물 - 에너지 - 식량연계 (Water-Energy-Food Nexus) 기술개발기획
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물 - 에너지 - 식량연계 (Water-Energy-Food Nexus) 기술개발기획
제출문 사장귀하 이보고서를 2017 년도 K-water 연구원물순환연구소에서수행한 물 - 에너지 - 식량 연계 (Water-Energy-Food Nexus) 기술개발기획 연구보고서로제출합니다. 2017. 12. 31 연구책임자 : K-water융합연구원 선임지원위원 최병만 연구수행자 : K-water융합연구원 수석연구원 이을래 K-water융합연구원 수석연구원 박진혁 K-water융합연구원 책임연구원 박상영 K-water융합연구원 책임연구원 이상진 K-water융합연구원 책임연구원 조용 K-water융합연구원 책임연구원 이영주 K-water융합연구원 책임연구원 류문현 K-water융합연구원 책임연구원 최한주 K-water융합연구원 수석연구원 이두진 K-water융합연구원 책임연구원 차상훈 K-water융합연구원 책임연구원 채지석 K-water융합연구원 책임연구원 정영훈 K-water융합연구원 센터장 이한구 K-water융합연구원 부 장 조영대 - i -
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연구개발결과활용보고서 [ 과제번호 ] KIWI-WRRC-17-07 (1) 연구개발과제명 물-에너지 -식량연계 (Water-Energy-Food Nexus) 기술개발기획 성명 최병만 소속 K-water 융합연구원 (2) 수행부서 물순환연구소 (3) 연구책임자 전화번호 E-mail bmchoi@kwater.or. kr (4) 연구기간 2015.12~ 2017.03 ( 총15개월 ) 총액 85,000천원 (6) 협동기관 (5) 총연구개발비 ( 천원 ) 정부 85,000천원 (7) 참여기업 날리지웍스기업 (8) 기술분야 (9) 참여연구원 15 명 (10) 연구개발목표 물 에너지 식량위기를극복하기위한국가자원확보및전략기획 1. 연구 총괄 지속가능한성장을위한물 에너지 식량자원의효율적연계기술개발기획 (11) 주요연구내용 국내외물 에너지 식량자원의생산 공급 소비체계조사 자원간연계해석기술개발방향정립및국가기술전략수립 물 에너지 식량자원간연계해석기술및의사결정지원시스템개발 국내시범단지구축및운영을통한실증화 국제사회이슈해결및물산업수출확대를위한글로벌확산전략수립 - iii -
2. 연구성과활용유형및주요연구성과 (12) 연구결과의활용 구분 실용화완료 기술실용화 실용화추진중 실용화보류 ( 중단 ) (13) 주요연구성과및기술개발단계 기술명 : 기술특성 : 선행연구 설계기준, 교육및지도정책활용시방서, 지침에활용 기타 기술의완성도기초, 탐색연구단계 ( ), 응용연구단계 (), 개발연구단계 ( ) 기업화준비단계 ( ), 상품화완료단계 ( ) 기술수명주기기술개념정립기 ( ), 기술실험기 ( ) 기술적용시작기 ( ), 기술적용성장기 ( ) 기술적용성숙기 ( ), 기술적용쇠퇴기 ( ) (14) 현장적용실적공사명 1 공사현장정보 공사기간 물량 R&D ( 총물량 ) 발주기관시공기관 참여자역할 3. 경제적 효과 가. 현장명 구분 공사비 ( 백만원 / m2 ) 기존 (A) 개선 (B) 단위효과 (C=A-B) 현장총물량 (D) 향상도적용현장 총효과 (C D) 2 공사현장별적용효과 유지관리비 ( 백만원 / m2 ) 기타비용절감 ( 백만원 / m2 ) 사고율 ( 명 /UC) 고용 ( 명 /UC) 공기 ( 일 /UC) 내구성 ( 年 ) - iv -
(15) 기술개발목표달성도 구분기술성능지표 지표명 ( 단위 ) 장단기사업추진로드맵 ( 기획 ) 개발전 당개발사업 개발결과 현재국내 세계최고 국내수준 최종목표치 실제달성치 기술수준 기술수준 60 95 점 95 점 70 점 65 점 (16) 산업재산권 ( 발명특허 실용신안 의장 s/w ) 4. 기술적 효과 구분명칭출원국출원및등록자 출원 등록 출원일출원번호등록일등록번호 (17) 건설신기술지정 명칭출원일고시일보호 기간 지정번호 (18) 기타등록및지정현황 ( 상품, 서비스등록, KT 마크등 ) 명칭출원일고시일보호기 간 기타 (19) 국내외전문학술지게재 구분논문제목학술지명국명통권, 호년, 월 SCI 학술지 일반 5. 학술지학술적효과 (20) 학술회의발표논문제목학술회의명칭국명연도 호 - v -
(21) 법 제도 ( 설계기준, 시방서, 지침 ) 등에활용 구분 명칭및조항 1) 시행일시 기존내용 신규내용 법규정 / 지침기준시방서 (22) 정책수립에활용 정책명 정책추진실적 정책추진일시 담당부처 팀 기대효과 (23) 교육및지도에활용 6. 공공적 효과 구분교육명교육내용교육대상교육 교육훈련기술상담현장기술지도 (24) 사회적성과 시간 교육 인원 교육회수 - vi -
요약문 연구제목 물 에너지 식량연계 기술개발기획 연구기간 연구배경및목적 세계는물 식량그리고에너지의수급불균형심화및상호위기증폭 를기점으로 연구활발히진행 국내적으로물 에너지 식량위기를극복하기위한국가자원확보및전략과지속 가능한성장을위한자원간효율적연계기술개발이필요함 이에필요한기술개발및기술확보를위해서는국가차원의예산지원을통해관련 기술에대한기술개발동향및환경분석 기술개발전략수립 연구개발과제도출 연구범위설정 타당성조사등과같은기획연구를수행할필요가있음 연구내용 물 에너지 식량위기를극복하기위한국가자원확보및전략기획 지속가능한성장을위한물 에너지 식량자원의효율적연계기술개발기획 연구결과 동향 현황분석을통한기술개발필요성검토및기술개발방향설정 국내외 주요국가별 정책 시장 기술동향및환경분석 기술수준분석 기술수요조사및기술예측조사 물 에너지 식량넥서스기술개발추진필요성및타당성제시 물 에너지 식량넥서스기술개발방향설정및기술발전상제시 - vii -
비전 목표설정과중점추진분야 세부기술분야설정 비전 목표설정및중점추진분야설정 연구개발후보과제도출및기술 성과로드맵수립 연구개발후보과제별과제카드작성 기술개발추진체계설정 사업예비타당성조사대응을위한사전검토및분석자료작성 연구개발과제기획 연구목표및범위설정 연구목표달성을위한추진방안수립 성과검증방안및실용화추진전략제시 인력투입계획및소요예산산정 사전타당성검토 과제공모를위한 작성및평가기준설정 - viii -
S U M M A R Y 1. Project Title/Subtitle Development of strategic framework for Water-Energy-Food Nexus 2. Research Period 3. Objective of Research 4. Contents, Scope and method of Research 5. Research Result - ix -
Table of Contents Chapter 1. Background and procedure of project 1 Section 1. Background and necessity of project 1 1. Background of project 1 2. Necessity of project 9 Section 2. Project planning system and procedure 29 1. Project planning system 29 2. Major promotion schedule for formulating project plan 31 Chapter 2. WEF Nexus concept and scope of project 36 Section 1. WEF Nexus concept 36 1. WEF Nexus definition in international organizations 36 2. WEF Nexus access direction and case 37 Section 2. Scope of project 52 1. WEF Nexus approach at the project 52 2. Scope of the WEF Nexus project at the project 53 Chapter 3. Major trend analysis in domestic and international 55 Section 1. Mega trend analysis of WEF Nexus 55 1. National Intelligence Council(NIC) Global Trends 2030, US 55 2. Global Risks 2014(World Economic Forum: WEF, 2014) 56 3. Climate change report(ipcc, 2014) 57 4. Trends analysis of domestic resources 59 5. Sub-conclusion 60 Section 2. Trends in domestic and international WEF Nexus related policies 61 1. Current status and prospects of domestic WEF related policies 61 - x -
2. Current status and prospects of international WEF related policies 67 3. Sub-conclusion 68 Section 3. Development trend of domestic and foreign WEF Nexus related technology 69 1. Development trend of domestic WEF Nexus related technology 69 2. Medium- to long-term R&D strategy analysis by ministry and agency 73 3. Development trend of overseas WEF Nexus related technology 85 4. The actual situation(test Bed) reflects cases in Korea and overseas 92 5. Sub-conclusion 95 Section 4. WEF Nexus related market trends 96 1. Trends in the water Industry Market 96 2. Trends in the energy market 101 3. Trends in the food market 102 4. Sub-conclusion 104 Section 5. WEF Nexus-related thesis/patent trends 105 1. Trend of patent 105 2. Trend of thesis 110 3. Sub-conclusion 114 Chapter 4. Project contents 116 Section 1. Technical demand survey 116 1. Overview 116 2. Current status of survey 117 Section 2. Structure of project 122 1. Set the direction of project promotion 122 2. Issue and R&D Needs derived 123 3. Project field setting 125 Section 3. Project vision/goal and promotion strategy 127 1. Overview 127 2. Vision 127 - xi -
3. Goal 127 4. Promotion strategy 128 5. Setting of priority promotion field 128 Chapter 5. Promotion contents by priority promotion field 129 Section 1. Field of WEF Nexus decision support system 129 1. Promotion background and necessity 129 2. Purpose and scope of detailed project 129 3. Current state of patents and thesis 129 4. Content of technical development 139 Section 2. Field of development and verification of WEF connection technologies 143 1. Promotion background and necessity 143 2. Purpose and scope of detailed project 143 3. Current state of patents and thesis 143 4. Content of technical development 154 Section 3. Field of WEF Nexus governance established and improvement 159 1. Promotion background and necessity 159 2. Purpose and scope of detailed project 159 3. Content of technical development 159 Chapter 6. Technology roadmap 162 Section 1. Overall roadmap 162 Section 2. Roadmap by project 163 1. WEF Nexus decision support system 163 2. Development and verification of connection technologies of WEF 164 3. WEF Nexus governance established and improvement 165 Section 3. Setting of short-term promotion field 166 1. Overview 166 2. Technology demand and setting assignment 168 - xii -
Chapter 7. Consideration of preliminary validity 173 Section 1. Analysis of policy validity 173 1. Importance of national strategy 173 2. Compatibility with superior plan 175 Section 2. Analysis of technical validity 177 1. Appropriateness of technology development plan 177 2. Appropriateness of project structure 178 Section 3. Analysis of economic expectation effect 181 1. Overview 181 2. Economic effect of Nexus platform construction technology 182 Chapter 8. Estimation of human resources input and required budget 191 Section 1. Plan human resources input 191 Section 2. Required budget 193 Chapter 9. Creation of RFP and setting of evaluation criteria 196 Section 1. Request for proposal(rfp) 196 1. Overall RFP 196 2. RFP by project 200 Section 2. Setting of evaluation criteria 217 Reference 218 - xiii -
List of Table <Table 1.1> Ranking by country energy consumption (2009 standard) 11 <Table 1.2> Comparing the difference between applying existing water-food resource management system and Nexus system 19 <Table 1.3> Dependence on energy overseas by fiscal year 20 <Table 1.4> Impact assessment of Mekong River dam construction project 22 <Table 1.5> Need for US DOE's Nexus technology and expected effect 23 <Table 1.6> Cause and effect of divisional crisis, impact, solution through WEF Nexus 27 <Table 1.7> Cause and effect on water quality, influence, solution through WEF Nexus 28 <Table 2.1> Security of WEF's elemental resources 37 <Table 2.2> Water consumption of main energy sector 43 <Table 2.3> Energy cost of vinyl house(1,050m 2 ) 45 <Table 2.4> Regional seawater desalination energy consumption and water production unit price 49 <Table 2.5> Energy consumption by the method of desalination process, production unit price of make-up water 50 <Table 3.1> Current situation of water-energy-food law in Korea and ministries concerned 62 <Table 3.2> Departmental water-energy-food related laws and the current state of court planning 63 <Table 3.3> Ministry of Land, Infrastructure and Transport Future, medium and long term R&D priority areas 76 <Table 3.4> Stars-related policy of national priority science technology by Ministry of Land, Infrastructure and Transport 78 <Table 3.5> Agriculture, Forestry and Livestock Foods Division, future medium- to long-term R&D priority areas 80 <Table 3.6> Future medium- and long-term R&D focus areas of the Ministry of - xiv -
