4 차산업혁명시대의물 에너지 식량넥서스 (The 4 th Industrial Revolution and Water-Energy-Food Nexus) K-water 융합연구원최병만 1
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1. 제 4 차산업혁명 (The 4 th Industrial Revolution) 1-1 4 차산업혁명도래 2016. 1.20 스위스다보스에서열린 세계경제포럼 에서처음언급, 포럼창립이래최초로 과학기술 분야가주요의제로선택 핵심주제 : 제 4 차산업혁명의이해 (Mastering the Fourth Industrial Revolution) 4 차산업혁명 ( 인더스트리 4.0) 은 3 차산업혁명을기반으로한디지털과바이오산업, 물리학등의경계를융합하는기술혁명 4 차산업의특징은디지털, 바이오등기술사이의융합이고, 이융합으로부터새로운창조가이뤄질것으로예상 IoT 와인공지능을기반으로사이버세계와물리적세계가네트워크로연결돼하나의통합시스템으로서지능형 CPS(cyber-physical system) 구축 우리는지금까지우리가살아왔고일하고있던삶의방식을근본적으로바꿀기술혁명의직전에와있다. 이변화의규모와범위, 복잡성등은이전에인류가경험했던것과는전혀다를것이다. < Klaus Schwab 회장 >
1. 제 4 차산업혁명 (The 4 th Industrial Revolution) 1-1 4 차산업혁명도래
1. 제 4 차산업혁명 (The 4 th Industrial Revolution) 1-1 4 차산업혁명도래
( 출처 : 통합물관리실현을위한물관리시스템혁신방안, 심순보, 수자원학회지 ) 1. 제 4 차산업혁명 (The 4 th Industrial Revolution) 1-2 4 차산업과물관리 하천관리적용 : 첨단기술기반의하천계측및운영선진화기술개발 하천관리적용 : IoT 를이용한물정보유통체계구축 ( 출처 : 첨단기술기반하천운영및관리선진화연구단 )
1. 제 4 차산업혁명 (The 4 th Industrial Revolution) 1-2 4 차산업과물관리 인공위성 : 기후변화대비물안보확보및재해로부터안전한국토실현 한국의 4 번째방송통신위성 ( 기존무궁화위성 5 6 호, 천리안위성 ) 최초로국내에서개발 ( 전자통신연구원 ) 한지상관제시스템상용화 남미프랑스령기아나에서발사된무궁화위성 7 호모습 < 무궁화위성 7 호 >
1. 제 4 차산업혁명 (The 4 th Industrial Revolution) 1-2 4 차산업과물관리 수자원위성 : 기후변화대비물안보확보및재해로부터안전한국토실현 수문순환, 토양수분, 지하수변동, 저수용량, 식생지수, 증발산량등물관리에필요한수자원기초자료및수문인자를관측하고산출할수있는센서가탑재된위성 GCOM-W (Global Change Observation- Water) SMAP (Soil Moisture Active Passive) SWOT* (The Surface Water& Ocean Topography) GPM (Global Precipitation Measurement) precipitation Solar energy MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) Snow Glaciers SCLP* (Snow and Cold Land Processes) GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment)
1. 제 4 차산업혁명 (The 4 th Industrial Revolution) 1-2 4 차산업과물관리 드론 (Drone) : 수자원및하천무인감시및관리 ( 출처 : 수자원및하천관리분야의드론활용방안, 이주헌 )
1. 제 4 차산업혁명 (The 4 th Industrial Revolution) 1-2 4 차산업과물관리 드론 (Drone) : 녹조상시모니터링및관리 < 일반카메라와초분광센서사용영상비교 > K-water, 과학적녹조관리를위한드론과항공기활용추진 녹조의생화학적특성을영상 ( 디지털데이터 ) 으로측정하는 초분광센서 를드론과항공기에장착하여상공에서측정하는원격모니터링기술도입 초분광 ( 超分光, Hyperspectral) 센서는일반카메라와달리가시광선영역 (400~700m) 과근적외선영역 (700~1,000m) 파장대를수백개의분광밴드로세분화해관측하므로빛에반영하여내놓은특징적인복사파장을감지 일반카메라로촬영, 낙동강도동나루터 초분광센서로촬영, 낙동강도동나루터
1. 제 4 차산업혁명 (The 4 th Industrial Revolution) 1-2 4 차산업과물관리 로봇 (Robot) : 실시간수질모니터링및데이터전송 ( 싱가포르 PUB, 2016. 7) NUSwan robot
1. 제 4 차산업혁명 (The 4 th Industrial Revolution) 1-2 4 차산업과물관리 스마트물관리적용 : Smart Water Management Initiative (SWMI)
1. 제 4 차산업혁명 (The 4 th Industrial Revolution) 1-3 4 차산업과 Water 4.0 Water 4.0 미래형물시스템 지속적인인구증가와기후변화에대처를위한새로운 물공급시스템필요 - David L. Sadlak 교수 Water 1.0 산업화초기고대로마상하수도재현 Water 2.0 물의정수를통해공중위생환경개선 Water 3.0 하수처리장건설로도시물시스템표준정립 Water 4.0 지속가능한새로운물공급시스템
