM-ENV 모형은 에너지정책부문 중 첫째, 에너지공급 대안 분석에

적용될 수 있다. 외생적으로 주어진 중장기 에너지수요를 충족시킬 수 있도록 에너지생산, 전환, 이용과정에서 사용 가능한 기술적 수단을 중 심으로 대안을 개발할 수 있다. 이 때 고려할 사항은 에너지생산과 연료 간의 대체가능성, 에너지 의존정도, 에너지사용과 관련된 비용(투자비, 무역수지 등), 그리고 기타 특별한 기술개발에 수반되는 영향 등이다. 이 미 언급한 바와 같이 동 모델은 주어진 유효에너지를 충족시키기 위해 요구되는 1차 에너지 공급량을 산출하되, 그에 필요한 투자비용을 최소 화하는 방안을 모색하는데 있다. EFOM-ENV 모형은 에너지정책 평가에 대한 정확한 해답을 제공하는 것이 아니라, 공급부문 정책에 미치는 영 향을 강조하게 된다.

둘째, EFOM-ENV 모형은 요구되는 에너지공급을 위해 현행 시설능력 및 개발 가능한 기술을 고려한 투자계획을 수립하는데 도움을 줄 수 있 다. 셋째, 동 모형을 통해 에너지관련 조세제도의 효과를 분석할 수 있 다. 에너지에 여러 형태의 조세가 부과될 경우, 그로 인한 가격변화가 1 차 에너지공급 Mix에 어떤 변화를 가져올 것인지를 분석할 수 있다. 타 연료와 경쟁 관계에 있는 연료에 조세를 어느 정도 부과했을 때 연료간 대체가 이뤄질 수 있을 것인가를 검토할 수 있으며, 아울러 조세 수익의 변화를 평가할 수 있다.

넷째, 에너지공급 중단과 같은 공급위기에 대한 분석을 할 수 있다.

동 모델은 재고를 자원의 한 부분으로 인식하여 운용할 수 있기 때문에 에너지공급 위기 시 단기적으로는 재고 감소, 대체 에너지원의 수입, 연

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료 전환, 수요 감축 등의 대응방안에 대하여 분석이 가능하다. 그리고 보다 장기적으로는 생산과정이나 소비패턴의 변화를 유도하게 된다. 장 기와 단기 대응방안의 경우를 모의실험(simulation)함으로써 이행 가능 한 에너지정책의 영향을 평가할 수 있다.

나. 에너지 생산/공급 부문

EFOM-ENV 모델은 다양한 기술옵션에 대한 잠재가격(Shadow price) 을 산출할 수 있으므로 경쟁적인 신규 기술개발을 유도할 수 있는 에너 지의 가격 수준을 평가할 수 있게 한다. 잠재가격은 현재 상태에서의 자 원의 한계수익을 나타내는 것으로 가용자원을 한 단위 증가시키기 위해 지불할 수 있는 최대한도의 금액을 나타내는 것이다.

또한 장기적으로 신규 에너지기술 및 자원(수소에너지, 태양에너지 등)의 도입을 모델에 반영(시장 영향, 시장점유율 등)할 수 있다. 이 때 신기술이나 자원이 시장에 미치는 영향이나, 시장의 점유율 등은 외생자 료로 입력된다.

다. 에너지소비 부문

모델의 최적화를 통해 얻어진 해(solution)는 엄격하게 에너지부문의 관점으로 이해해야 하며, 정치․경제적 환경을 고려했을 경우에도 실현 가능한지에 대해서는 보다 심도 있는 연구가 필요할 것이다. 만일

EFOM-ENV 모델로 소비행태를 분석할 경우, 장기 에너지수요 모델과

연계하여 사용해야 한다. 우선 어떤 정책수단의 방향을 모색한 후, 그 정책의 효과를 시뮬레이션 한다.

동 모델은 공급과 최종소비 부문을 별도의 하부시스템(subsystem)으로

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분리하여 최적화 할 수 있다. 그러므로 모델을 통하여 발견한 최소비용

의 解와 소비자의 최종결정을 이끄는 실물 가격정보 간의 차이를 줄일

수 있어 좀더 현실적인 모델의 구축이 가능하다. 최종소비 분야를 최적 화 할 경우에는, 연료의 구매가격을 적절하게 고려하여야 한다. 그리고 동 모델은 에너지절약기술 도입, 에너지가 집약적으로 사용되는 공정으 로부터의 전환 등을 평가함으로써 에너지절약 잠재량 추정도 가능하다.

라. 환경영향 평가

동 모형을 통해 대기오염 배출가스 저감기술의 효과를 분석할 수 있 다. 즉, 저감기술을 적용했을 때의 배출 저감량, 배출저감 비용 등에 대 해 분석할 수 있으며, 이를 바탕으로 비용 효과적인 배출가스 저감 전략 의 수립이 가능하다. 에너지 데이터베이스와 적절한 제약 등을 활용하여 최소비용의 에너지공급 구조를 구축하고, 비용 효과적인 온실가스 저감 전략을 마련할 수 있다.

또한 모델은 정부의 배출가스저감 정책(배출 수준, 기타 법적수단)과 도입시점 등을 용이하게 반영할 수 있다. 그리고 정책적 제약 유무의 결 과 분석을 통하여 정책이행에 수반되는 비용과 그 효과를 비교 검토한

다. 만약 EFOM-ENV 모델에 총 배출수준 제약을 가하면, 이에 상응하

는 최소비용 하의 에너지공급 및 기술 Mix를 도출하게 된다. 이를 활용 하여 저감대안 수단별 최소비용곡선을 구할 수 있다.