Industry and Commerce 84 <Table 3.7> World water market trends 96 <Table 3.8> Current status of overseas construction policy support 98 <Table 3.9> 2014 Sales of Korean water industry 99 <Table 3.10> Current status of the water industry in the Netherlands (unit: EUR 1 billion) 101 <Table 3.11> Target of ratio of renewable energy by standard source (unit:%) 102 <Table 3.12> RPS Amendment of supply obligation ratio by year (draft) (unit:%) 102 <Table 3.13> Outline of patent analysis 105 <Table 3.14> Explanation of patent evaluation indicators 105 <Table 3.15> Outline of the analysis of thesis 110 <Table 3.16> Explanation of thesis evaluation indicators 110 <Table 4.1> WEF Nexus technical item 117 <Table 4.2> Set up project fields of WEF Nexus 119 <Table 5.1> Evaluation index of technical patent of WEF Nexus decision support system 133 <Table 5.2> Evaluation index of technical thesis of WEF Nexus decision support system 137 <Table 5.3> Development of collaboration technology of WEF and patent evaluation index of demonstration technology 147 <Table 5.4> Development of collaboration technology of WEF and thesis evaluation index of demonstration technology 152 <Table 8.1> Summary of human resources input 192 <Table 8.2> Summary of request budget 195 <Table 9.1> Criteria for selection of new project 218 - xv -
List of Figures [Fig. 1.1] Global stressors and resource crisis 1 [Fig. 1.2] The population of urban and rural areas by developed country groups(1950~2050) 2 [Fig. 1.3] Current situation of world water shortages and starvation(un, 2011-2012) 3 [Fig. 1.4] WEF Nexus approach for resource management 5 [Fig. 1.5] Concept of each footprint 6 [Fig. 1.6] Unification of Korean and necessity of WEF Nexus 8 [Fig. 1.7] The threat of domestic resource security associated with climate change 9 [Fig. 1.8] Flow of virtual water in the world(1996-2005, water footprint network report) 10 [Fig. 1.9] Energy demand forecast and targets(source: Energy Climate Change Manual) 11 [Fig. 1.10] Energy Security Indicator(WEC 2015) 11 [Fig. 1.11] Food security index ranking(eiu 2014) 12 [Fig. 1.12] Trends in major countries' grain self-sufficiency rate and international price of cereals 12 [Fig. 1.13] Changes in WEF-related conditions 12 [Fig. 1.14] Water-energy-food interrelationship 13 [Fig. 1.15] Sustainable goals 17 [Fig. 1.16] Domestic food security and food self-sufficiency rate 21 [Fig. 1.17] Planning research promotion system 29 [Fig. 1.18] Structure of planning committee 30 [Fig. 1.19] Planning research promotion procedure 30 [Fig. 2.1] BONN2011 Nexus conference WEF framework 37 [Fig. 2.2] World Economic Forum 2011 WEF framework 38 [Fig. 2.3] ICIMOD2012 WEF framework 39 [Fig. 2.4] WEF elemental analysis framework presented in IISD 39 [Fig. 2.5] Extended WEF-NEXUS analysis framework presented in IISD 40 [Fig. 2.6] WEF Nexus planning process presented in IISD 41 - xvi -
[Fig. 2.7] Nexus concept presented by Aquasis Solution 41 [Fig. 2.8] Nexus system presented by Tony Allan et al.(2015) 42 [Fig. 2.9] Interrelationship among factors affecting livelihood, water, energy, food 42 [Fig. 2.10] Interrelationship between domestic and external resources 43 [Fig. 2.11] Overall of floating PV system 44 [Fig. 2.12] Installation status of floating PV system 45 [Fig. 2.13] Energy cost by vinyl house size 46 [Fig. 2.14] No-tillage agriculture method 46 [Fig. 2.15] Freshwater cultivation and SRI agriculture 47 [Fig. 2.16] Reused water collect tank and valve system 48 [Fig. 2.17] Air conditioning system using hydrothermal energy 49 [Fig. 2.18] Forward osmosis desalination process 49 [Fig. 2.19] Energy consumption and make-up water volume by the method of desalination process 50 [Fig. 2.20] Forward osmosis desalination process for the production of drinking water 51 [Fig. 2.21] Forward osmosis desalination process use of fertilizer solution for production of irrigation water 51 [Fig. 2.22] Conversion of direction toward improvement of resource efficiency 52 [Fig. 2.23] Industry 4.0 based domestic water-energy-food Nexus 53 [Fig. 2.24] Nexus element technology 54 [Fig. 3.1] Future prospect results(nic) 55 [Fig. 3.2] Coordination among global risk factors(wef, 2014) 57 [Fig. 3.3] Food security associated with climate change(ipcc, 2014) 58 [Fig. 3.4] Continental major risks and potential risk reduction potentials by climate change(ipcc, 2014) 59 [Fig. 3.5] Direction of medium- and long-term technical policy by ministries and agencies and role of WEF Nexus 61 [Fig. 3.6] WEAP-LEAP linkage technology(noaa, 2012) 85 [Fig. 3.7] FAO's WEF Nexus promotion system 86 - xvii -
[Fig. 3.8] FAO food security components 86 [Fig. 3.9] Independent cooling and heating utilizing geothermal and hydrothermal 94 [Fig. 3.10] Small facility cultivation 94 [Fig. 3.11] Water-energy-food cooperation technology through improvement of irrigation technology 94 [Fig. 3.12] Water-related ODA Sector-specific support 97 [Fig. 3.13] Water-related ODA region support 97 [Fig. 3.14] Compared with the results of the entire ODA project, the actual trends in the water resources field(2005-2011) 98 [Fig. 3.15] Trend of international monthly crude oil prices for 10 years(2005.1-2015.1) 101 [Fig. 3.16] Proportion of agricultural and forestry production value and added value relative to GDP 103 [Fig. 3.17] Exports of agricultural and livestock products (2011) 103 [Fig. 3.18] Trade balance of agricultural and livestock products (2011) 103 [Fig. 3.19] WEF Nexus technology-related patent applications number by year(`00 ~`16)106 [Fig. 3.20] WEF Nexus technology-related patent applications number and proportions by year and country 107 [Fig. 3.21] WEF Nexus technology-related patent applications number by year(korea) 107 [Fig. 3.22] WEF Nexus technology-related patent applications number by year(us) 108 [Fig. 3.23] WEF Nexus technology-related patent applications number by year(japan) 108 [Fig. 3.24] WEF Nexus technology-related patent applications number by year(eu) 108 [Fig. 3.25] Growth stage of WEF Nexus-related technology 109 [Fig. 3.26] Growth stage curve of technology 109 [Fig. 3.27] WEF Nexus technology-related thesis publications number by year(`00~`17.01) 111 [Fig. 3.28] WEF Nexus technology-related thesis publications number by year and country 111 [Fig. 3.29] WEF Nexus technology-related thesis publications number by year(korea) 112 [Fig. 3.30] WEF Nexus technology-related thesis publications number by year(us) 112 [Fig. 3.31] WEF Nexus technology-related thesis publications number by year(japan) 112 [Fig. 3.32] WEF Nexus technology-related thesis publications number by year(germany) 113 - xviii -
[Fig. 3.33] WEF Nexus technology-related thesis publications number by year(france) 113 [Fig. 3.34] WEF Nexus technology-related thesis publications number by year(uk) 113 [Fig. 3.35] WEF Nexus technology-related thesis activity by country 114 [Fig. 4.1] Procedure of technical demand investigation 116 [Fig. 4.2] Setting the project field by classification 119 [Fig. 4.3] Setting direction of project promotion through SWOT analysis 123 [Fig. 4.4] WEF Nexus viewpoint issue 124 [Fig. 4.5] R&D needs by issue 125 [Fig. 4.6] Compatible technology items for R&D Needs 126 [Fig. 4.7] Project filed 126 [Fig. 5.1] Number of patent applications related to the technology of WEF Nexus decision support system by year(`00~`16) 130 [Fig. 5.2] Number of patent applications related to the technology of WEF Nexus decision support system by year and country 130 [Fig. 5.3] Number of patent applications related to the technology of WEF Nexus decision support system by year(korea) 131 [Fig. 5.4] Number of patent applications related to the technology of WEF Nexus decision support system by year(us) 131 [Fig. 5.5] Number of patent applications related to the technology of WEF Nexus decision support system by year(eu) 131 [Fig. 5.6] Number of patent applications related to the technology of WEF Nexus decision support system by year(japan) 132 [Fig. 5.7] WEF Nexus decision support system technology percentage of applications by category 132 [Fig. 5.8] Growth stage of WEF Nexus decision support system technology 133 [Fig. 5.9] Number of thesis publications related to the technology of WEF Nexus decision support system by year(`00~`17.01) 134 [Fig. 5.10] Number of thesis publications related to the technology of WEF Nexus decision support system by year and country 134 - xix -