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-1 왜 WEF Nexus? 배경및필요성 2014 2050 물 2050 년수요량 에너지 식량 55% 80% 60% 물, 에너지, 식량등필수자원에대한압박증가 ( 출처 : OECD-FAO, 2012)
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-1 왜 WEF Nexus? 물, 에너지, 식량수요공급전망 1 Based on inputs from International Food Policy Research Institute (IFPRI) 2 Based on frozen-technology scenario and no increase in water efficiency after 2010; figures do not sum to total, because of rounding. 3 Supply at 90% reliability, including infrastructure investments scheduled and funded through 2010; supply 2005 is 4,081 billion cubic meters per year, projected improvements in technology and infrastructure brings 2030 total to 4,866 billion cubic meters per year; net of environmental requirements. Source: IFPRI; McKinsey analysis
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-1 왜 WEF Nexus? 기후변화와자원안보에대비한물 - 에너지 - 식량 - 넥서스추진전략제시 2011. 1 세계경제포럼 : World Economic Forum Water Initiative 물, 에너지, 식량을별개자원으로생산및소비 세가지자원간의상호의존성부각 어느한자원의수요 / 공급량의변화가나머지자원에미치는영향분석 (Trade-offs) 특히, 자원안보중시 (Security) 물-에너지-식량연계해석필요 (WEF Nexus)
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-1 왜 WEF Nexus? Goal 2, achieving food security & promoting sustainable agriculture Goal 6, ensuring the availability & sustainable management of water & sanitation for all Goal 7, ensuring access to affordable, reliable energy for all Goal 13, take urgent action to combat climate change and its impacts
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-1 왜 WEF Nexus? Stephen Hawking : We must leave Earth with 100 years ( 영국 BBC 다큐멘터리 새로운지구탐험 (Expedition New Earth), 금년여름방영예정 ) 인류, 멸종피하려면 100 년내지구떠나라! 기후변화 소행성충돌 전염병 인구증가
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-2 WEF Nexus 개념 Need to a. Do More with less ( 더적은자원으로보다많은가치창출 ) b. Save and Grow ( 절약, 재활용을통한성장 ) c. Be innovative ( 정책, 기술혁신 )
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-3 WEF Nexus 동향 국내외동향 Bonn2011 WEF 넥서스활발히논의저개발국가, 개발도상국 : 개발위주선진국가 : 보전위주 FAO 등국제기구물, 식량, 에너지의상호연계수행농업, 식량증진을위한합리적물관리기술및정책수립 국외시사점국내 선진국은다양한연구와협력기반넥서스수행 국내는부처별독립적정책보고서수준 자원안보의복합적연계성을고려한연구미흡 제주국제포럼 (`14. 5) 외교부주관지속가능물, 식량, 에너지연계성강조및공감대 한반도 Nexus 토론회 (`15. 12) 통일대비납북협력마련을위한협력방안논의 제 7 차 WWF (`15. 4) 장관급회의, 지역별 / 주제별 / 과학기술과정에 WEF Nexus 중점토의 SDGs (`15. 9) 빈곤근절식수와위생보장지속가능농업증진, 에너지보장사회기반시설및산업화구축안전및지속가능한도시, 정주지 개별적접근에서상호연계및통합적접근 필수자원의연계위기상황을파악하고이에대한구체적대응방안수립필요 WEF Nexus 컨퍼런스 (`15.10/ 17. 2) 자원간넥서스필요성에따른국내전문가의견수렴 물 - 에너지 - 식량연계기술개발기획연구 (15.12~17. 3) 국가자원확보및전략수립 / 지속가능성장을위한자원의효율적연계기술개발
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-3 WEF Nexus 동향
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-3 WEF Nexus 동향 전세계많은국가에서 WEF Nexus Roadmap 수립중 < 중국 > < 중앙아시아 > < 인도네시아 > < ADB ( 아태지역 > < 아프리카 > < 미국 > < 캐나다 >