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3. EFOM-ENV 적용 사례

가. 해외사례

이미 언급한 바와 같이 EFOM-ENV 모델은 70년대 말과 80년대 초에 걸쳐 유럽연합(EC)의 주도로 개발된 것이다. ‘78-’79년 2년에 걸쳐 EC 회원국은 EFOM-ENV의 구조에 따라 국가별 자료를 활용, 모델을 운영 하는 한편 ‘81년에는 각 국별 시스템을 통합하는 케이스 연구를 추진한 바 있다. 태국과 스위스 정부기관은 벨기에와 공동으로 각 국의 모형운 용에 필요한 에너지시스템을 구축하였다. 유럽위원회는 ‘에너지시나리오 2000’(‘82-’83) 프로젝트를 통하여 EFOM- ENV 모형의 활용도를 더욱 확 대시켰다.

이 밖에 EC 회원국들은 에너지관련 신기술을 평가하는데 동 모델을 활용하였다. 프랑스 CEA(Commissarat d'Energie Atomique)는 EFOM- 12C를 활용하여 수소를 이용한 신기술도입과 시장 침투력에 대한 연구 하였으며(1983), 벨기에도 유사한 연구를 수행했다. 스페인 산업에너지부 는 신에너지 계획의 효과 분석을 위해 동 모델을 활용하였다.

아세안 6개국은 장기(2020년) 온실가스 배출 통제 시나리오인

‘ASEAN-2020’를 분석함에 있어 EFOM-EN 모델을 분석의 주요 툴로 사 용하였다. 아세안 6개국은 부르나이, 인도네시아, 말레이시아, 필리핀, 싱 가포르, 태국이다.

90년대 들어서는 특정 분야별 심층연구에 활용되기도 하였다. 특히 90

년대 말에는 체코 등 전환경제 국가(구 동유럽)들의 에너지환경 정책의

(21)

평가에 동 모델을 적용하고 있다(‘99).

나. 국내적용 사례

EFOM-ENV 모형은 ‘아시아지역 온실가스 최소비용 저감전략(Asia

Least-cost Greenhouse Gas Abatement Strategy : ALGAS)’ 프로젝트 수 행을 위해 1997년 에너지경제연구원에 의해 국내에 처음 도입되었는데, 이 연구의 목적은 크게 두 부분으로 요약될 수 있다. 첫째는 에너지 공 급부문의 온실가스 최소비용 저감옵션들을 모형화하는 것이며, 둘째는 기술옵션을 평가하는 것이었다.

EFOM-ENV 모형에 외생적으로 투입될 최종 에너지수요 전망치는 스

톡홀름 환경연구소 (Stockholm Environment Institute)의 LEAP (Long Range Energy Alternatives Planning) 모형의 운용을 통해 얻어졌다. 동 연구에서는 국가 에너지 시스템을 석탄, 석유, 가스, 전력, 열병합발전, 지역난방 등 6개의 공급 하부시스템과 산업, 수송, 가정, 상업․기타 등

4개의 수요 하부시스템으로 구성하였다. 동 연구는 온실가스 저감전략을

파악하기 위해 기준안 외에 2가지의 온실가스 저감안을 상정하였다. 저

감안 1은 유효에너지는 기준안과 동일하게 두고 고효율 에너지기자재의

시장보급률 확대와 연료 대체를 허용하는 시나리오였다. 저감안 2는 저

감안 1에 추가하여 에너지절약을 통해 유효에너지수요가 기준안보다

10% 감축되는 경우를 상정하였다. 이 연구의 의의는 EFOM-ENV 모형 을 통해 최적화된 국내 에너지 공급구조를 도출하고, 온실가스 저감을 위한 정책대안을 제시하는 계기를 마련했다는 데서 찾을 수 있다.

EFOM-ENV 모형을 국내에 적용한 또 다른 사례로는 태국 AIT(Asian Institute of Technology)의 연구인 ‘Long-Run Energy Flow Optimization

(22)

Incorporating Environmental Implications : The Case of Korea’(AIT, 1998)가 있다.

이 연구의 목적은 에너지수요 전망과 기술적, 경제적 및 환경적 요인 을 고려한 기술옵션의 평가, 온실가스 저감안의 평가, 그리고 저감전략 의 수립으로 요약될 수 있다. 동 연구의 각 옵션별 비용자료와 에너지 공정 및 설비 관련 데이터는 주로 ALGAS 연구에서 인용되었다.

ALGAS 모형과 구분되는 점은 국내 에너지플로우 시스템 구축에 있어

서 CO2, CH4, N2O 외에도 NOX, SOX, CO 등 다양한 온실가스의 배출을 고려했다는 점이다. 또한 ALGAS 모형에서는 고려하지 않았던 발전 하 부시스템에 부속된 전력부문의 오염물질 배출저감 하부시스템을 별도로 설계했다는 점이 특징적이다. 동 연구에서 외생변수로 사용된 유효에너 지수요는 별도의 상향식 모형을 통해 전망되었으며, 배출저감 전략 수립 을 위한 저감옵션으로는 연료대체 및 고효율 기기 대체 등이 고려되었다.

또한 ‘기후변화협약 대응 실천계획 수립을 위한 연구(에너지경제연구

원/산업자원부 1999)’에서도 EFOM-ENV 모형을 운용한 바 있는데, 이 연구는 AIT 연구 모형을 근간으로 하되³⁾ AIT 모형의 일부를 보완, 개선 하였다. 특히 AIT 모형의 석유 하부시스템에는 석유제품의 국내 정제물 량과 수입물량 배분에 대한 적절한 제약이 없이 구축되어 있었다. 이러 한 에너지네트워크는 비용이 저렴한 하나의 공급대안이 전량의 석유제 품을 공급하게 되는, 현실과는 아주 다른 결과를 보여줄 수 있는 문제점 이 내포되어 있다. 따라서 이를 개선하기 위해 국내 정제물량과 수입물 량의 공급비율이 현실화되도록 제약을 가하였다. 또한 고유 톤 단위로 입력되어 있던 모든 온실가스(CO2, CH4 및 N2O) 배출계수의 단위를 탄

3) AIT의 모형은 기본적으로 ALGAS 모형을 바탕으로 하되 외생변수, 제약조건 및 에 너지 네트워크 조정 등을 통해 동 모형을 발전적으로 개선한 모형임.