[Fig. 5.11] Number of thesis publications related to the technology of WEF Nexus decision support system by year(korea) 135 [Fig. 5.12] Number of thesis publications related to the technology of WEF Nexus decision support system by year(us) 135 [Fig. 5.13] Number of thesis publications related to the technology of WEF Nexus decision support system by year(japan) 135 [Fig. 5.14] Number of thesis publications related to the technology of WEF Nexus decision support system by year(germany) 136 [Fig. 5.15] Number of thesis publications related to the technology of WEF Nexus decision support system by year(france) 136 [Fig. 5.16] Number of thesis publications related to the technology of WEF Nexus decision support system by year(uk) 136 [Fig. 5.17] WEF Nexus decision support system technology percentage of publications by category 137 [Fig. 5.18] Number of patent applications related to development and verification of WEF connection technologies by year(`00~`16) 144 [Fig. 5.19] Number of patent applications related to development and verification of WEF connection technologies by year and country 144 [Fig. 5.20] Number of patent applications related to development and verification of WEF connection technologies by year(korea) 145 [Fig. 5.21] Number of patent applications related to development and verification of WEF connection technologies by year(us) 145 [Fig. 5.22] Number of patent applications related to development and verification of WEF connection technologies by year(eu) 145 [Fig. 5.23] Number of patent applications related to development and verification of WEF connection technologies by year(japan) 146 [Fig. 5.24] Development and verification of WEF connection technologies percentage of applications by category 146 [Fig. 5.25] Growth stage of development and verification of WEF connection technologies 147 - xx -
[Fig. 5.26] Number of thesis publications related to evelopment and verification of WEF connection technologies by year(`00~`17.01) 148 [Fig. 5.27] Number of thesis publications related to development and verification of WEF connection technologies by year and country 149 [Fig. 5.28] Number of thesis publications related to evelopment and verification of WEF connection technologies by year(korea) 149 [Fig. 5.29] Number of thesis publications related to evelopment and verification of WEF connection technologies by year(us) 149 [Fig. 5.30] Number of thesis publications related to evelopment and verification of WEF connection technologies by year(japan) 150 [Fig. 5.31] Number of thesis publications related to evelopment and verification of WEF connection technologies by year(germany) 150 [Fig. 5.32] Number of thesis publications related to evelopment and verification of WEF connection technologies by year(france) 150 [Fig. 5.33] Number of thesis publications related to evelopment and verification of WEF connection technologies by year(uk) 151 [Fig. 5.34] Development and verification of WEF connection technologies percentage of publications by category 151 [Fig. 6.1] Setting short-term priority issues 167 [Fig. 7.1] Four major project in short-term promotion field 181 [Fig. 7.2] Distribution of major dams in Korea 183 [Fig. 7.3] Monitoring network construction 184 [Fig. 7.4] TSK-energy saving equipment 185 [Fig. 7.5] Principle of heating and cooling utilizing hydrothermal energy 187 [Fig. 7.6] Economic ripple effect estimation of Ulleungdo autonomous island construction 188 [Fig. 7.7] Schematic diagram of Kapado autonomous island 189 [Fig. 7.8] Schematic diagram of Kasado autonomous island 190 [Fig. 7.9] Basic schematic diagram of forward osmosis-reverse osmosis 190 - xxi -
목차 1장. 사업추진배경및절차 1 1절. 사업추진배경및필요성 1 1. 사업추진배경 1 2. 사업추진필요성 9 2절. 사업기획수립체계및절차 29 1. 사업기획수립체계 29 2. 사업기획수립을위한주요추진일정 31 2장. WEF Nexus 개념및사업의범위 36 1절. WEF Nexus의개념 36 1. 국제기구에서의 WEF Nexus 정의 36 2. WEF Nexus 접근방향및사례 37 2절. 사업의범위 52 1. 동기획에서의 WEF Nexus 접근방법 52 2. 동기획에서의 WEF Nexus 사업의범위 53 3장. 국내외주요동향분석 55 1절. 국내외 WEF Nexus 관련메가트랜드분석 55 1. 미국 National Intelligence Council(NIC) Global Trends 2030 55 2. Global Risks 2014(World Economic Forum: WEF, 2014) 56 3. Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC, 2014) 기후변화보고서 57 4. 국내자원관련트렌드분석 59 5. 소결 60 2절. 국내외 WEF Nexus 관련정책동향 61 1. 국내 WEF 관련정책현황및전망 61 - xxii -
2. 해외 WEF 관련정책현황및전망 67 3. 소결 68 3절. 국내 외 WEF Nexus 관련기술개발동향 69 1. 국내 WEF Nexus 관련기술개발동향 69 2. 부처별중장기 R&D 전략분석 73 3. 해외 WEF Nexus 관련기술개발동향 85 4. 국내외사례를반영한실정적용방안 (Test Bed) 92 5. 소결 95 4절. WEF Nexus 관련시장동향 96 1. 물산업시장동향 96 2. 에너지시장동향 101 3. 식량시장동향 102 4. 소결 104 5절. WEF Nexus 관련논문 특허동향 105 1. 특허동향 105 2. 논문동향 110 3. 소결 114 4장. 사업내용 116 1절. 기술수요조사 116 1. 개요 116 2. 조사현황 117 2절. 사업의구조 122 1. 사업추진방향설정 122 2. Issue 및 R&D Needs 도출 123 3. 사업영역설정 125 3절. 사업비전 목표및추진전략 127 1. 개요 127 - xxiii -
2. 비전 127 3. 목표 127 4. 추진전략 128 5. 중점추진분야설정 ( 장기적추진분야및단기적추진분야 ) 128 5장. 중점추진분야별추진내용 129 1절. WEF 넥서스의사결정지원시스템분야 129 1. 추진배경및필요성 129 2. 세부사업의목적및범위 129 3. 특허및논문현황 129 4. 기술개발내용 139 2절. WEF 연계기술개발및실증분야 143 1. 추진배경및필요성 143 2. 세부사업의목적및범위 143 3. 특허및논문현황 143 4. 기술개발내용 154 3절. WEF 넥서스거버넌스수립및개선분야 159 1. 추진배경및필요성 159 2. 세부사업의목적및범위 159 3. 기술개발내용 159 6장. 기술로드맵 162 1절. 총괄로드맵 162 2절. 사업별로드맵 163 1. WEF 넥서스의사결정지원시스템 163 2. WEF 연계기술개발및실증 164 3. WEF 넥서스거버넌스수립및개선 165 - xxiv -
3 절. 단기적추진분야설정 166 1. 개요 166 2. 기술수요및과제구성 168 7장. 사전타당성검토 173 1절. 정책적타당성분석 173 1. 국가전략의중요성 173 2. 상위계획과의부합성 175 2절. 기술적타당성분석 177 1. 기술개발계획의적절성 177 2. 사업구조의적절성 178 3절. 경제적기대효과분석 181 1. 개요 181 2. Nexus 플랫폼구축기술의경제적효과 182 8 장. 인력투입및소요예산산정 191 1 절. 인력투입계획 191 2 절. 소요예산 193 9장. 과제제안요구서작성및평가기준설정 196 1절. 과제제안요구서 (RFP) 196 1. 총괄제안요구서 196 2. 과제별제안요구서 200 2절. 평가기준설정 217 참고문헌 218 - xxv -
표목차 < 표 1.1> 국가별에너지소비순위 (2009년기준 ) 11 < 표 1.2> 기존의물-식량자원관리시스템과넥서스시스템적용의차이비교 19 < 표 1.3> 우리나라연도별에너지해외의존도 20 < 표 1.4> Mekong River 댐건설사업의영향평가 22 < 표 1.5> 미국 DOE의 Nexus 기술의필요성및기대효과 23 < 표 1.6> 부문별위기원인, 영향및 WEF 넥서스를통한해소방안 27 < 표 1.7> 수질에관한원인, 영향및 WEF Nexus를통한해소방안 28 < 표 2.1> WEF의요소별자원안보 37 < 표 2.2> 주요에너지부문의물사용량 43 < 표 2.3> 비닐하우스의에너지비용 (1,050m2) 45 < 표 2.4> 지역별해수담수화에너지소모량및물생산단가 49 < 표 2.5> 해수담수화공정방법에따른에너지소모량및보충수생산단가 50 < 표 3.1> 한국의물-에너지-식량관련법률현황및소관부처 62 < 표 3.2> 부처별물-에너지-식량관련주요법률과법정계획현황 63 < 표 3.3> 국토교통부미래중장기 R&D 중점분야 76 < 표 3.4> 국토교통부국가중점과학기술별연관정책 78 < 표 3.5> 농림축산식품부미래중장기 R&D 중점분야 80 < 표 3.6> 산업통상자원부미래중장기 R&D 중점분야 84 < 표 3.7> 세계물시장동향 96 < 표 3.8> 해외건설정책지원현황 98 < 표 3.9> 2014년한국물산업매출액 99 < 표 3.10> 네덜란드물산업현황 ( 단위 : 10억유로 ) 101 < 표 3.11> 신재생에너지기준원별비중목표 ( 단위 : %) 102 < 표 3.12> RPS 연도별공급의무비율개정 ( 안 ) ( 단위 : %) 102 < 표 3.13> 특허분석개요 105 < 표 3.14> 특허평가지표설명 105 < 표 3.15> 논문분석개요 110 - xxvi -
< 표 3.16> 논문평가지표설명 110 < 표 4.1> WEF 넥서스기술아이템 117 < 표 4.2> WEF 넥서스의사업영역설정 119 < 표 5.1> WEF 넥서스의사결정지원시스템기술특허평가지표 133 < 표 5.2> WEF 넥서스의사결정지원시스템기술논문평가지표 137 < 표 5.3> WEF 연계기술개발및실증기술특허평가지표 147 < 표 5.4> WEF 연계기술개발및실증기술논문평가지표 152 < 표 8.1> 소요인력총괄 192 < 표 8.2> 소요예산총괄 195 < 표 9.1> 신규과제선정평가기준 217 - xxvii -
그림목차 [ 그림 1.1] Global Stressors와자원위기 1 [ 그림 1.2] 개발국가그룹에따른도시와농촌의인구, 1950~2050 2 [ 그림 1.3] 세계물부족및기아현황 (UN, 2011-2012) 3 [ 그림 1.4] 자원관리 WEF 넥서스접근방법 5 [ 그림 1.5] 각발자국의개념 6 [ 그림 1.6] 한반도통일과 WEF 넥서스의필요성 8 [ 그림 1.7] 기후변화에따른국내자원안보의위협 9 [ 그림 1.8] 세계가상수흐름 (1996~2005년, 물발자국네트워크보고서 ) 10 [ 그림 1.9] 에너지수요전망및목표도 ( 출처 : 에너지기후변화편람, 에관공 ) 10 [ 그림 1.10] WEC 2015 에너지안보지수 11 [ 그림 1.11] EIU 2014 식량안보지수순위 11 [ 그림 1.12] 주요국곡물자급률및곡물국제가격동향 11 [ 그림 1.13] WEF 관련여건변화 12 [ 그림 1.14] 물-에너지-식량의상호관련성 13 [ 그림 1.15] 지속가능목표 16 [ 그림 1.16] 국내식량안보및식량자급률추이 20 [ 그림 1.17] 기획연구추진체계 29 [ 그림 1.18] 기획위원회구성 30 [ 그림 1.19] 기획연구추진절차 30 [ 그림 2.1] BONN2011 Nexus conference WEF 프레임워크 37 [ 그림 2.2] World Economic Forum 2011 WEF 프레임워크 38 [ 그림 2.3] ICIMOD2012 에서제시된 WEF 프레임워크 39 [ 그림 2.4] IISD에서제시한 WEF 요소별분석프레임워크 39 [ 그림 2.5] IISD에서제시한확장된 WEF-NEXUS 분석프레임워크 40 [ 그림 2.6] IISD에서제시한 WEF Nexus 계획수립과정 41 [ 그림 2.7] Aquasis Solution이제시한 Nexus 개념 41 - xxviii -
[ 그림 2.8] Tony Allan et al.(2015) 이제시한 Nexus 체계 42 [ 그림 2.9] 생계, 물, 에너지, 식량에영향을주는각인자들의상호관계 42 [ 그림 2.10] 국내 외자원간상호연관성 43 [ 그림 2.11] 수상태양광개요 44 [ 그림 2.12] 수상태양광설치현황 45 [ 그림 2.13] 비닐하우스면적별에너지비용 46 [ 그림 2.14] 무경운농법 46 [ 그림 2.15] 담수재배와 SRI 농법 47 [ 그림 2.16] 재이용수수집탱크및밸브시스템 48 [ 그림 2.17] 수열에너지냉난방시스템 49 [ 그림 2.18] 정삼투해수담수화공정 49 [ 그림 2.19] 해수담수화공정방법에따른에너지소모량및보충수량 50 [ 그림 2.20] 음용수생산을위한정삼투해수담수화공정 51 [ 그림 2.21] 관개용수생산을위한비료용액활용정삼투해수담수화공정 51 [ 그림 2.22] 자원의효율성증대방향의전환 52 [ 그림 2.23] Industry 4.0기반국내물-에너지-식량넥서스 53 [ 그림 2.24] 넥서스요소기술 54 [ 그림 3.1] 미래전망결과 (NIC) 55 [ 그림 3.2] 글로벌위험요인간의연계도 (WEF, 2014) 57 [ 그림 3.3] 기후변화에따른식량안보 (IPCC, 2014) 58 [ 그림 3.4] 기후변화에의한대륙별주요위험및위험저감잠재성 (IPCC, 2014) 59 [ 그림 3.5] 부처별중장기기술정책방향및 WEF Nexus의역할 61 [ 그림 3.6] WEAP-LEAP 연계기술 (NOAA, 2012) 85 [ 그림 3.7] FAO의 WEF Nexus 추진체계 86 [ 그림 3.8] FAO 식량안보의구성요소 86 [ 그림 3.9] 지열및수열을활용한냉난방자립화 93 [ 그림 3.10] 소규모시설재배 94 [ 그림 3.11] 관개기술향상을통한물-에너지식량연계기술 94 [ 그림 3.12] 물관련 ODA 분야별지원실적 97 - xxix -