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-4 국내 Nexus 는? 기후변화에따른강우강도, 지속기간, 발생빈도등기후지표변화 ( 물생산및소비예측불확실성증가 ) 가뭄, 홍수등극한사상의빈도및심도증가 (2015 년보령댐유역제한급수실시 ) 기온상승에따른온난화와하천건천화에따른수량및수질악화 ( 이용가능한깨끗한물확보의어려움 ) 삶의질향상으로물소비증가 2015 년 : 124 년만의최악의가뭄 폭염증가 폭설증가 집중호우와태풍 녹조심화
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-4 국내 Nexus 는? 169 개국가중위험도 54 위 Climate Change ( 기후변화취약 ) World ranking 1 China 31 Pakistan 2 India 32 Cambodia 3 Bangladesh 33 Belize 4 Philippines 34 Zambia 5 Vietnam 35 Peru 6 Hong Kong 36 Brazil 7 Somalia 37 Tajikistan 8 Macao 38 Afghanistan 9 Sudan 39 Argentina 10 Ethiopia 40 Haiti 11 Malawi 41 Niger 12 Honduras 42 Malaysia 13 Kenya 43 Japan 14 Madagascar 44 Namibia 15 Bolivia 45 Australia 16 Sri Lanka 46 Panama 17 Uganda 47 Papua New Guinea 18 Colombia 48 Canada 19 Thailand 49 Mauritania 20 Indonesia 50 Korea, Dem. Rep. 21 Nicaragua 51 Guatemala 22 Djibouti 52 Eritrea 23 Mozambique 53 El Salvador 24 Myanmar 54 Korea, Rep. 25 United States 55 Dominican Republic 26 Mexico 27 Tanzania 28 Costa Rica 29 Nepal 30 Burundi source: http://www.cgdev.org/page/mapping-impacts-climate-change /Center for Global Development
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-4 국내 Nexus 는? 해외의존도가매우높은에너지생산구조 ( 에너지자원빈국 ) 잠재적위험을가지고있는원자력에의한에너지생산집중 신기후체제에따른 CO2 감소의무량정책에신재생에너지개발및활용방안필요 식량자급률 47.2% OECD 국중최하위 FTA 로인하여식량부분경잭력감소로국내식량생산위협 비효율적인쌀지원정책 생산자고령화로인한미래식량안보의불안정성예상 식량생산의다양성필요 04/40
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-4 국내 Nexus 는? 북한 25 백만명 남한 51.7 백만명 북한의인구구조는통일과정에서경제성장, 통일비용중요변수 통일시북한인구합류로정량적인인구증가 합류되는북한인구의남한생활수준도달과정에서물, 에너지, 식량등자원수요량급격한증가예상 생산가능인구비중의증가로산업화활성화로인한자원수급증대가능 북한의영양결핍인구비율 North Korean per capita power consumption is indeed about 7% that of South Korea (NASA photos) 북한에너지다소비형산업구조 ( 중공업, 군수산업 ) 2013 년현재북한발전량 221 억 kwh( 최고치에 24.3% 감소 ) 인천지역전력소비량과비슷한수준 북한발전설비용량 724 만 KW 남한의 12% 규모 전력난원인 설비노후화, 자본부족, 에너지원공급감소, 발전및송배전체계불안, 에너지다소비형산업구조, 대외지원감소 북한, 2016 년식량부족과거 5 년만에최악 UNFAO 북한 2016 년식량 69 만톤부족예상 콩, 잡곡대체작물생산증대반면쌀, 옥수수감소 자체생산량은증가하지만부족량을대부분해외원조에충당하기때문에북핵대북제재에따른해외원조불안정
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-5 Nexus 정책화 Driver Action Tool Goal 인구증가, 도시화, 기후변화등 물 국토 (Tool) 통일대비국토재창조모델국제사회기여확대성장주도모델개발 자원안보 ( 물 에너지 식량 ) 에너지 경제적 식량 Green Growth Green Economy
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-5 Nexus 정책화 국가물, 에너지, 식량자원중장기계획연계필요 개별적자원기술개발계획수립을뛰어넘는범부처기술정책실현 중장기기술계획수립시통합자원관리장기계획수립 자원관리기술개발의중복방지를통한효율적기술정책실현 부처별자원기술개발의필요성을포함한기술정책방향성개선 ( 출처 : 국토교통부 R&D 중장기전략 (2014) 및동향조사 (2015), 제 2 차농림식품과학기술육성종합계획 (2016), 에너지기술이노이션로드맵 (2014))
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-6 Nexus DB 플랫폼 물, 에너지, 식량 DB 공유플랫폼구축및넥서스평가툴구축