(23)

소톤 단위로 통일시켰다. 동 모형에서는 온실가스 10%, 20% 감축 시나 리오에 따른 평균 저감비용곡선을 도출하고 저감옵션 간 우선순위를 평 가하였다.

이밖에도 EFOM-ENV 모형을 국가 시스템이 아닌 기업에 적용한 사 례가 있다. 2000년에 수행된 ‘21세기 환경변화에 대한 철강산업의 대응 방안 연구’에서 POSCO(주)의 제철공정에 동 모델을 적용하여 분석하였 다. 이 연구의 목적은 온실가스 저감에 따른 최소비용 원칙하의 공정별 저감 전략을 도출하는 것이었다. 분석을 위해 기준안 외에 네 개의 저감 안을 작성하여 분석하였으며, 저감안과 별도로 에너지세제 개편안에 따 른 에너지가격 상승시 각 최종 철강제품별로 원가민감도 분석을 수행한 바 있다.

4. EFOM-ENV 모델 개발동향

가. TIMES (The Integrated MARKAL-EFOM System)

TIMES는 1999년 발표된 EFOM-ENV와 MARKAL을 통합한 최적화

모델이다. 동 모델은 기존 Markal 모델의 지역적 에너지계획 분석 영역 을 보다 확대하여 미세한 기술적 상황을 충분히 반영하는 것으로 평가 되고 있다.⁴⁾ 또한 TIEMS는 배출제약 또는 다른 제약을 해결함에 있어 최소비용의 해를 도출함으로써 에너지계획과 이산화탄소배출에 대한 다 양한 이해관계를 평가할 수 있다는 특징을 가진다. 예를 들면, 이산화탄소

4) 동 모델은 IEA의 Energy Technology System Analysis Program(ETSAP)의 일환으 로 개발 및 보급되고 있음.

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배출 분야에 있어서 탄소배출권 거래와 청정개발체제(Clean Development

Mechanism, CDM) 프로젝트의 이행효과가 새로운 지역간 연계라는 특

징으로 나타날 수 있으며, 동 모델은 지역간 에너지 인프라 수요를 평가 하는데 유용하게 활용될 수 있다. 또한 기술변화 과정 또는 기술혁신이 나 기술 확산 과정을 좀더 현실적으로 분석하여, 시간이 경과함에 따라 기술과 관련된 비용이 증가하는 것을 모델에 반영할 수 있다.

나. EFOM-ENV와 CGE 모델과의 통합

90년대 들어 CGE와 같은 일반균형모형(하향식 모델)과 EFOM-ENV와

같은 최적화 모형(상향식 모델)간의 통합 노력이 나타나고 있다. 일반적 으로 상향식 모델운영자들은 하향식 모델 운영자보다 에너지 수요를 보 수적으로 예측하는 경향이 있다.⁵⁾ 이러한 양 모델 운영기조의 차이는 합리적인 에너지정책 평가를 어렵게 만든다. 상향식 모델과 하향식 모델 의 통합운영은 일반균형의 통합된 자료에서 간과되고 있는 산업 공정상 또는 에너지시스템의 구체적 기술정보를 최적화 모형을 통하여 활용함 으로써 보다 객관적으로 에너지정책을 평가하기 위해서이다.⁶⁾ 실제로 체코, 루마니아 등 동유럽의 전환경제 국가들을 대상으로 분석한 케이스 가 있다.⁷⁾

5) Carl C. Koopmans et al, Bridging the energy efficiency gap:using bottom-up information in a top-down energy demand model, Energy Economics 23, 2001.

6) 다음 논문을 참조바람.

Christoph Bohringer, The synthesis of bottom-up and top-down in energy policy modelling, Energy Economics 20,1998.

7) M.Voogt, et al, Development on integrated energy-environment scenarios for the Czech Republic.

Marko van Leeuwen et al, Energy Modeling for Economies in Transition, ECN, 1997.

(25)

Ⅲ. EFOM-ENV의 구조

1. EFOM-ENV 구조의 개관

EFOM-ENV는 제약조건하에서 외생적으로 주어진 에너지수요량을 충 족시키는 최적의 해(Optimal Solution)를 도출하는 최적 선형 모형이다.

동 모델은 1차 에너지 및 원자재로부터 최종에너지(final or useful energy)나 유효에너지(Useful energy)에 이르기까지의 전 과정을

Network(링크와 노드로 구성) 형태로 표현되며, 이러한 과정은 최적화

(Optimization), 또는 시뮬레이션의 계산과정을 나타내는 것이기도 하다.

그러므로 동 모델의 network는 고정되어 있는 것이 아니라 연구자의 관 심분야에 따라 조정 가능하다.

EFOM-ENV은 크게 세 모드로 구성된다. 첫째는 에너지/환경 데이터

베이스(EEDB) 모드이다. 에너지/환경 데이터베이스에는 분석 대상이 되 는 국가 전체의 에너지수급시스템(또는 전체 시스템의 일부 부문)에 대 한 정보를 입력하게 된다.⁸⁾ 두 번째는 구축된 데이터베이스를 이용하여 연구 목적에 따라 목적함수의 최적화(optimization) 또는 시뮬레이션을 수행하는 모드이다. 그리고 마지막으로 운용 결과를 획득하기 위한 리포 트 모드가 있다.