[ 그림 3.13] 물관련 ODA 지역별지원실적 97 [ 그림 3.14] ODA 사업전체실적대비수자원분야실적추이 (2005~2011) 98 [ 그림 3.15] 10년간국제월별유가추이 (2005.1~2015.1) 101 [ 그림 3.16] 농림업생산액및 GDP 대비부가가치비중 103 [ 그림 3.17] 농축산물수출액 (2011) 103 [ 그림 3.18] 농축산물무역수지 (2011) 103 [ 그림 3.19] WEF Nexus 관련기술연도별특허출원건수 (`00~`16) 106 [ 그림 3.20] WEF Nexus 기술관련연도별국가별특허출원건수및비중 107 [ 그림 3.21] WEF Nexus 기술관련연도별특허출원건수 ( 한국 ) 107 [ 그림 3.22] WEF Nexus 기술관련연도별특허출원건수 ( 미국 ) 108 [ 그림 3.23] WEF Nexus 기술관련연도별특허출원건수 ( 일본 ) 108 [ 그림 3.24] WEF Nexus 기술관련연도별특허출원건수 ( 유럽 ) 108 [ 그림 3.25] WEF Nexus 관련기술의성장단계 109 [ 그림 3.26] 기술성장단계곡선 109 [ 그림 3.27] WEF Nexus 기술관련연도별논문게재건수 (`00~`17.01) 111 [ 그림 3.28] WEF Nexus 기술관련연도별국가별논문게재건수 111 [ 그림 3.29] WEF Nexus 기술관련연도별논문게재건수 ( 한국 ) 112 [ 그림 3.30] WEF Nexus 기술관련연도별논문게재건수 ( 미국 ) 112 [ 그림 3.31] WEF Nexus 기술관련연도별논문게재건수 ( 일본 ) 112 [ 그림 3.32] WEF Nexus 기술관련연도별논문게재건수 ( 독일 ) 113 [ 그림 3.33] WEF Nexus 기술관련연도별논문게재건수 ( 프랑스,) 113 [ 그림 3.34] WEF Nexus 기술관련연도별논문게재건수 ( 영국 ) 113 [ 그림 3.35] WEF Nexus 기술국가별논문활동도 114 [ 그림 4.1] 기술수요조사절차 116 [ 그림 4.2] 분류에따른사업영역설정 119 [ 그림 4.3] SWOT 분석을통한사업추진방향설정 123 [ 그림 4.4] WEF 넥서스관점의이슈 124 [ 그림 4.5] 이슈별 R&D Needs 125 [ 그림 4.6] R&D Needs 대응기술아이템 126 - xxx -
[ 그림 4.7] 사업영역 126 [ 그림 5.1] WEF 넥서스의사결정지원시스템기술관련연도별특허출원건수 (`00~`16) 130 [ 그림 5.2] WEF 넥서스의사결정지원시스템기술관련연도별국가별특허출원건수 130 [ 그림 5.3] WEF 넥서스의사결정지원시스템기술관련연도별특허출원건수 ( 한국 ) 131 [ 그림 5.4] WEF 넥서스의사결정지원시스템기술관련연도별특허출원건수 ( 미국 ) 131 [ 그림 5.5] WEF 넥서스의사결정지원시스템기술관련연도별특허출원건수 ( 유럽 ) 131 [ 그림 5.6] WEF 넥서스의사결정지원시스템기술관련연도별특허출원건수 ( 일본 ) 132 [ 그림 5.7] WEF 넥서스의사결정지원시스템기술중분류별출원비중 132 [ 그림 5.8] WEF 넥서스의사결정지원시스템기술성장단계 133 [ 그림 5.9] WEF 넥서스의사결정지원시스템관련연도별논문게재건수 (`00~`17.01) 134 [ 그림 5.10] WEF 넥서스의사결정지원시스템관련연도별국가별논문게재건수 134 [ 그림 5.11] WEF 넥서스의사결정지원시스템관련연도별논문게재건수 ( 한국 ) 135 [ 그림 5.12] WEF 넥서스의사결정지원시스템관련연도별논문게재건수 ( 미국 ) 135 [ 그림 5.13] WEF 넥서스의사결정지원시스템관련연도별논문게재건수 ( 일본 ) 135 [ 그림 5.14] WEF 넥서스의사결정지원시스템관련연도별논문게재건수 ( 독일 ) 136 [ 그림 5.15] WEF 넥서스의사결정지원시스템관련연도별논문게재건수 ( 프랑스 ) 136 [ 그림 5.16] WEF 넥서스의사결정지원시스템관련연도별논문게재건수 ( 영국 ) 136 [ 그림 5.17] WEF 넥서스의사결정지원시스템대분류별게재비중 137 [ 그림 5.18] WEF 연계기술개발및실증기술관련연도별특허출원건수 (`00~`16) 144 [ 그림 5.19] WEF 연계기술개발및실증기술관련연도별국가별특허출원건수 144 [ 그림 5.20] WEF 연계기술개발및실증기술관련연도별특허출원건수 ( 한국 ) 145 [ 그림 5.21] WEF 연계기술개발및실증기술관련연도별특허출원건수 ( 미국 ) 145 [ 그림 5.22] WEF 연계기술개발및실증기술관련연도별특허출원건수 ( 유럽 ) 145 [ 그림 5.23] WEF 연계기술개발및실증기술관련연도별특허출원건수 ( 일본 ) 146 [ 그림 5.24] WEF 연계기술개발및실증기술중분류별출원비중 146 [ 그림 5.25] WEF 연계기술개발및실증기술성장단계 147 [ 그림 5.26] WEF 연계기술개발및실증관련연도별논문게재건수 (`00~`17.01) 148 [ 그림 5.27] WEF 연계기술개발및실증관련연도별국가별논문게재건수 149 [ 그림 5.28] WEF 연계기술개발및실증관련연도별논문게재건수 ( 한국 ) 149 - xxxi -
[ 그림 5.29] WEF 연계기술개발및실증관련연도별논문게재건수 ( 미국 ) 150 [ 그림 5.30] WEF 연계기술개발및실증관련연도별논문게재건수 ( 일본 ) 150 [ 그림 5.31] WEF 연계기술개발및실증관련연도별논문게재건수 ( 독일 ) 150 [ 그림 5.32] WEF 연계기술개발및실증관련연도별논문게재건수 ( 프랑스 ) 150 [ 그림 5.33] WEF 연계기술개발및실증관련연도별논문게재건수 ( 영국 ) 151 [ 그림 5.34] WEF 연계기술개발및실증대분류별게재비중 151 [ 그림 6.1] 단기적중점과제의구성 167 [ 그림 7.1] 단기적추진분야 4대세부과제 181 [ 그림 7.2] 우리나라주요댐의분포 ( 한국대댐회 ) 183 [ 그림 7.3] Monitoring network construction 184 [ 그림 7.4] TSK-에너지절감형기기 185 [ 그림 7.5] 수열에너지냉난방의원리 187 [ 그림 7.6] 울릉도자립섬구축의경제적파급효과추정 188 [ 그림 7.7] 제주가파도자립섬개념도 189 [ 그림 7.8] 전남가사도자립섬개념도 190 [ 그림 7.9] 정삼투-역삼투기본개념도 190 - xxxii -
1 장. 사업추진배경및절차 1 절. 사업추진배경및필요성 사업추진배경 가 글로벌자원안보확보필요 (Global Stressors) 범국가적기후변화, 인구증가, 도시화, 자원고갈에따른물, 에너지, 식량등필수자원의수요량증가로인한수급불균형으로글로벌자원안보위기대두 국내의경우경제성장로인한중산층증가와도시인구팽창에따른물, 에너지, 식량등필수자원에대한수요증가 국내자원의대외의존성이높아국제자원시장에크게영향을받기때문에 WEF Nexus를통한자립적자원확보시급 [ 그림 1.1] Global Stressors 와자원위기 ( 인구증가 ) 세계인구의증가추세에따른물, 에너지, 식량자원의부족현상가중 - US Dept. of Energy는 1980년부터 2010년에걸쳐, 세계인구가 45억명에서 68억명가까이증가한것으로보고 (2050년까지 93억명, UNDESA(2012)) Ÿ 1980년대비 2010년전기에너지사용량은약 2.6배, 원유사용량은약 1.4배, 석탄연료사용량은약 2배증가 Ÿ 1980년대비 2010년물사용량약 1.4배가량증가 - WEF(2011) 에서는미래인구증가에따른농업용수수요량의증가로 2030 년에는현재대비 40% 이상의새로운수자원이필요할것으로예측 - 1 -
( 도시화 ) 대부분의인구가도시지역에주거하시시작하면서자원사용량변화에영향 - 도시는물질, 에너지, 식량, 용수와같은투입물과폐기물, 폐수및환경을둘러싼오염물을배출하는복잡한시스템임 - 과거에는자원의생산과소비가비교적근거리에서이루어졌다면, 현재는자원의생산지와수요지가점차명확히구분되어지면서, 운반과공급에소모되는자원의사용량이증가 - 도시인구의생활수준이향상되면서동일인구대비물, 에너지, 식량자원의사용량역시증가 - 이러한도시화현상은각자원의단순이용량증가뿐만아니라각자원을이용하기위해다른자원을간접적으로소비하는간접이용량의증가의원인 [ 그림 1.2] 개발국가그룹에따른도시와농촌의인구, 1950~2050 ( 자원고갈 ) 화석연료의고갈및가용수자원등감소현상심화 - 현대인류가주에너지자원으로사용하는화석연료는그매장량이한정되어있기때문에이미오래전부터이러한자원고갈에대비해야한다는주장제기 - 전세계적으로다양한지역에서기후적, 경제적, 환경적인요인으로인해물부족현상이발생 - 에너지자원의고갈및물부족현상은인구증가와더불어세계식량부족현상을야기 Ÿ 비교적인구밀도가높은아시아, 아프리카, 남아메리카대륙에서이미식량부족현상이심각하게발생하고있으며, 기근발생지역은물부족지역과밀접한연관성이있음 - 2 -
( 기후변화 ) 현대화에따른이산화탄소와같은온실가스발생량의급격한증가로인해기후변화가뚜렷하게발생 - 세계기후변화시나리오 (COP15, COPENHAGEN) 에의하면, 지구온난화로인한이상고온현상이지속적으로나타나고있으며, 극한홍수및가뭄, 사막화등의재난발생빈도가전세계적으로증가하고있는것으로조사 - 이상기후보고서 (2014) 에의하면국내의경우장마시기가늦춰지고, 증가추세를보이던연강수량이급격히평년에못미치는강수량을기록하는등의뚜렷한이상기후가발생했다고분석 Ÿ 최근충남과강원, 인천, 경북등중부권에유례없는가뭄이이어지면서물부족현상이나타남 - 강우량, 강우강도, 빈도, 지속기간등현재수문량산정의주요지표로활용되고있는다양한요인들이변화하고있으며, 극단적인기후현상이더잦은빈도로발생하게되면서수자원의확보및효율적인활용이더욱어려워짐 - 우리나라는각자원별로는높은해외의존도등으로수급불안요소들이내재 [ 그림 1.3] 세계물부족및기아현황 (UN, 2011-2012) ( 지속가능자원확보 ) 지속가능한 (Sustainable) 확보및적정배분, 신기술창출을 통한자원안보 (Security) 확보필요 ( 물안보 ) 생계유지, 인간의행복, 사회경제적발전을위해자가오염 (water-borne pollution) 과물관련재앙을예방하며, 정치적안정과기후학적 평화를위해생태계를보존할수있도록적절한양과질을갖춘물에 urm 지속적으로접근할수있는인류의능력 (UN Water, 2014) ( 식량안보 ) 활동적이고건강한삶을영위하기위하여모든사람들이언제나 자신의섭취욕구와식품기호를만족시킬수있을정도로충분하고안전 하며영양가있는식량을물리적, 사회적, 경제적으로얻을수있는상태 (FAO, 2002) ( 에너지안보 ) - 3 -
( 자원수급불균형 ) 세계적인물, 식량, 에너지의수급불균형심화및상호위기증폭 세계물공급량중농업용 70%, 에너지 15% 가소비되고있으며, 유럽과미국은발전용냉각수로담수총량의 43%, 50% 를사용하고있음 Bone2011 컨퍼런스를기점으로물-에너지-식량넥서스 (WEF Nexus) 의연구가활발히진행중 ( 자원연계 ) 세계적으로물, 에너지, 식량을별개의자원으로생산하고소비해왔으나, 최근세자원간의상호연계성이부각되고있음 지금까지의물-에너지-식량-기후연계관련연구는대부분개별요인들의분석또는기후변화에따른영향평가등에집중 어느한자원의수요, 공급의변화가나머지자원에미치는영향을분석하여세가지자원을통합, 관리할수있는물-에너지-식량연계해석기법에대한필요성이제기 ( 정보교환 ) 세계각국의연구기관에서는 WEF Nexus 기술에대한개념을정립하고, 각자원간의데이터베이스를연계 통합하여관리하려는움직임을보임 Water Security 보고서 (WEF, 2011) 에서는각요인간의영향을동시에고려할수있는넥서스접근법을새로운방법론으로제시하였고 UN Secretary General 에서도사회, 경제, 환경을연계할수있는넥서스접근법의활용을제시 2012년 Rio+20 UN conference에서도물, 식량안보와지속가능한농업과의연계성의중요함을거론 2012년제6차 WWF( 세계물포럼, 마르세유 ) 에서는 경제발전기여 를위한합리적물사용을통한식량안보, 물-에너지-식량 NEXUS에대한필요성이제시됨 - 12년제6차세계물포럼 ( 마르세유 ) 에서물-에너지-식량 Nexus 필요성이대두되어, 15년제7차세계물포럼 ( 대구경북 ) 에서는물-에너지-식량 Nexus 가중점주제로제시됨 2015년제7차대구경북세계물포럼에서는행동목표 (action goal) 의하나로물-에너지및물-식량 Nexus가제안된바있음 UNFCCC에서는물-에너지-식량 Nexus를기후변화해결책으로제시 일부 WEF Nexus 기술을선도하는국가및기관에서는 WEF Nexus Model & Tool을개발하여도입하는과정을거치고있음 - 모형을이용하여인구증가, 기후변화, 자원고갈등의시나리오를대상으로물, 에너지, 식량자원의수요및공급이어떻게변화될것인지를예측 - 정책또는대체기술도입을통해발생가능한자원부족현상을대응하고완화시킬수있는의사결정시스템을개발 - 4 -
( 자원통합관리 ) WEF 넥서스는물, 에너지, 식량자원의연계성을파악하고, 자원을효율적으로이용하기위한통합자원관리의하나의접근방법임 각각의자원을생산, 공급, 소비함에있어다른자원들이밀접하게연관되어있음을알수있으며실제로각각의자원을생산, 공급하기까지소모되는타자원의현황을정량화하여파악한다면세가지자원의생산, 공급, 소비에대한효율적관리가능 [ 그림 1.4] 자원관리 WEF 넥서스접근방법 나 국내자원환경여건의변화 미래기후변화대응및국가필수자원안보체계구축을위해물기반국정아젠다로써의 Water-Energy-Food Nexus 국가실행계획필요 인구증가, 경제성장, 기후변화등의미래환경변화에대응하기위한한정적인자원들의효율적인활용이어려움에따라자원간의연계성을활용한지속가능한자원확보시급 불확실한미래환경대응방안마련시급 - 기후변화로인한수문기상학적변동성대응을위한안정적인자원관리필요 - 전지구적인구변화, 토지이용변화, 도시화, 산업고도화등환경변화에따른자원간연계성을이용한자원안보 - 국민생활패턴의변화로인한자원소비의형태에따른자원연계성의변화예측, 자원소비예측, 자원공급관리전략필요 물 / 에너지 / 식량의상호연관성을파악하고자원간의생산및소비연계를통해자원활용의효율성증대와다음세대를위한자원의확보방안필요 정부주도의물 / 에너지 / 식량관리체계의통합연계정책수립및실행계획필요 - 정부주도의물 / 에너지 / 식량연계를통한자원자립도개선필요 - 5 -
기후변화로인하여발생하는수자원부족 ( 고갈 ) 문제와물순환왜곡등을해결하기위한수자원자족 자립능력향상기술개발필요 - 2015년가뭄으로 3일까지강수량은평년대비 62%(2015.11) 에불과, 중부지방을중심으로물부족문제심화 ( 발자국개념도입 ) 발자국 (Footprint) 는인간에의한환경파괴를나타내는척도로발자국개념도입이필요 ( 생태발자국 ) 국민한사람의일상생활이자연생태계에미치는영향을토지면적으로환산한수치 ( 글로벌헥타르, gha) ( 물발자국 ) 일상생활에서사용하는제품을생산, 소비하는데필요한물의양 (Liter) ( 탄소발자국 ) 사업장에서의직접배출원과간접배출원을포함한전과정에서의이산화탄소배출량 (ton) [ 그림 1.5] 각발자국의개념 수자원자체만의기존기술한계를극복하기위한물-에너지, 물-식량연계신기술개발과지속가능한활용방안필요 미국, 일본, 유럽등주요선진국을중심으로물관리에너지의효율화및수자원이갖는에너지의회수와적극적활용이적극적으로추진되고있음 국내의경우독립적으로구분되는이수, 치수, 물순환건전화등주요물관리이슈에대하여에너지, 식량분야를연계한통합적이고효율적인지속가능방안제시필요 - 6 -
온실가스저감및에너지효율개선차원에서에너지변환효율이높은열에너지활용도를높이고, 신재생열에너지이용을확대하기위한열자원현황조사및네트워크인프라구축요구 ( 기후변화대응확보로드맵, 2016) - 정부의정책방향을저탄소녹색성장으로설정하였으며, 2020년온실가스감축목표를 2020년온실가스배출전망치대비 30% 를감축목표로설정 - 지속가능한저탄소녹색도시조성을위한계획기준 ( 국토해양부, 2001) 이마련되고친수구역특별법 ( 국토해양부, 2010.12) 이제정되어물순환의회복과신재생에너지의사용을적극적으로요구하는개발정책확대 유역및도시의수자원 에너지인프라구축사업이국제사회의 Emerging Industry로급부상되고있음 - 전세계적으로다양한목적의기술융합단지개발및시티프로젝트가진행중이며, 이를통합하는스마트물관리의시장이동반성장하고있음 - 스마트시티의경우전체시장중수자원관리는약 10~15% 를차지하며, 연평균 11% (2015~2023) 의시장성장전망 (Navigant, 2014) 물 ( 에너지 ) 수요 공급, 물 ( 에너지 ) 순환, 재해방지 ( 수자원 : 가뭄, 에너지 : 전력부족등 ) 가종합적으로이루어지는정부차원의수자원중심연계통합솔루션필요 물-에너지자급률을향상시키기위해국내활용가능수자원다원화를고찰하고, 미활용에너지와의연계를확대하는인프라고도화기술이필요한시점임 필수자원인물, 에너지, 식량에효율성에대한기술개발은현재국토부, 산자부, 농림부에서개별적으로추진되고있으나자원간상호작용이단절되어, 통합및연계효과에따른자원확보와경제적효과가적어새로운 WEF Nexus 기술이시급 그간분산 개별적으로진행해오던자원효율성개선기술을다른자원의생산, 공급, 소비에연계하여국가차원의다부처신자원관리체계구축이목적 WEF Nexus는사회적, 경제적, 환경적으로서로다르거나경쟁관계에있는자원간이해관계를연계시킬수있음 기술융합형물-에너지-식량연계기술및운영 Tool 확보시급 세계자원시장개방확대로인한자원생산및소비흔적추적을위한통합운영관리시스템필요 자원안보실현을위한자원이용의효율성증대를위한기술필요 지속가능한물-에너지-식량안보연계를위한각자원이효율성이다른자원으로전달될수있는연계기술및운영 Tool 필요 - 7 -
한반도통일대비및지속가능목표 (SDGs*) 실현기여를통한국가적차원의 자원연계형국토관리정책개발및추진필요 통일대비한반도국토재창조필요 통일시북한인구의합류로정량적인인구가증가하며, 합류되는북한인구의남한생활수준도달과정에서물, 에너지, 식량등자원수요량급격한증가예상 북한의산업구조는중공업, 군수산업의에너지다소비형산업구조이며, 북한발전설비용량은 724만 KW로남한의 12% 규모임 UNFAO에서 2016년북한의식량이 69만톤부족할것으로예상 [ 그림 1.6] 한반도통일과 WEF 넥서스의필요성 기후변화로인한국내자원안보의위협 기후변화에따른강우강도, 지속기간, 발생빈도등기후지표의변화로물생산및소비예측의불확실성이증가하며, 이용가능한깨끗한물확보의어려움발생 - 8 -
국내에너지생산은해외의존도가높고, 원자력에의한에너지생산이집중되며, 신기후체제에따른 CO 2 감소의무량정책에신재생에너지개발및활용방안필요 식량자급률이 47.2% 수준이며, 비효율적인쌀지원정책및생산자고령화로식량안보의불안정성이예상됨 [ 그림 1.7] 기후변화에따른국내자원안보의위협 사업추진필요성 가 사회경제적측면 창조경제기반의자원연계를통한국민삶의질향상필요 기후변화등으로인해국제적인물부족심화에따라물의가치가지속적으로증대되고있어미래스마트물산업대응기술융합을통한창조경제실현 기후변화및물부족현상에대비하기위해서는기존의물관리에서탈피해기후, 환경, 산업, 기술정책등을포함한통합적관리체계필요 세계물시장개방확대로인해기술융합형중심의물-에너지- 식량연계기술선점시급 Nexus를통한국가자원안보달성및신규시장발굴등시너지창출과함 - 9 -