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-6 Nexus DB 플랫폼
Source: agartalasmartcity 2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-7 Nexus 未來像 < Smart cities > Source: Scheider-electric.com
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-8 Nexus 사례 수상태양광발전 태양광설비를저수지수면에설치함으로써산림훼손이나토지점유불필요 태양빛차단으로저수지녹조현상완화, 물고기산란환경조성, 육상태양광보다약 10% 의발전효율향상기대 합천댐 (500kW, 2012년 ), 보령댐 (2MW, 2016년 ), 충주댐 (3MW, 2017년 ) 합천댐에세계최대규모 40MW수상태양광사업추진 57,400MWh/ 년에너지생산 기존일본사이타마현수상태양광발전소 (7.5MW) 보다 5배이상큰규모 국내수상태양광개발잠재량 : 약 5,300MW 1,000MW 급원전 5 개규모 합천댐 보령댐 Water-energy nexus
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-8 Nexus 사례 운영중인수력발전댐과다목적댐과의통합관리를통한물관리효율성증대필요 한강수계수력발전댐을다목적으로통합연계운영시 홍수조절용량 : 약 2.4억m3확보 용수공급량 : 4억 ~8.8억m3 / 년추가 임남댐건설이후유입량축소에따른팔당댐녹조예방과상류댐의플러싱방류등을통해수질개선확대 화천댐 (108,000 kw) 춘천댐 (62,280 kw) 임남댐 (810,000 kw) 평화의댐 소양강댐 (200,000 kw) 용수공급홍수조절수질개선 > 수력발전 청평댐 (104,100 kw) 의암댐 (48,000 kw) Water-energy nexus 팔당댐 (120,000 kw)
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-8 Nexus 사례 추진배경 댐호소수, 광역원수등수열원의풍부한부존량을활용하여수열에너지사업활성화 R&D 전략수립필요 미국, 일본등선진국에서는이미하천수등담수를신재생열원으로지정, 도시열공급원으로활용하고있음 현재선진국에서는바다, 강, 하천, 호수등의온도차를이용하는대규모신재생에너지의개술개발 보급이확대되고있으나, 국내는지하열의온도차를이용하는소규모형태가대부분인실정 수열에너지이용원리 하천수, 호수, 해수등에포함되어있는물의온도에너지를직접또는열펌프로회수하여건물의냉난방및급탕에이용하는시스템 기존냉난방시스템에비해 20~40% 에너지절감효과 제 2 롯데월드 K-water 는댐호소수, 광역원수등을활용하여공동개발 ( 제 2 롯데월드 3,000 RT) 추진 * 밀양 ( 정 ), 학야 ( 정 ) 등댐 수도 11 개사업장 ( 열원 : 댐원수 ) 광역상수도관로안의수온차이 ( 여름철에는대기보다차갑고, 겨울철에는대기보다따뜻한현상 ) 를이용한수온차냉난방은기존냉난방시설에비해에너지효율이최대 40% 높음 Water-energy nexus
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 기피시설 을 에너지시설 로전환 폐기물 을 자원화 친화경에너지신사업창출 바이오가스정제시설을통해가축분뇨와음식물찌꺼기로바이오가스생산 ( 퇴비와액비를생산해판매 ) 이를또다시도시가스로정제해인근주민과군부대에공급 ( 국내첫사례 ) 신재생에너지인태양광발전과소수력발전 - 홍천군소매곡리주민들에게연간 1 억 4,000 만원의수익기대 2-8 Nexus 사례 Food-energy-water nexus
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-8 Nexus 사례 Food-water nexus 정의 : 논의농업 ( 관개 ) 용수절감및생산성향상을위한벼재배방법 농림식품부, 농어촌공사연구결과 (2011) 관개용수사용량 : 관행대비 49.4% 의농업용수절감 수확량 : 관행대비 109-120%( 백미기준 ), 120-130%( 완전미기준 ) 온실가스 : 관행대비 71.8% 온실가스감축 모든논에 SRI방법을적용하여약 40% 의농업용수가절감된다면약 51억톤용수확보가능
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-8 Nexus 사례 Water-food nexus 수직농장 : 미국컬럼비아대 / 일리노이대고층빌딩에서농사 : 물과식량모두해결 빗물, 오폐수여과, 농작물공급 농작물광합성작용에의한수증기를모아식수로사용
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-8 Nexus 사례 수직형정수처리시설 ( 분산형용수공급시스템 ) 정수장부지축소, 저류지불필요 2 차오염방지 ( 장거리이송관로內 ) 신재상에너지기술과 ICT 기술융합 Water-energy nexus
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-9 결론 do more with less recycle & reuse trade-off
2. 물 - 에너지 - 식량넥서스 (Water-Energy-Food Nexus) 2-9 결론 Minimize trade-offs and maximize synergies Cost down and increase efficiency Waste reuse, recycling, high-tech
감사합니다. bmchoikwater@gmail.com