8) 에너지/환경 데이터베이스 구축을 위해서는 우선 국가의 에너지수급 시스템을 링크 (link)와 노드(node)를 기본 단위로 하는 에너지 흐름도(network)로 표현하고, 이와 관련된 경제․경영․기술․환경자료 데이터베이스를 구축하여야 함. 링크와 노드에 대해서는 다시 자세히 설명하기로 함.

(26)

[그림 Ⅲ-1] 에너지 공급 및 이용단계간 관계 공급단계 subsystem 이용단계 subsystem

1차에너지 중간과정

철강

석 탄 산업 시멘트

----> 제지펄프 산업의 각

종 제품 석 유 중앙급전 ----> 석유화학

---->

가 스 자가발전 ----> 수송 주행거리 ---->

우라늄 열병합발전 가정상업

난방 취사 조명

[그림 Ⅲ-2] 에너지네트워크의 예

발전 난방

석탄수입

석탄생산

외국석탄 외국전력 외국전력

국내탄

석탄수송

열에너지 발전용연료

외국가스

가스수입 석 탄 가 스 화

수송전의 가스 가스수송

(27)

[그림 Ⅲ-3] EFOM-ENV 모형의 최적화 및 리포트 과정

EFOM-ENV 모형에는 이 세 가지 모드를 수행하기 위해 소프트웨어

DAMOCLES, SIMUL, ORESTE 및 ORACLE가 운용된다.

DAMOCLES 프로그램은 에너지/환경 데이터베이스를 관리하는 소프

트웨어로서 자료의 저장, 추가, 수정 및 데이터베이스의 오류를 검정하 는 역할을 한다. SIMUL은 시뮬레이션 모드를 관리하며, 분석 자료를 확 인하고, 에너지시스템 구성과 대안정책을 모색하는데 이용된다. SIMUL

(28)

프로그램은 한 국가, 일정 기간의 에너지 흐름과 비용을 계산하기도 한 다. 결과는 원시자료의 형태로 프로그램 내에 저장된다. ORESTE 프로그 램은 최적화 모드를 수행한다. 구축된 에너지 시스템의 구조를 파악하여 최적화를 수행하기 위한 LP Matrix를 생성한 후, 최적의 해를 도출한다.

시뮬레이션 모드가 한 국가, 일정 기간의 에너지 흐름과 비용을 분석한 다면, 최적화 모드는 다국가 다기간의 분석 연구를 가능하게 한다.

ORACLE 프로그램은 시뮬레이션의 결과나 최적화의 결과를 연구자가

규정한 형태로 출력하게 한다. 본 연구에서는 EFOM-ENV SHELL 패키 지를 사용하고 있어, 시뮬레이션 프로그램은 제외되고 있다.⁹⁾

[그림 Ⅲ-4] 에너지/환경 데이터베이스 구조

DATA BASE MANAGEMENT

SOFTWARE DAMOCLES

DICTIONARY FILE

STRUCTURAL AND NUMERICAL

DATA FILE

9) EFOM-ENV 모형의 연구 span은 50년임. 모델설정시 1국 1기간(period) 분석에 제 약식 1,000개, 유량변수 800개, 시설변수 200개 활용가능함(만약 6기간이면 제약식과 변수 가능범위가 6배로 증가됨).

(29)

2. 모델 구성요소 및 운용 방법

가. 에너지/환경 데이터베이스

분석대상의 에너지수급 시스템에 대한 에너지/환경 데이터베이스를 구축하기 위해서는 우선 링크와 노드로 구성된 에너지 흐름도(Graphical

Network)를 작성하여야 한다. 에너지수급 시스템은 통상 매우 복잡하기

때문에 하나의 흐름도에 모두 표현하기 어려울 뿐만 아니라 표현된다고 하더라도 이해하는데 매우 어려울 수 있다. 이러한 경우에는 전체 시스 템을 몇 개의 하부시스템으로 분할하여 분석한다.

여기서는 먼저 에너지 흐름도의 구성 요소인 링크와 노드 그리고 데 이터 입력 수단인 모수(parameter) 등 에너지/환경 데이터베이스 구축에 필요한 요소들에 대해서 알아보도록 한다.

1) 링크

링크(link)는 에너지의 생산, 수출입 등의 공급과정이나, 제조공정 등 에 있어서 에너지 및 자원의 전환 및 배분과정을 표현하는 수단이다.

즉 링크는 에너지의 생산, 채광, 수입, 수출, 수송, 저장, 분배, 석유제품 정제, 전력ㆍ도시가스ㆍ열에너지 생산 및 기기를 통한 에너지이용 등 공 급부문에서 수요부문으로 에너지가 순차적으로 이동 또는 변환되는 과 정을 나타낸다. 링크는 에너지가 공급되어 최종 소비되는 전 과정을 표 현하는 기본 수단이며, 에너지의 공급기술 또는 이용기술(수단)을 의미 하는 것으로 이해할 수 있다. EFOM-ENV 모형의 에너지 흐름도에서 링 크는 아래와 같은 방법으로 표현된다.

(30)

[그림 Ⅲ-5] 링크의 표시방법

node type

1819 1653

User's short name: TA16 Flow unit: TOE

/KOREA/PROVINCE/TRANS-SS/

ALLOCATE/EL-V/ELECTR

01 00

모든 링크에는 위의 예시에서 볼 수 있듯이 “국가명칭/지역명칭/하부 시스템명칭/경제․생산․분배활동명칭/공정(기술)명칭/에너지원명칭/”

의 6단계 주제어(key word)로 이루어진 고유 명칭과 축약형 명칭(User's short name)이 부여되어야 한다. 주의 할 점은 각 고유 명칭 및 축약형 명칭은 모든 링크에 대해서 단 하나만 존재(unique)하여야 한다는 것이 다. 또한 각 링크에 흐르는 에너지의 고유단위(flow unit)도 필수적으로 입력하여야 할 자료이다.