께, ICT를활용한수요관리시장구축, 신서비스산업육성및일자리창출기여필요 경제활동의주요투입요소인물과에너지, 식량등의상호연계 (nexus) 가경제성장등에미치는영향을예측하고, 장기적관점에서대응필요 물-에너지-식량통합 연계운영을통하여에너지부문비용을연 5조원, 용수생산및사용효율증가와식량생산-가공-유통비용 20% 절감기대 세계물-에너지-식량시장환경에대한국내여건 국내수자원사업시장규모는 2010년기준약 12조원규모이며, 수자원확보곤란, 환경악화, 용수부족심화등으로시장규모는더욱증가될것으로예상됨. 최근국제무역을통한물의이동을개념화한가상수 (Virtual Water) 이론이주목을받고있음 (Allen, 1998). 우리나라가상수수출입량을살펴보면 2007년약 400억톤의가상수를수입한것으로조사되어세계 5위의가상수수입국으로수자원의합리적관리에대한필요성이대두됨 [ 그림 1.8] 세계가상수흐름 (1996~2005 년, 물발자국네트워크보고서 ) 2014년전체에너지수요는 287.7백만 TOE( 석유환산톤 ) 이며, 이는세계 8 위에해당되는수요량임. 에너지원으로는석유 41.4%, 석탄 29.8%, 원자력 13.1%, 수력 0.3%, 신재생 0.2% 정도임. 한국에너지소비연평균증가율은 2.83% 로, 독일ㆍ프랑스ㆍ일본ㆍ미국등주요선진국이마이너스성장을보이는것과대조적으로계속늘고있음. 에너지의수입의존도가높은국내여건상신규에너지원창출과에너지생산및관리기술개발이필요함 [ 그림 1.9] 에너지수요전망및목표도 ( 출처 : 에너지기후변화편람, 에관공 ) - 10 -
소비구분 1 위 2 위 3 위 4 위 5 위 6 위 7 위 8 위 9 위 10 위 에너지 ( 백만 toe) 석유 ( 백만톤 ) 전력 (TWh) 중국 (2,257) 미국 (842) 미국 (3,962) < 표 1.1> 국가별에너지소비순위 (2009 년기준 ) 미국 (2,163) 중국 (405) 중국 (3,503) 인도 (676) 일본 (198) 일본 (997) 러시아 (647) 인도 (149) 러시아 (870) 일본 (472) 러시아 (125) 인도 (690) 독일 (319) 사우디 (122) 독일 (555) 프랑스 (256) 독일 (114) 캐나다 (522) 캐나다 (254) 한국 (104) 프랑스 (483) 브라질 (240) 브라질 (104) 한국 (438) 한국 (229) 캐나다 (97) 브라질 (426) 세계에너지협의회 (WEC, World Energy Council) 에서발표한에너지안보, 에 너지형평성, 환경적지속가능성등 3 개부문의목표이행정도를 2015 평가한 결과 2015 년도에는각각 101 위, 20 위, 94 위로심각한에너지안보의위협 [ 그림 1.10] WEC 2015 에너지안보지수 서방선진국들의경우에는최소한자국의주곡을거의자급하고있는상황이므로全지구적인식량위기는아시아및아프리카등의저개발국가들보다치명적일것으로예상됨. 반면, 국내의식량자급율은 2014년 49.8%( 곡물자급률 24%) 에불과하며, 세계 6위의곡물수입국으로 EIU 세계식량안보지수는 26위를기록하고있으나매년하락세를보이고있음. 최근국제곡물가격의급등은미국의투기자본과거대곡물기업들이가입등은국내식량안보에위협이되고있음 [ 그림 1.11] EIU 2014 식량안보지수순위 [ 그림 1.12] 주요국곡물자급률및곡물국제가격동향 - 11 -
기후변화, 도시화, 인구증가등으로물, 에너지, 식량자원에대한수요가증가함에따라이를뒷받침할기반에너지의필요성이증대하고있음 기후변화와같이기상학적스트레스증가와더불어, 국제적으로인구증가및도시화가확대될것으로전망되며세계경제포럼 (world economic forum) 의 전지구적위험도인지조사 에서도물, 식량, 에너지위기에대한심각성을강조함 전세계적으로인구가증가함에따라식량과청정식수에대한수요가과거대비 40% 증가함 도시화에따라에너지및수자원에대한수요가 50% 증가하였으며도시거주중산층증가에따라양질의음식을생산하기위한식재료와산업 / 경제 / 여가활동을뒷받침하기위한기반에너지의필요성이증대함 [ 그림 1.13] WEF 관련여건변화 물-에너지-식량은상호관련있는분야이므로 WEF의문제해결책을제시하고운영을최적화하며창조적혁신성을도모하는연구기획이필요함 물 ( 기상 )-식량-에너지는서로밀접한연관성을가지고있으며, 개별분야에서의문제는그자체로위기로그치지않고다른타분야의위험도를증폭시키는원인으로작용하게됨 - 과거와다르게교통, 물류등의발달로물, 식량및에너지의국가간의존도가더욱증가하는방향으로전개되고있으며, 세가지자원의연계성강화는결국상호위기를가중시킬것으로전망됨 - 세계수자원의 70% 는농업부문에서이용되고있으며, 에너지분야에서도자원개발단계, 화석연료를통한발전및냉각용수로서상당한수자원이이용되고있는등물과식량및에너지분야는연관성이크게증대되고있음 - 물, 에너지, 식량넥서스에서에너지와식량은필수자원이자 2차적생산물인반면물은 1차적인자원으로써물확보가우선되어야에너지, 식량이확보될수있음. 넥서스는자원확보에서물, 에너지, 식량의관계에서연계를통하여효율성을높이는것임. 해수담수화도해수라는물이있어서가능 - 바이오에너지부문에서도결국은안정적인수자원확보가가장핵심적인요소로인지되고있음 - 12 -
식량관련국제기구 FAO에서도물의중요성을인식함에따라식량-물-에너지넥서스가아닌물-에너지-식량넥서스라는타이틀로접근 물, 에너지, 식량등각요소들간의연계성을고려한효율성증대필요 - 물과식량의관계는주로농업과관련되어있으며관개용수를저류하는방법과농업용수를효율적으로공급하는기술이핵심임 - 물과에너지의관계는수력발전및수처리기술과관련하여효율적인유역관리및고효율의가용수확보기술이핵심임 [ 그림 1.14] 물 - 에너지 - 식량의상호관련성 에너지소비증가가예상됨에따라물수요도크게증가할것으로전망됨에따라 1) 물-에너지-식량의복합적상관성을고려한연구가필요함 에너지소비는 2050년에는 2005년대비 1.6배늘어나는것으로예상되며물수요도 11% 증가할것으로전망됨 - 2010년전세계물사용량의 15% 가에너지생산을위해사용되는것으로분석됨 (UN-Water, 2014) 세계적으로석유, 석탄및가스등의자원개발과더불어에너지발전의냉각수등이주요물소비분야이며, 최근바이오에너지와셰일가스등비전통자원의개발이확대되면서에너지와물의갈등이더욱심화되고있음 - 미국및유럽에서는발전에너지분야에냉각수의이용이전체담수이용량의 40% 이상을차지하고있음 (UN-Water, 2014) 우리나라는에너지분야에서국제정치 / 경제적상황에따라단기적공급차질과더불어가격안정성을크게위협받고있으며, 특히, 에너지자원의높은해외의존도등으로수급불안요소가존재하므로이를보완하기위한복합연구가필요함 1) UN 세계물개발보고서, 2012. - 13 -
우리나라는향후물-식량-에너지자원부족이예상되는가운데이를해결하기위한순환자원경제 4.0 시대에대한대비가필요함 자원을최소한효율적으로사용하면서도사회기능을제대로지탱할수있는연계기술을개발하면서지속가능한물-식량-에너지생산-가공-유통-소비시스템을구축해나가야하는시대가도래하고있음 순환자원경제 4.0은물-식량-에너지분야별빅데이터기반의공학기술들을결합해서자원의효율을높이고사용을대폭줄이는것은물론분야별자원재활용시스템까지를포함해사회기반을구축하는개념임 - 자료결합 ( 빅데이터 ), 기술결합 (IoT), 자원결합 ( 스마트그리드 ), 자원흐름 ( 가상수 ) 분야의결합을의미함 - 개별자원의차원에서벗어나, 자원확보, 자원확장 ( 재생, 재활용 ), 자원간결합, 자원융합의과정을내포함 - 자원의생산, 가공, 유통, 소비, 환원에대한이해를통해서, 공간자원 (3차원 ) 과시간흐름 (1차원) 을결합하여세계흐름 (4차원) 으로의경제를의미함 물-에너지-식량넥서스기술의도입은자원활용에대한통합적분석및효율적이용제고를위해필요함 동기술도입시자원활용에대한통합적분석이가능할것으로예상됨 - 현재자원의공급과배분에영향을주는기후변화와인구변화등으로자원의수요와공급이변화되는것을통합적으로평가할수있음 - 따라서자원공급에영향을주는요소들을고려한시뮬레이션분석이가능하여보다효율적인자원정책을수립할수있을것으로평가됨 동기술을활용하여특정지역에대한자원활용효율성평가가능 - 특정지역의물-식량-에너지의배분을통합적으로평가할수있음 - 특정지역의자원배분의효율성을평가할수있는기준을제시할수있을것임 - 따라서지역별자원배분의효율성을제고할것으로평가됨 물-에너지-식량넥서스기술은세계자원시장진출확대를위해필요함 세계는지속가능성개발을위한연구와기술개발이확대되고있음 특히개발도상국을중심으로자원활용기술에대한수요는증대되고있음 따라서스마트그리드등을비롯한물-에너지-식량넥서스기술을바탕으로국내자원기업들이세계자원시장진출을확대할수있을것임 나 정책적측면 국가과학기술심의회운영위원회의 정부 R&D 혁신방안실행계획 (2016.6) - 14 -
에따르면추격형 R&D 시스템에서선도형 R&D 시스템으로변화되고있음 특히관계부처합동으로기후변화대응기술의체계적인확보및활용을위해파리협정이행을국가 R&D 측면에서효율적으로지원하기위해 기후기술확보로드맵 (CTR, Climate Technology Roadmap) 수립하여 10대기후기술, 50개세부기술군을통해 30년 44백만톤 ( 연간 ) 의온실가스감축계획수립 국토교통부국토교통과학기술진흥원의 국토교통 R&D 중장기전략 (2014. 7) 에따르면 2023년까지 4대핵심전략중글로벌시장선도형기술개발, 융 복합신산업창출기반조성, 편리하고안전한국토공간조성등자원간연계를통해도출할수있는 3개분야 6조4천3백원규모투자계획 산업통상자원부한국에너지기술평가원의 2014 에너지기술이노베이션로드맵 (2014.12) 에따르면 17대프로그램, 75개프로젝트, 274개중점기술중타자원과의연계를고려한신재생에너지하이브리드시스템및에너지네가와트시스템등 7개프로그램 30개프로젝트의 1조9천억원투자계획 농림축산식품부의 제2차농림식품과학기술육성종합계획 (2016.1) 에따르면, 4대중점연구분야 50개핵심전략기술중기후변화대응및타자원과의연계를통한기술력확보사항인바이오에너지고효율생산및산업화기술등 8개핵심전략기술계획중 미래기후변화대응및국가필수자원안보체계구축을위해물기반국정아젠다로써의 Water-Energy-Food Nexus 국가실행계획필요 인구증가, 경제성장, 기후변화등의미래환경변화에대응하기위한한정적인자원들의효율적인활용이어려움에따라자원간의연계성을활용한지속가능한자원확보시급 물 / 에너지 / 식량의상호연관성을파악하고자원간의생산및소비연계를통해자원활용의효율성증대와다음세대를위한자원의확보방안필요 - 12년제6차세계물포럼 ( 마르세유 ) 에서물-에너지-식량 Nexus 필요성이대두되어, 15년제7차세계물포럼 ( 대구경북 ) 에서는물-에너지-식량 Nexus 가중점주제로제시됨 - UNFCCC에서는물-에너지-식량 Nexus를기후변화해결책으로제시 정부주도의물 / 에너지 / 식량관리체계의통합연계정책수립및실행계획필요 정부주도의물 / 에너지 / 식량연계를통한자원자립도개선필요 수량관리측면에서의 WEF 정책필요성 ( 원인 ) 기후변화로인한강수패턴변화와함께인구증가, 도시화로인한수 자원수요증가 - 15 -
( 필요성 ) 현재와같은물중심의수자원정책은물환경변화에대응한한계비용이증가할뿐만아니라지속가능발전달성에한계 - 농업-에너지분야의물사용정책과통합된물분야의정책필요 (WEF 넥서스 ) - 농업, 에너지, 물분야등다양한물수요를고려한물배분정책의정립필요 Ÿ 농업용댐재개발등기존수자원의효율적활용정책필요, 해수담수화같은신규물확보를위한에너지비용을고려한수자원정책수립필요 지금까지는물, 에너지, 식량을별개의자원으로사용해왔으나, 최근세자원간의상호연계성이부각되고있음 지금까지의물-에너지-식량-기후연계관련연구및정책은대부분개별요인들의분석또는기후변화에따른영향평가등에집중 한자원의순환변화가나머지자원에미치는영향을분석하여세가지자원을연계관리할수있는물-에너지 -식량연계해석기법에대한정책적필요성제기 세계각국의연구기관에서는 WEF Nexus 기술에대한개념을정립하고, 각자원간의데이터베이스를연계 통합하여관리하려는동향보임 - Water Security 보고서 (WEF, 2011) 에서는각요인간의영향을동시에고려할수있는넥서스접근법을새로운방법론으로제시 - UN Secretary General에서도사회, 경제, 환경을연계할수있는넥서스접근법의활용을제시 한반도통일대비및지속가능목표 (SDGs*) 실현기여를통한국가적차원의자원연계형국토관리정책개발및추진필요 - SDGs* : UN개발의제인새천년개발목표 (MDGs) 이후 Post-2015 시대로전환됨에따라글로벌아젠다로 17개의지속가능발전목표 (Sustainable Development Goals, SDGs) 를협의, 공표 ('15. 9) 하여 2030년까지수행하는국제사회의새로운개발의제 [ 그림 1.15] 지속가능목표 - 16 -
부처간의행정적인간격으로물 - 에너지 - 식량의연계성연구및정책수립이 어려움에따라다부처간체계적인협조및조직을구성할수있는정책필요 에너지, 용수해결방안및서로를고갈시킴이없이어느한자원을증가시킬수있는혁신적기술들을통합하는새로운국가정책이필요함 전세계적으로물이용과에너지생산의이해관계는서로상충함 - 샌디아고는해수담수화시설건설희망하고있으나, 많은에너지가소비되고, 전력공급에차질이예상되기때문에지역전문가들은건설을적극적으로반대함 - 런던도같은이유로 2006년제안된해수담수화시설을거부함 - 우루과이도시들은저수지용수를식수로사용할것인지발전용으로사용할것인지를선택해야문제에직면함 에너지및물안보는식량및경제성장과인과관계에있으므로에너지와물이갖는기회및위험을고려한정책추진이필요함 일반적으로에너지및물안보는국가의식량및경제성장과통계학적으로유의미한인과관계에있음 에너지공급과수리학적변동성은경제성장과관련되는핵심에너지-수리 -기후요소로, 농업뿐아니라경제전반에영향을미침 에너지와물이갖는경제적위험 / 기회의규모를고려한정책추진의우선순위를조율해야하며, 에너지리스크, 홍수 물부족위험, 환경비용, 식량의가격 ( 공급 ) 변동성등을통합적으로고려해야함 물과에너지는식량생산의제한요인이되는등해결이시급한문제이므로이의해결을위한정책마련필요 기후변화등을고려할때물과에너지의중요성을동시에중요하게고려해야하며, 상호의존성이강화되고있는식량안보에있어서도주요문제임 - 식량생산에필요한물과에너지의원단위를통합적으로관리해야하며, 물부족지역에서의농작물생산은해당지역의물부족을심화시킬수있으므로, 식량생산체계에서의물-에너지생산성에관심필요 산업측면에서는가치사슬관점에서물과에너지문제를이해해야하며, 물-에너지문제를가용성측면뿐아니라경제성장에미치는위험을고려하면서접근해야함 물-에너지-식량분야는강한연계성을갖기때문에, 단순한접근은부정적인영향을유발할수있으므로통합적 역동적평가와문제지역등지역세부사항을고려한접근필요 - 17 -
물-에너지-식량등의상호의존성을고려한인프라투자, 보조금등인센티브, 조세정책의설계필요 물이부족한국가는농작물수출을통해가상의물 (virtual water) 을수출하고있으며, 농업보조금등은이들국가또는지역의물부족을악화시키고장기적경제성장에장애요인이될수있음 선진국대부분은물-에너지-식량넥서스에서의기술혁신유도, 넥서스를고려하여에너지분야에물사용을줄이기위한대책을추진중임 장기적관점에서우리나라의신성장동력을확보하기위한넥서스관련적책마련이필요함 우리나라의수출시장확대관점에서정책의효과를파악하는것이중요하며, 넥서스는장기적관점에서신성장동력기회와위기를포착하는데도움이됨 - 우리의주요수출시장인아시아지역은물사용의비효율성과낮은비용회수 ( 거의무료 ) 로인해물, 식량문제가가중될것이며, 다양한분야를포괄하는넥서스관점을도입한통합물관리체계가필요할것임 식량및수자원정책은내 외부요인들에의해다양하게수립될수있으므로넥서스연계해석기반의자원관리시스템활용이필요함 넥서스연계해석기반의자원관리시스템은다양한식량, 수자원, 에너지정책시나리오를적용할수있으며, 외부요인으로기후및인구변화등을동시에적용할수있음 - 물-식량 -에너지넥서스기반자원관리시스템은개별자원의관리정책이타자원에미치는영향을효율적으로보여줄수있는도구로서활용도가높을것으로기대되며, 나아가각자원관리부처간의효율적인협업을유도할수있을것임 - 물, 식량안보및기후변화에대한다양한시나리오를적용하기때문에관련정책수립의영향평가부분에서활용될수있을것임 - 식량, 에너지의연계해석기술뿐아니라개별자원들의임계치및변동성의분석을동시에수행하기때문에개별분야의최적관리방안도출을위한기초자료제공이가능할것임 넥서스를통한자원관리는식량수요의변화와기후변화가자원수요 / 공급관리부분에미치는영향평가에이용할수있으며, 개별자원관리정책이타자원에미치는영향평가에도적용가능함 - 18 -
< 표 1.2> 기존의물 - 식량자원관리시스템과넥서스시스템적용의차이비교 구분기존의자원관리넥서스시스템기반의자원관리 수자원수요 / 공급 식량수급변화 에너지수급변화 기후요소적용 자원간연계 단위면적당필요수량산정 작물별재배면적활용 용수공급원중심의평가 ( 저수지, 지표수, 지하수 ) 작물재배면적을통한총수요량산정 산업중심에너지수요위주의관리정책 빈도별가뭄에따른수자원수요및공급량분석 기후변화에따른식량생산기능저하분석 개별자원단위의분석가뭄 - 수자원가뭄 - 생산량 식량수요변화에따른수자원사용량 - 식량소비패턴및식량자급률적용 - 물발자국을통한수자원사용평가 작물이용중심의공급량평가 토양수분이용가능평가 (Green water) 추가관개용수공급평가 (Blue water) Green water 와 Blue water 연계해석 식량소비패턴에따른식량소비량적용 식량자급율변화에따른가상수필요량산정 자원관리를위한에너지사용량관계적용 자원관리정책을위한에너지필요량고려가능 수자원공급과수력발전의유기적연계 자원별의기후변화영향평가연계가능 기후변화에따른수자원의효율적분배분석가능 시스템다이내믹스를이용한물 - 식량 - 에너지및기후영향의동시적용및상호피드백, 제한요소기능적용 미래기후변화및인구변화등의외부요인들에효율적으로적응및대응하기위해서는넥서스기반의자원관리정책필요 다양한자원이유기적으로연계되어있기때문에단일자원의개별정책으로관리하기에는한계가있음 자원의안보가전세계적으로중요한이슈로거론되는현시점에서농촌자원을지속가능하게활용, 보전할수있는관리정책지원시스템이필요한시점임 사회문화적수용성을바탕으로진화해가기위해서는처음부터국민과함께하는물-에너지-식량의연계기술중요 기술이실제국민의삶과국민이지불해야할것에대해알리는것중요 물-에너지-식량연계기술로인해편익을누릴수있는집단혹은지역과피해를감수해야할집단혹은지역에대해사전분석필요 빅데이터분석을통해국민들이물, 에너지, 식량각각에대해그리고물- 에너지-식량과의연계에대한감성과인식고려 물-에너지-식량의연계기술에대한사회문화적수용성에영향을미치는요인파악필요 - 19 -
기후변화로인한강수패턴변화와함께인구증가, 도시화로인해수자원중심의넥서스전략필요 우리나라의경우경제성장으로인한국민삶의질증가를위한자원필요와도시인구팽창에따른물, 에너지, 식량등필수자원에대한수요증가 - 서울의인구밀도는경제협력개발기구 (OECD) 에가입한선진국대도시들가운데가장높아균형발전정채을통한지방으로의인구분산시급 ( 국토연구원 ) 국내자원의대외의존성이높아국제자원시장에크게영향을받기때문에 WEF 넥서스에대한자립적자원확보시급 < 표 1.3> 우리나라연도별에너지해외의존도년도 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 의존도 (%) 97.22 97.20 97.33 97.14 96.87 96.74 96.62 96.49 96.56 96.45 96.22 자료 : 에너지경제연구원, 에너지통계연보 현재우리나라는기후변화적응기술개발에대한국가전반의현황파악및전략이부재하므로체계적인적응기술관리기반구축과더불어적응정책의수립지원을위한국가 R&D 전략및방향이필요한시점 ( 수자원중심의넥서스전략필요 ) 제2차국가기후변화적응대책 ( 15.12) * 의성공적추진과효과적이행을국가연구개발사업을통해체계적으로지원하기위한기술체계및실행전략마련시급 * 기후변화로인한영향을최소화하고국민의안전과재산을보호하기위해매 5년마다국가기후변화적응대책을수립하며, 15년제1차국가기후변화적응대책완료에따라제2차국가기후변화적응대책 (2016~2020) 을마련 우리나라의쌀자급률은 2013년현재 89.2% 를기록하지만, 사료를제외한곡물의자급률, 즉식량자급률은지난해 47.2%, 사료를포함한곡물자급률은 23.1% - 미국농무부의추정자료에따르면세계 130여개국중한국의밀 콩 옥수수등 3대곡물자급률은 2013년기준 1.6% 로하위 16번째에불과했다. [ 그림 1.16] 국내식량안보및식량자급률추이 - 20 -