링크는 그 성격에 따라 몇 가지로 나뉘어 진다. 주요 링크에는 공정링 크, 분배링크, 의사링크, 수출입링크 등이 있으며 이에 대해 간략히 소개 한다. 공정링크(process link)는 EFOM-ENV 모형에서 가장 많이 사용하 는 링크로서 특정 에너지가 다른 에너지로 전환되는 과정을 표현하는 링크이다. 분배링크(allocation link)는 어떤 에너지(노드)를 특정한 전환 (transmission) 없이 단순히 여러 갈래로 분배하는 역할을 하는 것이다.

의사 링크(Pseudo Link)는 발전부문은 투입연료에 따라 기술적, 재정적

(31)

파라미터가 결정되며, 해는 연료를 할당하는 상부흐름 링크와 연계되어 구하게 된다. 이상부하 링크(Psi-load Link)는 계절적 에너지(열, 전기)의 연간수요가 상부흐름(up-flow) 공정의 요구시설을 계산하기 불충분한 경 우, 하부흐름(down-flow)에서 부하의 패턴을 설명하는데 활용된다.

수출입 링크(import/export link)는 다국간 모형을 구축하는데 필수적 인 링크로서 석탄, 전력 등 주요 에너지의 수출입을 표현한다. 수요링크 (demand link)는 외생적으로 주어진 유효(최종)에너지가 입력되는 링크 이다.

2) 노드

노드는 석탄, 석유제품(휘발유, 경유 등), 도시가스, 전력 등 구체적인 에너지원을 의미한다. 노드는 에너지 흐름도에서 최초로 투입되는 1차 에너지 및 최종단계의 유효(최종)에너지는 육각형으로, 그 이외의 중간 단계의 에너지는 원형으로 표시된다. 즉, 유입(inflow) 또는 유출(outflow) 링크가 없는 노드는 육각형으로 표현된다. [그림Ⅲ-3]에서도 나타나 있듯 이 모든 노드에도 역시 유일한 고유 명칭이 부여되어야 한다.

노드 형태(type)는 노드에 부여되는 제약조건의 종류에 따라 [그림Ⅲ

-6]에서 보여 지듯이 네 가지로 구분하여 입력하여야 한다. 노드 형태

‘00’은 시장배분(market allocation) 및 제품배분(product allocation)에 대 한 제약이 없는 노드를 말한다. 이러한 제약이 없다는 것은 쉽게 설명하 면 다음과 같다. 예를 들어, 승용차를 통해 1,000km를 이동해야 하는 수 송 수요(유효에너지)를 충족시키기 위한 수단으로서 휘발유, 경유, LPG 승용차가 존재한다고 가정하자. 이때 EFOM-ENV 모형에서 세 가지 수 단간의 수송분담률을 결정하는데 있어서 각 수단에 대해 입력되어 있는

(32)

비용 정보 외에 어떠한 외부적인 제약도 가해지지 않는 것을 의미한다.

노드 형태는 노드에 부과되는 제약조건에 따라 4가지로 구분된다.

노드형태 ‘00’는 시장배분 및 제품배분이 없는 노드이다. 노드 형태 ‘10’

은 시장배분에 대한 제약이 있는 것을 말한다. 즉, 위에서 설명한 예에 서 세 가지 수단간의 분담률이 외생적으로 정해져 있다는 것을 의미하 며¹⁰⁾, INFLOW 방향에 제약을 표시한다.

노드 형태 ‘01’은 에너지원이 다음 단계로 배분되는 과정에 제약이 있 는 경우에 사용한다. 다시 말해 어떤 에너지원이 다음 단계로 배분될 때 그 배분비율이 외생적으로 정해져 있다는 것이다. OUTFLOW 방향에 표시된다.

이상의 ‘10’ 및 ‘01’형태의 제약들은 노드가 에너지원일 경우에 한하여 적용된다. 반면 노드 형태 ‘30’은 에너지 간의 결합 또는 에너지와 자재 (material) 간의 결합을 통하여 어떤 자재(material)가 생산될 경우에 한 하여 적용된다.¹¹⁾ 이 경우에는 자재 한 단위 생산에 필요한 각 생산요소 의 소요량(에너지 또는 원료원단위)을 외생적으로 입력해 주어야 한다.

10) EFOM-ENV 모형에서 market allocation을 외생적으로 결정해주기 위하여

‘MARKETAL'이라는 모수를 사용할 수 있는데, 이 모수를 사용할 경우 휘발유 승 용차 60%, 경유승용차 30%, LPG 승용차 10% 등과 같이 분담률이 외생적으로 정 해지게 됨. 또한 ’MARK-MAX', 'MARK-MIN', 'FLOW-MAX', 'FLOW-MIN'과 같 이 그 분담률의 상한과 하한을 설정해주는 방법도 존재함.

11) EFOM-ENV 모형은 에너지시스템 뿐만 아니라 철강, 시멘트 등과 같이 최종제품 을 생산하기 위하여 원자재(또는 반제품) 및 에너지를 투입하는 산업공정시스템에 대해서도 적용이 가능함. 이 경우에 에너지원 뿐만 아니라 원자재(반제품)도 노드 로 표현됨.

(33)

[그림 Ⅲ-6] 노드 타입의 종류와 표기 방법

E E

E

노드타입 ‘00’

M

노드타입 ‘10’

노드타입 ‘01’ 노드타입 ‘30’

3) 모수(parameter)

에너지의 공급과 관련된 기술․환경․경제․경영 등에 관한 비용 자 료, 각종 설비 자료, 신기술 도입과 관련된 R&D 투자자료 및 유효(최 종) 에너지 수요 자료 등 수치와 관련된 실제적인 데이터는 해당 링크에 모수(parameter)로서 반영된다.