다 기술적측면 불확실한미래환경대응방안마련시급 기후변화로인하여발생하는수자원부족 ( 고갈 ) 문제와물순환왜곡등을해결하기위한수자원자족 자립능력향상기술개발필요 - 인구증가로식량과에너지수요가늘어나는반면기후변화로인한환경변화는사막화확산, 물부족으로물공급력은축소되고있어물관리가더욱어려운실정임 (Pimentel and Pimentel, 2007) - 국내 2015년가뭄으로 3일까지강수량은평년대비 62%(2015.11) 에불과, 중부지방을중심으로물부족문제심화 전지구적인구변화, 토지이용변화, 도시화, 산업고도화등환경변화에따른자원간연계기술을이용한자원안보 국민생활패턴의변화로인한자원소비의형태에따른자원연계성의변화예측, 자원소비예측, 자원공급관리기술필요 물-에너지-식량연계성에서각자원에대한관리및운영기술은많은살례있지만아직까지연계성을이용하여자원간의효율성을찾는관리및기술필요 세계적으로물, 에너지, 식량의수급불균형이심화되고, 특히세자원이복합적으로연계되어상호위기가증폭될수있는실정 (Helleger et al., 2008) 물-에너지-식량의연계성연구및정책수립에있어서분야에걸친자료를통합할수있는빅데이터기반의 DB구축및인벤토리정의필요 국제적으로세자원의연계상황이선진국과개도국간에편차가크고, 사막지대등자연조건이열악한지역에서자원들간의위기연계성이높은상황이므로우리나라도물-에너지-식량의연계위기상황을정확히파악하고미래환경변화에대한대응기술방안수립이필요함 현재국내물관리에있어저수지나수리시설관리가제대로실행되지못하고있어이를방치할경우중장기적으로식량생산에있어물부족우려 ( 이종원, 2002) FAO는 Mekong River를대상으로 Hydropower Dam 건설사업의효과를 WEF Nexus 관점에서분석함 2) FAO에따르면 WEF 연계해석기술의개발에따라자원개발및사회기반시설물공급추진사업의기대효과를보다폭넓게평가할수있는것으로조사됨 2) Food and Agriculture Organization of the United Nations, 2014. - 21 -
< 표 1.4> Mekong River 댐건설사업의영향평가 3) 카테고리영향 식량안보 (Food Security) 에너지안보 (Energy Security) 물발자국 (Water Footprint) 연간 $ 476 million 의경제적손실 riverbank garden 의 54% 손실 침수를통해농지의 20% 손실 수산물자원 16% 손실 ( 연간 360,000 톤 ) 농지의 7,962 헥타르손실 연간 22,475 톤의쌀손실 2025 년예상수요의 6~8% 탄화수소기반전기의존도감소 석유및가스수입감소 전력수출및세금으로인한정부수입증가 일부지역의관개및농업생산성증가 식품재고및생산을위한물사용증가 가축생산에필요한물 7% 이상요구 논 17,866 헥타르를위한관개증가 사회경제적이득 (Socio-economic benefits) 약 79 억달러규모의일자리창출 2010 년부터 2030 년까지약 18 억 ~25 억달러규모의프로젝트수행 저수지로인해 6,942 명은직접영향을받으며 2 백만명은더높은리스크에노출됨 온실가스배출 2030 년까지온실가스 (CO2) 저감효과 5,200 만톤 (GHG Emissions) 미국 DOE는물, 에너지자원의연관성을통해자원이용시스템을평가하고미래시나리오를대상으로미래자원현황을예측하는등 Nexus 기술의효과를조사 분석함 4) 미국내에서이용되고있는물, 에너지자원의용도별현황을통해자원간연관성을파악하고, 이를기반으로다가올미래자원환경에대한검토를실시 3) Food and Agriculture Organization of the United Nations, 2014., Based on ICEM, 2010 and Orr et al., 2012 4) The Water-Energy Nexus: Challenges and Opportunities, U.S. Department of Energy. http://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/07/f17/water%20energy%20nexus%20full%20report%20july%202014.pdf, WETT(Water Energy Tech Team, 2014. - 22 -
< 표 1.5> 미국 DOE의 Nexus 기술의필요성및기대효과 Nexus 기술의필요성및기대효과 물에너지넥서스는수요와공급, 토지의이용및지표면, 인구 / 인구이동, 기술, 정책, 지역경제, 기후등과같은많은요소들에영향을받음 여러요소들에걸쳐향상된통합모델은더복잡한시스템간의상호작용과의존성의역할을반영할수있음 사용가능한데이터와정보는공간및시간단위의확장을필요로함 DOE 및기타기관을중심으로계층화된데이터지식은에너지및물- 에너지시스템의복원력을향상시킬수있는통찰력을제공할수있음 이해관계자의의사결정은다음사항을고려한통합프레임워크를요구함 - 질적, 양적시나리오 - 확률론적접근방법 - 시스템충격및한계에대한통찰력 - 불확실성의개선 국내에서는해외녹색산업정책보고서 ( 한국환경산업기술원, 2011) 에서 W-E-E (Water-Energy-Environment) Nexus 사업의일환으로미국남서부지역을대상으로실시된물, 에너지상호관계평가보고서에대해분석함 5)6) 동연구에서는물절약, 탄소배출량제한, 물과탄소배출제한등의시나리오를바탕으로해당지역에물을공급하기위한적정탄소, 전력, 물비용을분석하여차후당면할발전소건설및차세대개발계획등의타당성검토방안으로 Nexus 관련기술을활용함 정기문등 (2015) 은 WEF Nexus 기술의발전방향및기능적효과에대하여전망함 - WEF 연계해석을통한평가대상지역내부의자원이용효율평가 - 자원생산-분배계획의최적화를통한자원이용효율극대화 - 시나리오기반시뮬레이션을통한자원수급상황변동에따른사회-경제적영향평가 - 주요정책결정을위한기초자료제공및의사결정지원시스템개발 가뭄으로인한용수공급의우선순위를결정할때사회경제적파급효과를고려한의사결정을위해 WEF Nexus 연구가필요함 미국의경우 `15년 California 대가뭄시제한급수를결정하는과정에서사업장과가정에제한급수를차별하여면제하여형평성논란이있었음 - 연간 7000만갤런 (266,000톤) 의물을사용하는샌드오일프랙킹워터, 연간 5) 정기문, Albert Wicaksono, 강두선 (2015). WEF Nexus 기술이란? 한국수자원학회지물과미래, 49(4), pp. 38-43. 6) 한국환경산업기술원 (2011). 물 - 에너지결합 (Water-Energy Nexus): 서부지역의 물 - 에너지 전망 2100, 해외 녹색산업정책보고서 41(3). - 23 -
11억톤의물을사용하는아몬드농장, 152만톤의병물을생산하는다국적식품기업네슬레등막대한수자원을사용하는사업장은제한급수를면제함 - 플러쉬당 6리터의물을사용하는가정용수는제한급수대상에포함시킴 용수공급의우선순위결정은정확한경제효과분석에따른의사결정이필요 에너지생산, 지하수오염, 용수의취득, 처리등의과정에서물및에너지사용에있어서가치평가및경제적으로최적화된의사결정도출필요 화석연료를사용한에너지생산, 타르샌드나셰일오일로부터의원유생산을위한 Hydraulic Fracturing 이나, 바이오연료생산을위한식물재배등은많은량의물을사용할뿐아니라광범위한지하수오염을유발함 화력및원자력발전소로부터의배출되는고온의방류수는생태계의교란을가져올수있지만국가적으로종합적수요관리및예측필요 용수의취득, 이송, 배분, 처리과정에서에너지를필요로함. 지표수는지하수의취득보다적은에너지를필요로하며, 관개농법이천수답에비하여많은에너지사용을요구하므로합리적의사결정도출필요 수자원자체만의기존기술한계를극복하기위한물-에너지, 물-식량연계신기술개발과지속가능한활용방안필요 * 미국, 일본, 유럽등주요선진국을중심으로물관리에너지의효율화및수자원이갖는에너지의회수와적극적활용이적극적으로추진되고있음 * 국내의경우독립적으로구분되는이수, 치수, 물순환건전화등주요물관리이슈에대하여에너지, 식량분야를연계한통합적이고효율적인지속가능방안필요 물 ( 에너지 ) 수요 공급, 물 ( 에너지 ) 순환, 재해방지 ( 수자원 : 가뭄, 에너지 : 전력부족등 ) 가종합적으로이루어지는정부차원의수자원중심연계통합솔루션필요 물-에너지자급률을향상시키기위해국내활용가능수자원다원화를고찰하고, 미활용에너지와의연계를확대하는인프라고도화기술이필요한시점임 온실가스저감및에너지효율개선차원에서에너지변환효율이높은열에너지활용도를높이고, 신재생열에너지이용을확대하기위한열자원현황조사및네트워크인프라구축요구 ( 기후변화대응확보로드맵, 2016) * 정부의정책방향을저탄소녹색성장으로설정하였으며, 2020 년온실가스감축목표를 2020 년온실가스배출전망치대비 30% 를감축목표로설정 * 지속가능한저탄소녹색도시조성을위한계획기준 ( 국토해양부, 2001) 이마련되고친수구역특별법 ( 국토해양부, 2010.12) 이제정되어물순환의회복과신재생에너지의사용을적극적으로요구하는개발정책확대 유역및도시의수자원 에너지인프라구축사업이국제사회의 Emerging Industry로급부상되고있음 - 24 -
* 전세계적으로다양한목적의기술융합단지개발및시티프로젝트가진행중이며, 이를통합하는스마트물관리의시장이동반성장하고있음 * 스마트시티의경우전체시장중수자원관리는약 10~15% 를차지하며, 연평균 11% (2015~2023) 의시장성장전망 (Navigant, 2014) 국제적으로 Water-Food-Energy Nexus 를학술적으로비중있게다루고있음 7) `16 년 AWRA Spring Specialty Conference 에서는 Water, Energy, Environment 를 Conference theme 으로다룸 국가의사회 경제적인파급효과를고려하여 Nexus 연구를통한물, 식량, 에너지안보증대가필요함 세계적으로겪고있는물부족현상은농업부분의현저한생산력감소를가져올것임 넥서스기술중물자원의지속성 효율성에대한연구는전기요금인하등사회경제적인분야로파급되는효과를가져올수있음 - 태평양연구소 (Pacific Institute) 에따르면가뭄으로인하여수력발전대체수단으로천연가스가전력생산의주에너지원이되면서, 주민들은전기요금을 24억달러더납부한것으로나타남 8) 자원경쟁시대에도달하여주목되는기술인 WFE Nexus 기술표준에대한선진기술개발을통해국가위상을높일수있으며, 국가자원안보증대를위해주요정책결정의방향성을제시할수있음 - 자본은풍부하나자원이부족한일본, 싱가포르, 스위스등의선진국가또는자원은풍부하나효과적인관리가어려운개발도상국들에수출하여국가위상을높일수있음 기술적용대상지역특성및영향범위의유의성을고려한 WFE Nexus 기술표준개발은향후물, 식량, 에너지산업에국한되지않고관련분야를포괄하는다양하고광범위한신수종개발에기여할것임 물-에너지-식량문제해결을위해서는 6가지융합기술이필요함 6가지융합기술은신재생에너지담수화, 워터그리드를이용하는전력수요관리, 초절수형화력발전기술, 용수효율성개선, 연료효율성개선, 고속인공광합성기술 (AAP: Accelerated Artificial Photosynthesis) 등임 - 물-에너지산업과관련해서는넓은범위에서다양하게사용할수있는신재생담수화와워터그리드를이용한전력수요관리기술들이가장큰파급력이있고, 실현가능한수익모델이될것임 7) 2016 AWRA Spring Specialty Conference (Sheraton Anchorage, Alaska, April 25-27, 2016) 8) Pacific institute, http://pacinst.org/issues/water-energy-nexus - 25 -
Ÿ Ÿ 신재생담수화기술은우리나라의주요수출지역인중동, 중국, 미국같은지역에서시장기회가예상됨신재생에너지융합담수화는화석연료같은전통적에너지발전방식에대한의존도를낮춰주기때문에태양광발전, 풍력발전같은신재생에너지기술역시, 물을이용한융합기술못지않게장기적으로다양한영역에서널리쓰일것으로예상됨 농업부문영향과해소를위한 WEF 연계 농업수익증대를위해물을집약적으로사용하는농법사용 ( 수막재배, 수경재배등 ) 하수의부문별한취수로물순환에부정적인영향 - 지하수사용에대한넥서스 지하수관리주체명확화하는물기본법필요 - 농업용수사용요금면제제도로인한농업용수관리미흡 - 하천수회귀수량의측정부재로인한물관리정책수립이어려움 에너지부문영향과해소를위한 WEF 연계 유역전체적인물공급을고려하지않은오직발전수익극대화를목적으로물사용 - 물의다용도를고려하지않은수력발전만을목적으로수력발전댐운영 - 전력공급확보를위한발전소건설에따른물공급수요증가 - 발전을위해냉각수사용등발전극대화를위해물사용 Ÿ 충남서부지역가뭄 (2015년) 당시전력예비율 (20% 이상 ) 에여유가있었음에도발전3사가발전을위해보령댐의물 23% 사용 Ÿ 발전용수와이수용수의적절한분배 ( 예 : 한강물관리일원화 ) Ÿ 재생에너지를활용한물에필요한에너지공급 물분야영향과해소를위한 WEF 연계 도심내하천복원, 수변레저수요증가, 환경생태유지등물에대한신규수요가증대되는반면기후변화로인해물공급불안정성이증가 - 필요수자원을확보하기위해서는높은사회적비용필요하며, 신규수자원을확보하는것도어려운상황 - 도심하천유지용수공급을위해에너지필요 - 농업, 에너지분야의비효율적인물사용에대해물공급정책어려움 Ÿ 물의지역간, 산업간이동을위한정책거버넌스형성 - 26 -
< 표 1.6> 부문별위기원인, 영향및 WEF 넥서스를통한해소방안 Energy Water Food 원인 영향 해소방안 - 기후변화로인한강수패턴변화 - 인구증가, 도시화, 도심내하천복원, 수변레저수요증가, 환경생태유지등물에대한신규수요로인한수자원수요증가 - 물공급불안정성증가 수자원 에너지 (-) 수력발전량감소 (-) 화력발전량감소 (-) 수력발전용수와이수용수의상충 (-) 가뭄시물공급을위한높은에너지필요 에너지 수자원 (-) 신재생에너지사용으로인한수자원소비증가 (-) 정수, 물재이용, 하수처리에에너지사용증가 (-) 해수담수화전기에너지과다사용 - 전력에서사용되는수자원정보수집 - 전력과수자원통합관리및감시시스템구축 - 수자원사용을최소화하기위한기술개발 - 수자원이용우선순위 - 친환경해수담수화정책 - 생활용수 - 공업용수 - 농업용수 - 환경용수 - 하천유지용수 - ( 해수담수 ) - 하천회귀수 물의지역간, 산업간이동을위한정책거버넌스 광역 - 지방상수도통합지원 수자원 식량 (-) 작물생산에영향 (-) 농업용수확보를위한지역간갈등 (-) 홍수로인한농업생산감소 (-) 해수담수배출수의수산자원영향 (-) 가뭄과홍수대응수자원이동성 ( 치수와작물생산영향 ) 식량 수자원 (-) 식량소비증가로인한수자원사용량확대 - 지하수통합관리 : 수자원기본법제정 - 적은수자원으로식량생산을증대할수있는기술개발 - 수리권재정립을통한수자원의효율성확보 - 통합홍수대책수립및 4 대강활용 수질분야영향과해소를위한 WEF 연계 수질관리를위해많은정책을입안하고수행하고있으나많은비용이소요되고근본적인해결에는한계 - 물수질관리에농업부문및에너지분야참여필요 - 유역관리측면에서통합적수질관리정책필요 - 주변토지활용을위한통합적상수원보호구역정책 - 발전소, 농업, 친수공간활용을위한토지경합에대한통합적정책필요 농업부문에서의수질영향 - 수익성극대화측면에서가축및농작물재배 ( 비료사용증가, 수자원상류에서농업활동증가 ) 로수질오염악화 Ÿ 가축분뇨배출등비점오염관리미흡, 고랭지재배등수자원상류에서의농업활동증가로하류에녹조발생및탁수발생의원인 Ÿ 상수원보호를위해수변구역매수를통한경지면적감소 Ÿ 비점오염원관리에대한넥서스필요 친환경농업의지원 - 27 -
Ÿ 작물경작토지감소를고려한수변관리정책넥서스 Smart Farm 에너지부문에서의수질영향 - 발전냉각용수활용으로인한수질악화및수온증가로인한수생태계에영향 Ÿ 물이필요한발전소조건에따라물확보필요 Ÿ 방류수질기준강화등수질고려한에너지정책필요 물분야에서의수질영향 - 상수원보호구역으로인한수질관리문제, 적정수질기준유지 ( 청계천과같은도심내물을이용한수변공간창출, 상수원보호구역규제로인한수변개발제약문제 Ÿ `용수공급을위해약품, 고도정수처리등으로인해에너지증가및수질관리비용증가 Ÿ 정수, 하수처리에에너지사용증가 Ÿ 녹조로인한하천관리비용증가 Ÿ 안전한물공급위험성증가 Ÿ 수변도시등물관리를위한물-에너지정책넥서스 Smart Nexus City 원인 영향 해소방안 < 표 1.7> 수질에관한원인, 영향및 WEF Nexus 를통한해소방안 Energy Water Food 냉각수로인한수질또는수온악화농업비료사용 ( 비점오염원 ) 수자원 에너지 ( 수질악화 ) (-) 수질확보를위한상당한에너지소비 (-) 정수, 물재이용, 하수처리에에너지소비증가 (-) 상하수도수질개선을위한에너지소비증가 (-) 수변공간확보를위한에너지소비증가및발전부지감소 에너지 수자원 (-) 냉각수배출로인한수온상승및수질악화 (-) 발전시설로인한수변공간수질악화 - 소규모댐과소수력 - 냉각수재활용및새로운냉각기술의개발 - 수변공간와발전부지의합리적조정 ( 이격거리등 ) 수질 - 녹조 - 하천수질 - 상하수도수질 - ( 해수담수 ) 분절화된물관리 ( 통합입법과 계획, 거버넌스, 대통령직속위원 회설치등 ), 수자원 식량 (-) 작물경작토지및작물생산감소 (-) 녹조발생 (-) 해수담수배출수로인한수산자원감소 (-) 수변공간개발로인한수질악화 ( 수변과수자원의관계 ) 식량 수자원 (-) 농약등사용으로인한수질악화, 건강위험성증가 (-) 농업용수사용증가 - 농업용수사용에대한정보구축 - 농업용수에대한관행수리권조정및합리화 - 친환경농업정책 - 상수원보호구역정책의변화 - 수변공간과농경지의조정 노후관망개대체 ( 수질개선및물이동에너지절감 ), 해외사업진출 ( WEF 연계 및합작투자진출 ), 신재생에너지 ( 수상태양광발전 ) - 28 -