모수는 에너지흐름 모수(energy flow parameter), 설비 모수(equipment parameter), 비용 모수(cost parameter), 환경 모수(environmental parameter) 및 신기술 모수(new technology parameter) 등의 5가지로 구분된다.

에너지흐름 모수는 링크를 거치는 에너지의 물량에 대한 제약을 가하

(34)

는 역할을 한다. 설비 모수는 설비능력, 설비가동률, 설비의 수명 및 효 율 등 설비와 관련된 데이터의 입력하는데 사용된다.

<표 Ⅲ-1> 에너지흐름 모수

모수명 내 용

FLOW-LEV

링크의 연간 유출량(outflow)을 나타내며, 유효에너지 수요를 외생적으로 해당 링크에 입력할 때 사용됨.

최종 유효에너지수요 링크를 제외한 다른 링크의 유 출량은 모델에서 내생적으로 계산

FLOW-FIX 링크의 에너지 유출량을 고정

FLOW-MIN 링크의 에너지 유출량의 하한치를 규정

FLOW-MAX 링크의 에너지 유출량의 상한치를 규정

MARKETAL

어떤 노드로의 에너지 흐름량의 비율을 외생적으로 고정시킴(시장배분 제약). 단, 에너지 및 제품의 투입 을 통해 자재(material)가 생산되는 공정의 경우에는 원료의 투입원단위를 입력하는데 사용

PRAL-NOR 어떤 노드에서 에너지가 다음 단계로 배분되는 비율

을 고정(생산배분 제약)

BYP-XXXX

어떤 제품을 생산하는 링크(공정)에서 부산물(예, 부생 가스 → BYP-GAS)이 발생할 때, 생산되는 제품 1단 위당 부산물의 발생량을 규정

(35)

<표 Ⅲ-2> 설비 관련 모수

모수명 내 용

CAPA-RES

기준 년도 이후 새로운 설비 투자가 이루어지지 않았 을 때 특정 연도에서 이용가능한 설비 능력(residual capacity)을 나타냄. 동 자료는 설비의 감가상각으로 인해 시간에 따라 감소

CAPA-INS 특정 연도의 설비 능력을 나타내며 기존 설비능력과

당해 연도에 증분된 설비능력의 합을 나타냄

CAPA-MIN 설비능력의 하한치를 나타냄

CAPA-MAX 설비능력의 상한치를 나타냄

GROS-EFF 설비의 효율을 나타냄

LIFE-TEC 설비의 수명을 나타냄

AVAI-FAC 설비능력 대비 최대 생산량의 비율로서 최대 가동률

을 의미

UTIL-FAC 설비용량 대비 실제 최대 생산량의 비율로서 실제 가 동률을 의미

비용 모수는 에너지 구입비용, 설비 투자비용, 고정비 및 변동비 등 유효에너지수요를 충족시키는데 소요되는 비용 데이터를 입력하는데 사 용된다. 환경 모수는 공정에 투입되는 에너지의 연소시 발생하는 단위당 대기 오염물질(온실가스 포함) 배출계수를 입력하는데 사용되며, 신기술 모수는 신(시범)기술의 평가를 위한 연구개발 및 플랜트 건설비, 설비 수명 등을 입력하는데 사용된다.

(36)

<표 Ⅲ-3> 비용 관련 모수

모수명 내 용

COST-INV 설비 한 단위당 투자비용

COST-FIX 고정비용 (설비 한 단위당 비용으로 입력)

COST-VAR

설비의 변동비용으로 운전 및 관리비용을 의미하며 에너지 구입 비용은 제외(에너지 흐름량 한 단위당 비용으로 입력)

COST-ACC 에너지 흐름량 한 단위당 총비용으로서 고정비, 변동

비 자료가 없을 경우 사용

COST-TRI 에너지 흐름당 수송비

PUR-PRIC 에너지 한 단위당 구입비용

SEL-PRIC 최종 에너지 한 단위당 판매가격

<표 Ⅲ-4> 환경 및 신기술 관련 모수

모수명 내 용

CO2--AIR 투입에너지/원료의 CO2 배출계수

CH4--AIR 투입에너지/원료의 CH4 배출계수

N2O--AIR 투입에너지/원료의 N2O 배출계수

COST-RND 신(시범)기술에 대한 R&D 및 건설비용 LIFE-RND R&D 설비의 기술적 수명

(37)

나. 최적화 및 리포트

에너지/환경 데이터베이스의 구축이 완료된 다음에는 에너지수급 시 스템에 연구 목적 또는 현실을 감안한 여러 가지 제약조건을 설정하고 목적함수를 최소화하는 최적화 과정이 수행된다.

EFOM-ENV 모형의 ORESTE 프로그램은 데이터베이스의 네트워크 구

조, 수리적 속성 및 제약조건 등을 인식하여 최적화를 위한 선형 방정식 체계를 도출하고 연구자가 설정한 목적함수를 최소화하는 해를 구한다.

여기서 목적함수는 에너지의 총 공급비용 최소화, 총 투자비용 최소화 및 에너지 수입(구입)량의 최소화 등 연구 목적에 따라 다양하게 설정될 수 있으나, 통상적으로는 유효에너지수요를 충족시키기 위한 할인된 총 에너지 공급비용의 최소화가 주로 이용된다.

1) 목적함수

동 연구에서 고려하는 목적함수인 총 공급비용은 이론적으로 에너지 또는 원자재 및 중간제품 흐름량(E)에 비례하는 가변비용(CV), 신규 투 자설비(X)에 비례하는 고정비용(CF) 및 자본비용(CI)으로 구성되며 기준 년도 실질가격으로 할인된다. 따라서 분석 대상기간(T0+1 ∼ Tp) 동안 발생되는 총비용은 다음의 식과 같이 표현될 수 있다.