2 절. 사업기획수립체계및절차 사업기획수립체계 가 사업추진을위한융합형기획연구추진 多學制간연구진구성이필요하며, 타분야의전문가들을활용한지속적이고유기적인협업을통하여융복합기획연구추진 産 學 硏 官등의분야별역할별활용계획 ( 先 ) 부처별연구기관 ( 後 ) 다부처협의를통한타분야공감대형성 기획연구추진체계 주관기관 (K-water연구원) 을중심으로자문위원회및기획위원회구성 분야별전문가들로구성되어세부과제및추진체계설정및타당성분석을위한자문위원회및관, 학연, 산업계및국외전문가중심의최종목표및범위설정을위한자문위원회구성 기술수요및시장분석, 정책적 / 기술적 / 경제적타당성분석을위한공동연구구기관과협업추진 자문위원회, 기획위원회, 공동연구기관과능동적인협력체계를유지할수있는주관기관내분야별전문가구성 [ 그림 1.17] 기획연구추진체계 - 29 -
나 기획위원회 자문위원회구성및운영 각분과별전문가를통한자원의개별요소및연계기술도출을위한기획위 원회구성및운영 [ 그림 1.18] 기획위원회구성 다 기획연구체계추진절차 기획연구체계추진절차는크게동향분석및수요조사, 기술개발전략수립및연구내용설정, 연구개발과제기획및사전타당성검토등 3단계로구성 기획연구는연구기관과기획및자문위원회로구분하여역할을나누어추진되며, 3단계의추진일정에의거하여최종 RFP 및사전타당성분석시행 [ 그림 1.19] 기획연구추진절차 - 30 -
사업기획수립을위한주요추진일정 내, 외부기획연구진회의 ( 16.02.03) 어떤연구, 어떤결과물을도출할것인지에대한구체화필요, 핵심은데이터관리및축적 타겟설정이분명히필요하며, 새로운내용제시, 정량화된비전및목표설정필요 부처별핵심기술파악및시너지연계의정량화도출 외국의평가툴에대한구체적사례조사및국내실정에적합한툴개발 분과장및간사기획연구진회의 ( 16.03.23) K-water에서먼저컨텐츠를설정후각분야의아이디어취합필요 국토부양능력향상을고려한기술간넥서스추진및사회적수용성고려필요 정책, 입법, 환경, 경제전문가참여필요 금번기획에서기술개발과정책제안이병행되어야함 식량분과기획연구진회의 ( 16.04.01) 4개의세부분야설정 (1기후변화-WEF 연계적응기술 2 식량분야가상수 D/B 구축및활용기술, 3 농업취약지역 WEF 연계자립기술 4 농업시설재배 WEF 최적연계기술 ) 물이용에대한식량생산성뿐만아니라배출된용수재활용기술개발필요 Smart water Grid 와의연계필요, 테스트베드 ( 경기북부, 파주, 전남영산강 ), 도농복합농업고려 1차서면자문시행 ( 16.04.01~13) 기획위원및관련전문가서면자문시행 ( 총 25명응답 ) 물-에너지-식량연계기술개발사업추진필요성 ( 사회적, 경제적, 정책적, 기술적측면 ) 국내외에서의일반적인 WEF 넥서스개념및정의 국내외에서의 WEF 넥서스기술사례, 정책현황및전망, 기술및시장동향 - 31 -
경제정책분과기획연구진회의 ( 16.05.02) 새로운성장동력, 미래신산업측면고려, 경제적효과필요, 환경 / 일자리 / 안보등구체적정책목표 정보수집및분석, 정책의연결 (Top down), 경제적효율성, 갈등해소방안고려 W-E 의경우수력발전과냉각수에집중하여여러정책이슈발굴필요 효율성 (Efficiency), 정보공개투명성 (Transparency), 경제성 (Economic), 갈등해소 (Governance) SWG 학회기획세션 ( 16.05.11) WEF 넥서스평가툴필요, 큰틀에서의시각, 자원간의존성파악 메콩강유역의넥서스개념적용해외진출마련필요 ( 캄보디아 : 메콩강상류댐건설에따른물부족 ) 벼재배방법개선 (SRI, System of Rice Intensification) 을통해논용수 12억톤 ( 안동댐저수량 ) 확보가능 Inventory 구축, 모형개발, 적용성평가의순서로진행필요, Trade-off 의명확한정의필요 SWG 학회고위급좌담회 ( 16.05.11) 다부처, 학계등의통합거버넌스를통한이니셔티브형성및전략마련 新기술과연계한 WEF 자원의효율성증진방안반영 WEF 넥서스실행전략의구체적목표설정과계량화제시필요 - ( 구체화 ) 스마트팜 시티, 수출상품화전략기술개발과제등 - ( 계량화 ) WEF 넥서스영향을체감형과학적수치산정으로국민공감형성 국내실정에특화된한국형 WEF 넥서스실행을위한리딩전략수립 KWRA 기획세션 ( 16.05.26) 효율성, 경제성과함께정의, 형평성, 빈곤퇴치도함께고려 스케일설정필요 ( 글로벌또는로컬적용 ), 각자원간연계간흐름파악이중요 자원의정확한데이터생산및효율적연계, 정보공유플랫폼필요, 국민적관점에서접근 수요자입장에서고려필요, 지자체, 소비자단체, 기업등도중요한이해당사자임 - 32 -
한국몽골워터프로젝트워크숍 ( 16.06.22) 물-에너지-식량넥서스기술개발기획과제소개 몽골정부는 Nexus 컨셉을국가수자원정책방향에적극반영하고자노력 국토가넓고인구가적은몽골특성상 ICT 기반의마이크로스케일의넥서스적용필요 AWC Nexus 분과회의 ( 16.08.11) WEF 넥서스의물산업사업화를위한방안필요 추진필요성에는공감, 기존연구와의차별성부각필요 Smart City와의차별성을부각할필요 부산국제물포럼기획세션 ( 16.08.31) 제4회부산국제물포럼기획세션 K-water 주재 - Asian Perspectives in Water-Energy Nexus 인도네시아 6대강에서의 WEF 넥서스적용사례, WEF 개념및적용방안, 물-에너지의협력방안주제발표및전체패널토론 1차기획연구타당성검토위원회 ( 16.09.23) 동향분석을통한문제설정및방향제시필요 - 개별요소기술위주로사례분석이되어있어실제 WEF 넥서스관점으로보완필요 - 각자원간넥서스부재로인한문제를먼저설정하고미래넥서스의수요와넥서스를통해무엇을해결할수있는지제시필요 WEF 넥서스의개념을구체화하여기술의실체제시필요 - 넥서스기술의적용타겟 ( 국내, 국외등 ) 의설정, 기존요소기술의업그레이드인지연계 / 통합인지명확한정의필요 - 기존에추진되어온각분야별해결노력과현재제시하고있는방향사이에큰차이가없으므로추가적인기술수요조사필요 - 실현가능한분야부터단계적접근을통한기획필요 비전-목표-추진전략간연계를강화필요 - 물안보, 자원연계를통한효율제고등다중의관점에서비전, 목표, 전략이기술되고있으므로연계강화필요 - 추진전략에서기술과정책을나누어제시하는방안도검토바람 - 33 -
후보과제수요조사실시 ( 16.10.12) 현재기술수요조사는 2016년 11월초까지진행하여다양한전문가를대상으로조사수행함 조사기간은 2016년 10월 10일부터 11월 4일 (4주) 간진행 조사대상은내부기획연구진 (K-water 연구원, 날리지웍스 ), 분과별기획전문가위원 (35명), 수자원학회, 농공학회, 신재생에너지학회, 상하수도학회등 4개학회회원을대상으로함 조사방법은 E-mail을통한설문조사로수행함 현재까지 43개의기술아이템이제안되었음 대한민국국제물주간 (KIWW) 2016 기획세션 ( 16.10.20) KIWW에서의 WEF Nexus 국제세션 K-water 주재 - ( 주제 ) 아시아지역의물안보및지속가능개발목표달성을위한물-에너지- 식량넥서스 토론내용 - 아시아물안보를위한물-에너지-식량넥서스컨셉 ( 대진대학교 ) - 성장의새로운패러다임-WEF 넥서스 (K-water) - 농업에서의넥서스적접근-농업관개분야의넥서스기술 (FAO) - 아시아물위원회몽골워터프로젝트소개 (GWP) - 에너지기술전환의사례연구 ( 녹색기술센터 ) - 물발자국으로본한국에서의물과식량의평가 ( 한국농어촌공사 ) 아시아및세계적물-에너지-식량연계기술필요의공감대도출 수요조사보완및장단기분석을위한서면자문시행 ( 17.01.09) 장기추진과제의비전, 미션, 과제내용에대한적절성및수정 / 보완 / 추가사항등의견제시 장기추진과제가운데단기추진과제를위해시급성을고려한우선순위도출 WEF Nexus 국제컨퍼런스개최 ( 17.02.17) ( 주제 ) 기후변화대응물-에너지-식량넥서스전략국제컨퍼런스 ( 時 / 所 ) 2017. 2. 17( 금 ) 13:00~18:00 / 서울전경련회관 3층에머랄드홀 ( 참석 ) K-water임직원, 국외전문가, 공기업, 학계및민간 120여명 발표자및패널토론 - 34 -
- 기조연설 : Ms. Louise Whiting (UNFAO) - 주제발표 : 이을래박사 (K-water융합연구원), 김수덕 ( 아주대학교에너지시스템 ), 김성준 ( 건국대학교농공학 ), 류권홍 ( 원광대학교법학전문대학원 ) - 패널토론 : 장석환 ( 대진대학교토목공학, 좌장 ), 정관수 ( 충남대학교토목공학 ), 김정인 ( 중앙대학교자원경제학 ), 백영석 (LG전자에너지사업센터 ), 강두선 ( 경희대학교토목공학 ) 컨퍼런스주요내용 - WEF 넥서스기술개발과정책개선의필요성과공감대확립 - WEF 넥서스기술을통한미래신성장동력방향논의 - 35 -
2 장. WEF Nexus 개념및사업의범위 1 절. WEF Nexus 의개념 국제기구에서의 정의 BONN2011 Nexus conference Green economy에대한하나의해법으로물-에너지-식량넥서스가제시되었으며, 물, 에너지토지의생산성과이용성은지역간, 생산시스템간상당히변경될수있으며생산과소비에서전체적인자원이용효율성과편익을증가시킬수있는방대한잠재력이있음 (The Water, Energy and Food Security Nexus Solutions for the Green Economy) UNESCAP 2013 넥서스의관점은어려움을이해하고기회를모색함으로써물식량에너지의상호의존에초점이맞추어져있으며, 넥서스접근은시공간의물-식량- 에너지의상호연결을인지하여물, 에너지, 식량의안보를개선하고분야간외부적성질과연계관점에서의의사결정을언급하고, 지속가능성에서의이행을지지하는데그목적이있음 FAO 2014 물-에너지-식량넥서스는복잡하고상호관계가있는전지구적자원시스템의본성을묘사하며, 온전한생태계를유지하는동안다른자원사용자목적과관심에다른자원들을균형을맞추는데있음 World Water Development Report 2014 물-에너지-식량은불가분하게연결되어있으며이러한연결속에많은시너지와상호교환이있으며, 이러한시너지인지및상호교환균형은물-에너지-식량안보를공동으로보장하는데중심이있음 International Renewable Energy Agency (IRENA) 2015 물-에너지, 식량넥서스는정책, 개발, 연구글로벌아젠다의중심에있으며, 이러한관점은넥서스가자원한계에도달하는국제상황에서빠르게증가하는자원수급을충족할수있는노력이라는것에대한결정적인역할이라는증거임. - 36 -
접근방향및사례 가 국내외 접근방향 BONN2011 Nexus conference, World Economic Forum 2011, International Centre for Integrated Mountain Development 2012 등에서는물 - 에너지 - 식량 (WEF) 의복합적상호관계의이해및연계활용방안에대해논의함 9) < 표 2.1> WEF 의요소별자원안보 구분 물안보 (water security) 에너지안보 (energy security) 식량안보 (flood security) 내용 (1) 물에대한접근성 (access), (2) 물의안전성 (safety), (3) 물의적정비용 (affordability) (1) 수요에대한에너지공급의연속성 (continuity), (2) 에너지공급의물리적가용성 (availability), (3) 적정비용에서의수요에대응하는공급 (1) 식량의가용성 (availability), (2) 식량에대한접근성 (access to food), (3) 시간적변화에따른식량의안정성 (stability) BONN2011 Nexus conference 에서수자원으로중심으로물, 에너지, 식량 안보요소를향상시킬수있는프레임워크을제안함 [ 그림 2.1] BONN2011 Nexus conference WEF 프레임워크 9) Livia Bizikova, Dimple Roy, Darren Swanson, Henry David Venema and Matthew McCandless (2013), The Water Energy Food Security Nexus: Towards a practical planning and decision-support framework for landscape investment and risk management, International Institute for Sustainable Development (iisd), p.28-37 -
World Economic Forum 2011 에서는정책결정권자로하여금안보요소의 위기에따른경제적위험성에대한이해를돕고대응할수있는방안을마 련할수있는틀을제안함 [ 그림 2.2] World Economic Forum 2011 WEF 프레임워크 International Centre for Integrated Mountain Development 2012 에서는환경시스템차원에서의세가지안보요소의역할에대해언급하고있으며, 요소별 trade-off를최소화하고, 이익 (benefit) 를극대화할수있는틀을제공함 상기프레임워크는공통적으로물-에너지-식량요소별 trade-off 평가가가능한보다능동적인시스템개발의필요성에대해지적함 - 이를위해서는시 공간적으로중 장기차원에서다양한지역특성을반영할수있는멀티스케일 (multiscale) 시스템이요구된다고분석함 - 이러한시스템개발을통해요소별 trade-off를감지하여최적의밸런스를유지하고, 각요소별시너지를극대화함으로써지속가능한개발이촉진될수있음을강조함 - 목적을달성하기위한고려사항을제시함 Ÿ 이해당사자간 ( 관련정책결정권자 ) 의 WEF의특성및연계성에대한이해를높이고, 필요하다면직접적으로 WEF 요소들의혜택을누리고있는직접적인당사자들 ( 일반인 ) 의 WEF의 trade-off에대해서인지시키고실질적인 action plan 제시 Ÿ WEF 요소간의 trade-off를반영한정책개발 (development), 정책조정 (coordination), 정책조화 (harmonization) 수행 Ÿ 부처간이해당사자 (multistakeholder) 또는필요에따라일반인수준까지 WEF 요소에대한정보공개및공유 유통 Ÿ 혁신적인 WEF 관련연계기술개발을위한투자확대 - 38 -
[ 그림 2.3] ICIMOD2012 에서제시된 WEF 프레임워크 International Institute of Sustainable Development(IISD) 는기존프레임워크를수정 보완하여생태시스템 (ecosystem) 관리측면에서의 WEF 프레임워크를제시하였으며, 동프레임워크는실제실행가능성을목적으로보다실질적인연구, 정책, 투자, 행동에대한종합적인접근법에근거함 10) IISD의 WEF 프레임워크설계를위해각각의 WEF 요소에대한독립적인원형프레임워크를설계하였으며 WEF 각요소별중심에 이용 (utilization) 을위치시킴 그위로 접근 (access) 에대한레이어가있으며, 이는어떻게해당지역의구성원이물, 에너지, 식량에접근하는지를설명하고있으며, 그사례로서구입, 물물교환, 자체생산등의내용을포함하고있음 [ 그림 2.4] IISD 에서제시한 WEF 요소별분석프레임워크 10) Livia Bizikova, Dimple Roy, Darren Swanson, Henry David Venema and Matthew McCandless (2013), The Water Energy Food Security Nexus: Towards a practical planning and decision-support framework for landscape investment and risk management, International Institute for Sustainable Development (iisd), p.28-39 -
그다음으로는 가용 (availability) 에대한레이어가있으며, 이는 WEF 각요소에대한 접근 은각요소의가용성에근거하고있다고정의하고있으며, 그사례로서수량, 관개시설물, 농업생산, 식품가공, 에너지생산및공급등을포함하고있음 IISD는 WEF- nexus 실현을위해두가지외부요인을고려하여프레임워크를확장함 11) IISD의 WEF 프레임워크를이용하여분석을수행하기위해서는프레임워크의중앙에서바깥방향인 이용 접근 가용 순으로진행됨 정책결정권자는각요소에포함되어있는다양한세부요소들을조합하여 WEF 개별요소별정책방향또는대응방안을수립할수있음 두가지외부요인은자연및인프라적 (natural & built system) 요인과인위적 (human systems) 요인임 프레임워크는 WEF 연계를위한기본적인맞춤형분석틀을제공하게되며, 이는투자계획, 정책마련, 피해평가등실제적인계획수립및정책결정지원을위한기본정보를획득할수있음 [ 그림 2.5] IISD 에서제시한확장된 WEF-NEXUS 분석프레임워크 동프레임워크를활용하여 WEF Nexus 계획을수립함 - (Stage 1) WEF 시스템평가 ( 현재현황분석, 과거스트레스요인및대응책분석, 현시스템운영시미래리스크예측 ) - (Stage 2) 미래시나리오구체화 ( 미래가용자원에대한정보수집, 불확실성평가, 대응방안수립 ) 11) Livia Bizikova, Dimple Roy, Darren Swanson, Henry David Venema and Matthew McCandless (2013), The Water Energy Food Security Nexus: Towards a practical planning and decision-support framework for landscape investment and risk management, International Institute for Sustainable Development (iisd), p.28-40 -
- (Stage 3) 미래 WEF를위한투자 ( 미래시나리오작성및정보공유, 계획수행을위한투자전략수립 ) - (Stage 4) WEF 시스템변화 ( 시스템변화를위한지속적인커뮤니케이션, 실행, 모니터링후적응및개선 ) [ 그림 2.6] IISD 에서제시한 WEF Nexus 계획수립과정 Aquasis Solution 은물을중심으로하는 Nexus 프레임워크를제시함 12) Aquasis Solution 은비영리단체이며물의보존이현재 Nexus 문제에본질 적인해결책이될것이라주장 [ 그림 2.7] Aquasis Solution 이제시한 Nexus 개념 12) http://www.aquasis-solutions.ch/about-us/who-we-are/ - 41 -