Min 00OBCOST= ∑

Tp

t=T0+1[PWFt∑^N

i= 1(CVi,tEi,t+CFi,tXi,t+CIi,tXi,t)]

... (1)

(38)

^PWF^t⁼ _{( 1 +}_r)¹^t^-T⁰^{+ 1}

00OBCOST 목적함수

t 연도

PWF 현재가치 환산계수

r 할인율

i 에너지/제품 생산기술 (링크)

N 에너지/제품 생산기술의 수

여기서 PWFt는 현재가치 환산계수를 나타내며, t 년도의 12월 31일부 터 기준연도 T0의 1월 1일까지 주어진 금액을 할인하게 된다. 위 목적함 수에서 가변비용(CV)은 각 링크를 거쳐 나간 에너지 또는 자재 흐름량 에 비례하여 발생하는 모든 공정 및 관리비용을 포함하되, 이전 단계의 링크에서 발생된 비용(연료비 등)은 포함되지 않는다. 예를 들어, 어떤 에너지가 특정 공정으로 유입될 때 수송비용이 수반된다면, 동 비용은 가변비용에 포함된다.

CVi,t(COST-VAR)는 변동비로, 각 에너지절약수단의 에너지흐름에 따 라 발생하는 모든 공정 및 관리비용을 의미한다. 연료비를 제외한 비용 이며, 에너지 흐름 량에 비례하게 된다. 동 모델에서는 매년 12월 31일 에 지급하는 것으로 가정되어 있다. 만약 자원노드인 경우에는 단위 에 너지 구입비용(PUR-PRIC)을 포함하게 된다. 즉 CVi,t=COST-VAR + PUR-PRIC가 된다.

CFi,t(COST-FIX)는 고정비를 나타내며, 모든 연간 운영비를 포함한다.

Tt년도에 설치된 증가시설에 비례하는 모든 운영비용의 연간 총합임. 장

(39)

비(기술)의 수명기간동안 매년 12월 31일에 지급하는 것으로 가정되어 있다. 고정비에는 투자의 자본비용은 포함하지 않는다.

CIi,t(COST-INV)는 투자비로, 시설 한 단위 건설에 발생하는 모든 비 용부담을 말한다. 투자비는 시설가동일(Tt년도의 1월 1일)에 반영되며, 건설기간동안 지불한 금융비용을 포함한다. 동 비용은 투자한 장비의 기 술수명 기간 동안 매년 12월 31일에 지급하는 것으로 가정하고 있다.

Ei,t는 t년도의 i 링크에서 흘러 나가는 에너지를 나타낸다. 에너지량

은 모델에 의해 각 전망연도에 계산된다. Xi,t 는 t년도의 i 링크에 설치 된 신규투자 설비규모이다.

2) 주요 제약조건

EFOM-ENV 모형의 에너지수급 시스템에 설정될 수 있는 주요 제약

조건들로는 시장배분(market allocation) 제약, 제품배분(product allocation) 제약, 각 링크별 에너지흐름 한도 및 설비능력 제약 그리고 전체 에너지시스템에 대해 외생적으로 제약을 가하는 온실가스 배출 제 약 등의 환경제약 등이 있다.

시장배분 제약이란 에너지원이 여러 가지 공정(기술)을 통해 특정 노 드에서 집계되는 경우, 이들 공정들을 통한 에너지흐름의 유입비율을 정 해주는 것을 의미한다. 시장배분 제약은 고정된 계수로 주어지기도 하 고, 상한(Maximum) 또는 하한(Minimum)으로 주어질 수도 있다. 시장 배분 제약이 고정된 계수로 주어질 경우 각 공정(기술)별 시장배분율의 합은 반드시 1이 되어야 한다.

제품배분 제약은 특정에너지원이 여러 개의 공정(기술)으로 배분될 경

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우 에너지원의 배분비율을 정해주는 것이다. 시장배분 제약과 마찬가지 로 고정된 계수나, 상한값 또는 하한값으로 주어진다. 고정된 율로 제약 이 가해질 경우 배분되는 각 공정별 배분율의 합은 1이 되어야 한다. 이 상에서 설명된 시장배분과 제품배분 제약은 최적화 모형에서는 한 노드 에 동시에 적용될 수 없다는데 주의해야 한다.

에너지흐름 한도제약은 특정 공정에 유입되는 에너지량을 제약할 때 사용하며, 에너지 유량을 고정시키는 방법과 상한 및 하한값을 주는 방 법이 있다. 설비능력 제약은 특정 공정(에너지기술)의 총 설비능력을 외 생적으로 고정하거나 상한 및 하한을 설정하는 것이다.

또한 EFOM-ENV 모형은 연구목적에 따라 전체 에너지수급시스템에

대하여 여러 가지 제약조건을 줄 수 있다. 즉, 온실가스 감축에 따른 저 감수단 평가 및 개별 저감수단별 저감비용 분석을 위해 외생적으로 이 산화탄소(CO2), 메탄(CH4) 및 아산화질소(N2O) 등 온실가스 배출 총량에 대한 제약을 가할 수 있다.¹²⁾

3) 리포트

최적화의 결과물은 연구자가 연구 목적에 따라 다양한 형태로 조정하 여 출력할 수 있다. ORACLE 프로그램은 에너지수급 시스템의 모든 링 크에서의 에너지 흐름량, 공정별로 필요한 설비 투자규모, 각 노드별 한 계 및 평균비용 그리고 총 투자비용 등의 결과를 출력할 수 있도록 해 준다. EFOM-ENV 모형의 연구기간은 50년까지 가능하나 실제는 기준연 도를 기준으로 일정 기간대별로 구분하여 분석하는 것이 일반적이다. 예

12) 이상에서 언급한 제약조건 외에도 신기술의 활용 가능 연도 또는 구기술의 폐기 연도 그리고 최소 고용조건 등에 대해서도 제약조건을 설정할 수 있음.

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를 들면 2000년∼2010년, 2010년∼2020년 등과 같이 기간을 구분할 수 있다. 이때 리포트 결과는 각 milestone year(2010년, 2020년)별로 출력 된다.

3. EFOM-ENV 모델의 장점 및 취약점

¹³⁾

EFOM-ENV 모형의 장점으로는 첫째, 에너지, 기술, 경제 및 환경 측 면 등 연구목적에 따라 다양한 형태의 분석을 가능케 해준다는 점이다.

분석이 가능한 분야로는 위에서 자세히 언급된 것처럼 에너지 정책, 에 너지 공급 및 소비부문과 관련된 경제적․기술적 활동, 에너지소비에 따 른 환경적 파급효과 등을 들 수 있다

둘째, EFOM-ENV 모형은 온실가스 저감수단에 대한 저감비용 수준, 투자규모, 연구개발 투자규모 등 국가 또는 기업의 기후변화협약 대책수 립에 필요한 유용한 정보를 제공해 줄 수 있다.

이외에도 동 모형의 장점으로 들 수 있는 것은 목적함수 및 제약조건 하의 복잡한 국가 또는 기업의 에너지시스템 최적화의 문제를 해결함에 있어 연구자의 비용(시간, 노력 등)을 최소화시켜 준다는 점과 모형의 선형성으로 인하여 모델의 구조, 기능 및 결과에 대한 해석이 비교적 용 이하다는 것이다.

반면, EFOM-ENV 모형의 약점 또는 이용 상의 어려움으로 지적할 수 있는 것은 첫째, 신뢰성 있는 연구결과 도출을 위해서는 방대한 규모의 데이터베이스의 구축이 선행되어야 한다는 점이다. 즉, 실제 에너지수급 시스템을 최대한 현실에 가깝도록 모형에 반영하면 할수록 분석 대상기

13) 기후변화협약대응실천계획수립을 위한 연구,에너지경제연구원/산업자원부,1999,p 260-261 발췌요약함.

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간에 대한 기술․경제적 자료, 유효에너지 수요자료 등 방대하면서도 신 뢰성 있는 데이터의 축적을 필요로 하게 된다.

둘째, EFOM-ENV 모형의 데이터베이스에는 유효(최종)에너지 또는 최 종제품 수요 등 여러 외생변수가 입력되어야 하므로 동 모형을 통해 유 용한 분석결과를 얻기 위해서는 다른 모형과 연계, 운영되어야 한다. 예 를 들면, 유효에너지 수요 자료를 얻기 위해서는 별개의 수요전망 모형 을 운영해야 한다는 것이다. 이는 추가적인 비용부담을 발생시킨다.

셋째, EFOM-ENV 모형의 운용, 특히 제약조건을 설정함에 있어서 매 우 신중한 주의를 요한다. 동 모형의 수리적 구조인 선형계획법의 특성 상 제약을 주어야 할 에너지공급 및 이용기술(수단)들에 제약이 가해지 지 않을 경우, 비현실적인 결과가 도출될 수 있다. 이와 반대로 제약조 건을 너무 남발할 경우에는 에너지공급 및 이용기술의 선택의 문제가 모형에서 내생적으로 결정되는 것이 아니라 연구자에 의해 외생적으로 결정되어 버리는 결과를 초래할 수도 있다.

(43)

Ⅳ. 수송부문 EFOM-ENV의 구성 및 운영

1. 수송에너지 절약시책 및 주요 프로그램

우리나라의 수송부문 에너지 소비는 과거 높은 증가세를 기록하여 왔 으며 그 결과 전체 에너지 소비에서 차지하는 비중도 꾸준히 증가하여 왔다. 수송부문 에너지 소비는 1981년에 우리나라 전체 에너지 소비에서

9.6%을 점유하였으나 1990년에는 17.6%로 높아 졌으며 2001년에는

20.9%를 차지하게 되었다. 이중 특히, 도로부문이 전체 수송 에너지소비

는 전체의 약 80% 수준을 유지하고 있다.

따라서, 수송부문에 대한 에너지절약 시책 및 온실가스 저감정책은 주 로 도로부문에 대해서 추진되고 있다. 여기에는 보통 4가지 범주로 구분 하는데, 연비개선, 연료대체 자동차 보급, 교통수요관리 및 세제 개편 등 으로 나누어 정리할 수 있다.

가. 고연비 자동차 보급 확대

국내 연비표시 및 연비등급표시제도는 1988년 제정되어 시험기관 확 대, 적용대상 확대, 및 연비표시 확대 등의 개정고시를 통하여 2002년 현재에 이르러 산업자원부 고시 제2002-68호, “자동차의 에너지소비효율 및 등급표시에 관한 규정”에 의거하여 시행되고 있다.¹⁴⁾

또, 정부는 1992년부터 승용차에 대한 등급표시정책을 통해 국내승용

14) 동 고시에 따르면, 연비는 자동차의 에너지소비효율을 나타내며, 사용하는 단위연 료에 대한 주행거리(㎞/ℓ)을 의미함.

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차 제작사로 하여금 고연비 자동차 생산 및 판매를 촉진하고, 자동차 배 기량별로 목표소비효율을 설정하여 추진함으로써 수송부문 에너지 절약 을 도모하고 있다.

< 표 Ⅳ-1 > 수송부문 에너지절약수단 및 대책 개요

절약수단 절약대책

대분류 중분류 소분류

연비개선

고연비자동차 보급

린번엔진 개발 ․목표연비제

․평균연비제

․연비표시 및 연비등급 표시제