Tony Allan et al.(2015) 은기존의 Water-Food-Energy Nexus를 Grand Nexus 라고명명하고세분화된체계로 sub-nexus를제시함 13) 각각의 sub-nexus가 Grand-Nexus로통합되는것이 Water, Energy, Food 안보문제해결에시작점이될것이라주장함 [ 그림 2.8] Tony Allan et al.(2015) 이제시한 Nexus 체계 Biggs 등 (2015) 은생계가지속적인발전을위한중요한요소로언급하면서, 물, 에너지, 식량과함께더나아가생계와관련된각인자들의상호관계를프레임워크로제시함 14) 동프레임워크는정책결정자에게있어보다확실한의사결정을가능하게할것으로기대됨 [ 그림 2.9] 생계, 물, 에너지, 식량에영향을주는각인자들의상호관계 13) Allan, T., Keulertz, M., & Woertz, E. (2015). The water food energy nexus: An introduction to nexus concepts and some conceptual and operational problems. International Journal of Water Resources Development, 31(3), 301-311. 14) Biggs, E.M., Bruce, E., Boruff B., Duncan J.M.A., Horsley, J., Pauli, N., McNeill, K., Neef, A., Ogtrop, F.V., Curnow, J., Haworth, B., Duce, S., Imanari, Y. 2015. Sustainable development and the water-energy-food nexus: a perspective on livelihoods. Environmental Science & Policy 54, 389-397. - 42 -
에너지경제연구원은물, 에너지, 식량등각자원의이용과정에의해상호간에영향을미치는주요 Activity를국제및국내현황에따라구분함 15) 동연구원은지역별현황에적합한 WEF Nexus 기술의방향및개념을정립하기위해서는자원의이용과정에따른타자원의소모현황을체계화시키는것이중요함을제시함 [ 그림 2.10] 국내 외자원간상호연관성 < 표 2.2> 주요에너지부문의물사용량 에너지원 주요물수요부문 물사용량 (m³/gj) 원유 생산및정제 1.058 석탄 생산 0.164 천연가스 생산및수송 0.109 우라늄 생산및가공 0.086 자료 : 자원고갈가속화전망과국가안보차원의대응방안연구, 에너지경제연구원, 2014. 정기문등 (2015) 은 WEF Nexus 기술의정의및활용방향을제시함 16) WEF Nexus 기술이란, 인류가필요로하는다양한자원중, 물 (Water), 에너지 (Energy), 식량 (Food) 자원의연계성을파악하고, 자원을효율적으로이용하기위한통합관리기술을의미함 물, 에너지, 식량세가지자원의생산, 공급, 소비를한눈에분석하여효율적인관리를통해국가별, 지역별정책시나리오, 전지구적인자원의이용및분배전략을결정하기위한기초자료로활용하여각각의자원을효율적으로관리할수있도록해야함 미래물, 에너지, 식량자원의안보를위협하는요소와그위험성을파악하고이를 WEF Nexus의특성을통해질적, 양적으로개선하기위한움직임을내포함 15) 자원고갈가속화전망과국가안보차원의대응방안연구, 에너지경제연구원, 2014. 16) 정기문, Albert Wicaksono, 강두선 (2015). WEF Nexus 기술이란? 한국수자원학회지물과미래, 49(4), pp. 38-43. - 43 -
나 기술실증사례 수력댐일원화를통한수자원확보량분석 ( 물-에너지 ) ( 목적 ) 기건설되어운영중인수력발전댐과다목적댐의통합관리를통한수자원관리및효율성증대 ( 현황 ) 현재전체전력상산량에서수력발전이차지하는비중은 1% 도채안될정도로낮아졌고전력예비율에도여유가있음 ( 효과 ) 한강수계에한강수계에있는수력발전댐을다목적화해실시간통합연계운영하게되면약2.4억m3의홍수조절용량및 5.4억 ~8.8억m3의용수공급능력을추가로확보할수있으며, 이는최근건설중인영주댐 ( 저수용량 1.8억m3, 1조1,000억원 ) 을 3~4개정도추가로건설하는효과 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 - 1,000MW급원전 5개규모 [ 그림 2.11] 수상태양광개요 - 44 -
< 합천댐 > < 보령댐 > [ 그림 2.12] 수상태양광설치현황 시설원예의지열냉 난방시스템공급사례 ( 에너지-식량 ) 국내농업분야의경우대체열원에대한관심부족및온실에서사용하는경우온풍기나온수보일러에비하여상대적으로큰초기투자비용으로지열냉 난방시설의적극적인보급에한계 - 정부의초기설치자금지원지원제도지속적추진 지열보급활성화 시설원예의총경영비중난방에지출되는비용은재배작물에따라약 19~58% - 난방에너지원의약 92% 가유류인화석에너지 ( 지열 ) 지중 ( 토양, 지하수, 지표수등 ) 이태양복사에너지나지구내부의마그마열에의해보유하는에너지로서연중일정한온도유지 에너지사용료 - 그림2.13 a) 와 b) 의비닐온실에너지사용료를보면, 경유난방설비만 100% 가동했을때보다지열을 90%~50% 로가동했을때의에너지사용료가 2/3가량절약되는것으로나타남 < 표 2.3> 비닐하우스의에너지비용 (1,050m 2 ) diesel electri city Sorting Geothermal hearing pump system 50% 60% 70% 80% 90% 100% Diesel 100% l 3,821 3,056 2,292 1,528 764-15,282 thousand-won 4,302 3,442 2,581 1,721 860-17,208 kwh 65,886 79,064 92,421 105,418 118,596 131,773 thousand-won 7,965 3,558 4,151 4,744 5,337 5,930 - diesel+electricity thousand-won 7,267 6,999 6,732 6,465 6,197 5,930 17,208-45 -
a) 1,050m 2 b) 2,376m 2 c) 4,140m 2 d) 9,384m 2 [ 그림 2.13] 비닐하우스면적별에너지비용 - 그림2.13 c) 와 d) 의 4,140m2과 9,384m2유리온실에너지사용료는, 경유난방설비만 100% 가동했을때보다지열을가동했을때에너지사용료가각각 1/3, 1/5수준으로나타나에너지사용량이절약되었고, 부하분담비율은클수록에너지사용료가줄어드는것으로나타남 - ( 초기투자비용회수 ) 온실생애주기기간 (20년) 동안지열 (70% 부하부담 ) 냉 난방시스템을사용했을시, 초기투자비를각각 5년 (1,050m2비닐온실 ), 7년 (2,376m2비닐온실 ), 4년 (4,140m2유리온실 ), 2년 (9,384m2유리온실 ) 차에회수 17) No-till Farming( 무경운농업 ) 경운을통한토양의교란없이해마다작물을재배하는방법으로서미국내무경운재배와같은보존형경운재배의증가로토양침식약 10억톤감소및침전물관리비용이 35억달러절감 (The Conservation Technology Information Center, 2002) [ 그림 2.14] 무경운농법 17) 류연수등, 시설원예의지열냉 난방시스템경제성분석, 한국태양에너지학회논문집 Vol. 64 32, No. 6, 2012-46 -
- 무경운재배의다른효과 Ÿ 농기계관리비용감소 ( 에이커당 3.9 갤런의연료절감 ) Ÿ 농약유출 70% 및용수유출 69% 감소 Ÿ 탄소배출이줄어들면서온실가스배출감소 Ÿ 새와동물을위한개선된서식지제공 국립식량과학원, 2012 - 저비용 저에너지 저탄소벼재배법제시 Ÿ 기계이앙대비약 50% 경영비절감 - 기후변화관련물부족시벼재배양식별물절약대책기술제시 Ÿ 연간 15.6억톤 /892천ha 관개용수절약 System of Rice Intensification(SRI)( 벼비담수화관개 ) 논의농업 ( 관개 ) 용수절감및생산성향상을위한벼재배방법 - 농업용수 10% 줄이면 12.7억톤확보가능 (2020년기준약 4.3억톤용수부족전망 ( 수자원장기종합계획, 2011)) 국립식량과학원, 2012 - 생산량 : 관행대비 50-100% 이상 ( 동남아시아저개발국가의생산성기준 ) - 용수절약 : 관행대비약 25 50% 의관개용수를절감 - 오염물저감 : 20-50% 의비점오염부하저감 - 볍씨의사용량 : 50-200% 절약 농림식품부, 농어촌공사, 2011 - 관개용수사용량 : 관행대비 49.4% 의농업용수절감 - 수확량 : 관행대비 109-120( 백미기준 ), 120-130( 완전미기준 ) - 온실가스 : 관행대비 71.8% 온실가스감축 - 만약모든논에 SRI방법을적용하여약 40% 의농업용수가절감된다면약 51억톤용수확보가능. - [ 그림 2.15] 담수재배와 SRI 농법 - 47 -
Nexus ewater Recycler 시스템 미국샌디에고에위치한 Nexus ewater 사 ( 社 ) 는혁신적인건물내물재이용시스템을개발을통하여가정물사용량 34% 및하수용수 70% 절감, 에너지 25% 절감 - 지속적인가뭄등에대처하고정원용수등을확보하기위한새로운대체수자원의욕구증가 - 대규모주택개발사업과연계, 건축물시공초기에빌트인 (built-in) 시스템으로단독건물단위로물재이용시스템을설치, 공급 - 건물내목욕탕배출수및세탁기등가전제품배출수를재이용하여정원용수, 화장실용수, 청소용수등으로재활용하는시스템 (Nexus system) 을개발 미국 Tracy시 ( 市 ) 는도시전체에물재이용을위한파이프매설과재이용수급수시스템을계획중 ( 재원 : $33백만불 ) [ 그림 2.16] 재이용수수집탱크및밸브시스템 역상수도관로대원수를이용한제2롯데월드수열에너지냉난방시스템 추진배경 - 댐호소수, 광역원수등수열원의풍부한부존량을활용하여수열에너지사업활성화 R&D전략수립필요 - 미국, 일본등선진국에서는이미하천수등담수를신재생열원으로지정, 도시열공급원으로활용하고있음 - 현재선진국에서는바다, 강, 하천, 호수등의온도차를이용하는대규모신재생에너지의개술개발 보급이확대되고있으나, 국내는지하열의온도차를이용하는소규모형태가대부분인실정 수열에너지의개요 - 수열에너지이용원리 Ÿ 하천수, 호수, 해수등에포함되어있는물의온도에너지를직접또는열펌프로회수하여건물의냉난방및급탕에이용하는시스템 기존냉난방시스템에비해 20~40% 에너지절감효과 - 48 -
[ 그림 2.17] 수열에너지냉난방시스템 해수담수화 ( 역삼투, 정삼투 ) 에너지소모절감사례 역삼투해수담수화에너지소모절감에따른물생산단가변화 - 분리막제조기술의발달, 에너지회수장치등을비롯한해수담수화관련공 정기술발달로에너지소모량이감소하는추세 - 해수담수화플랜트에너지소모절감을통해물생산단가절감가능 구분 에너지소모량 (kwh/m 3 ) 물생산단가 ( 원 /m 3 ) < 표 2.4> 지역별해수담수화에너지소모량및물생산단가 Ouat I 플랜트 (1972, 프랑스 ) Liobregat (2009, 스페인 ) Melbourne (2012, 호주 ) 9.8 3.9 3.6 1,862 741 684 정삼투해수담수화공정도입에따른물생산단가추가절감 - 냉각탑보충수생산에정삼투공정을사용할경우약 46% 의에너지소모 절감효과발생 [ 그림 2.18] 정삼투해수담수화공정 18) - 49 -
[ 그림 2.19] 해수담수화공정방법에따른에너지소모량및보충수량 < 표 2.5> 해수담수화공정방법에따른에너지소모량및보충수생산단가 구분 에너지소모량 (kwh/m 3 ) 보충수생산단가 ( 원 /m 3 ) 역삼투 ( 에너지회수장치포함 ) 역삼투 ( 에너지회수장치미포함 ) 정삼투 ( 유도용액재이용 ) 4.1 5.0 1.9 779 950 361 물-에너지동시생산을위한역삼투-압력지연삼투하이브리드공정 - 역삼투-압력지연삼투하이브리드공정활용시물 에너지동시생산및역삼투공정농축수희석방류를통한환경영향감소가능 - 압력지연삼투공정에서생산되는에너지를역삼투공정운영에활용하여전체공정의에너지소모량절감효과발생 혼합비료용액을활용한정삼투해수담수화공정 - 정삼투해수담수화공정은자연삼투현상을이용하여이론적으로에너지가필요치않으나, 음용수생산을위해서는에너지가소모되는유도용액 (draw solution) 분리공정이필요 - 혼합비료용액활용정삼투해수담수화공정 (Fertilizer drawn FO, FDFO) 은고농축비료용액을유도용액으로사용하며, 희석된혼합비료용액은직접혹은나노여과를거친후관개용수로사용이가능 호주 New South Wales주 Newstan Colliery에서 FDFO-NF 파일럿시스템이운영된바있으며, 전체공정의회수율약 49% - 정삼투 : 막모듈총면적 20.2m2 (8040 CTA 막모듈 2개병렬연결 ), 유입용액 (feed solution) 으로광산오염지하수처리수, 유도용액 (draw solution) 으로 18) Nicoll P. et al, Forward osmosis applied to evaporative cooling make-up water, Cooling Technology Institute, 2012-50 -
SOA( 비료 ) 이용 - 나노여과 : 막모듈총면적 7.9m2, 25 bar 운전 (4040 TFC 막모듈 1 개 ) [ 그림 2.20] 음용수생산을위한정삼투해수담수화공정 [ 그림 2.21] 관개용수생산을위한비료용액활용정삼투해수담수화공정 19) 19) Forward osmosis to desaliinate saline water with minimum energy for fertigation, Ho Kyong Shon, IDW6 2014-51 -
2 절. 사업의범위 동기획에서의 접근방법 단일자원확보의목적보다연관된모든자원의상호작용을고려한다각적측면의자원효율성증대를고려함 (As-Is) 자원의생산, 공급소비의과정에서발생되는자원간연계에대한효율성보다는단일자원확보를위한효율성에초점을맞추어기술적측면에서자원효율성증대를강조 (To-Be) 산업생태계에서순환되는자원간상호작용을활용하여 Trade-off 를줄이거나시너지를확대하여, 연계된모든자원의생산, 공급, 소비효율성증대에집중하여기술, 사회, 정책, 법등을포함한다각적측면의자원효율성증대 [ 그림 2.22] 자원의효율성증대방향의전환 - 52 -
동기획에서는자원안보및경제적효과를나타낼수있는 Industry 4.0기반 WEF Nexus 기술및정책연계를고려함 미래환경의불확실한자원흐름을미리예측하고선제적인대응을위해물- 에너지-식량의생산, 공급, 소비과정에서자원간연계 (Nexus) 를활용함 [ 그림 2.23] Industry 4.0 기반국내물 - 에너지 - 식량넥서스 동기획에서의 사업의범위 앞선개념에서정립한 WEF Nexus는다각적인자원효율성증대를위해기술, 사회, 정책, 법적인요소들이결합되어야하므로동기획에서의 WEF Nexus 사업의범위는이를포함할수있도록설정함 사업의범위는향후동기획을통한사업영역으로도출가능한모든기술분야를포괄하는프레임으로제시함 동기획을통해도출되는사업영역은대내외환경분석, 내외부전문가논의및기술수요조사등을통해구체적으로설정함 동기획사업의범위는 넥서스 DB 공유체계및영향평가툴 ( 의사결정지원시스템 ), 넥서스요소기술및 ICT 기반연계기술, 정책 / 제도개선및新물관리거버넌스 의 3가지범주로구분함 넥서스 DB 공유체계및영향평가툴 은생산-공급-소비정보체계수립을통해탄력적인자원연계가술개발및관리체계를구축하고시나리오기반자원연계영향정량적 정성적평가방안제시를위한기술분야임 넥서스요소기술및 ICT 기반연계기술 은자원요소기술을개선하거나개발하고기후변화대응맞춤형자원연계솔루션및의사결정시스템제시를위한기술분야임 - 넥서스요소기술개선및개발을통하여 1차적자원효율성을증대시키고이러한요소기술들을연계함으로써요소기술들에내재되어있는효율성을 2차적으로극대화할수있음 - 53 -
[ 그림 2.24] 넥서스요소기술 정책 / 제도개선및新물관리거버넌스 는한국형 Nexus 모델개발및 현지적정기술개발및실증, 범정부적정책결정전략및글로벌사업진출 및확대전략도출을위한전략기술분야임 - 54 -
3 장. 국내외주요동향분석 1 절. 국내외 WEF Nexus 관련메가트랜드분석 미국 확실하게예측가능한미래변화 4 대메가트랜드중하나로 물, 에너지, 식량 위기 로전망함 [ 그림 3.1] 미래전망결과 (NIC) 2030년에식량수요는현재보다 35% 이상증가할것으로예상되나생산성은지속적으로하락중 - 세계의식량생산성은 1970~2000년 2% 에서오늘날 1.1% 로감소했고, 지난 8년중 7년은식량생산보다소비가많았음 세계의연간물수요량이현재유지가능한물공급량을초과할것으로예상 - 2030년연간물수요량은 6조 9천억m3에달하며이는현재공급량을 40% 초과되는수준 향후 15~20년간에너지수요가약 50% 증가할것으로예측되나핵심화석연료증산및새로운에너지개발로대응가능할것이라는낙관주의도존재 - OPEC의증산및대규모의비전통식공급원 ( 암석층에존재하는석유및가스 ) 의출현으로 2035년까지세계에너지생산은완만하게상승할것으로예상 - 미국은막대한양의셰일가스확보가가능해짐에따라에너지자립및수출국으로전환도가능할것으로예상 - 55 -
식량, 물, 에너지관련자원기술 (Resource Technologies) 은전세계적수요증가에대응하여생산성향상을가져다줄것으로전망함 유전자변형작물 (Genetically Modified Crops) : 본래유전자를조작하여생산성및상품의질이향상된작물을개발하는기술 - 인구팽창과기후변화문제에직면한세계에충분한식량과연료를공급해줄수있음 - 유전자변형작물의시장진입시기단축과안전성확보가중요 정밀농업 (Precision Agriculture) : 종자, 비료, 물등투입요소의사용을줄여환경을보호하면서작물의수확량을증대하고품질을향상시키는기술 - 비용효율화와자동화가실현된정밀농업은식량안보해결에중요한역할을하게될것 - 농업장비가격절감과소규모농장으로의확장성이주된장애물 물관리 (Water Management) : 물의사용효율성을높일수있는기술 - 높은효율성을가지는미량관개기술 (micro-irrigation)13) 은농업용수관리향상을위한핵심기술이될것 - 미량관개기술도입비용을줄이는것이중요한과제 바이오기반에너지 (Bio-Based Energy) : 생물량으로부터에너지를생산하는기술 - 비식품생물량기반의바이오기반에너지는식량안보증진에중요한역할을할것 - 기술의비용경쟁력해결이주된장애요소 태양에너지 (Solar Energy) : 태양광또는태양열을이용하여전기에너지를생산하는기술 - 다른에너지원에서생산되는전력보다가격경쟁력을갖추게되면새로운에너지원으로더욱각광받을수있음 - 태양광이있을때만발전할수있는간헐적에너지원이라는한계를극복할수있는에너지저장및하이브리드시스템기술필요 Global Risks 2014 에서제시한발생가능성과영향력이큰 10 대글로벌위험 요인중에 4 개의항목이직 간접적으로물안보, 식량안보와관련됨 - 56 -
[ 그림 3.2] 글로벌위험요인간의연계도 (WEF, 2014) 기후변화보고서 적응을통해기후변화영향의위험을줄일수있지만, 기후변화의규모가커지고진행속도가빨라질경우그효과성은제한될수있기때문에보다즉각적적응행동을할가능성이높아질경우미래의선택권과준비성향상 완화와적응사이뿐만아니라각기다른적응대응들사이에도부수적이익, 시너지효과및트레이드오프 (tradeoff) 가존재하며, 이러한상호작용은지역내와지역간모두에서발생 완화및적응노력이증대될수록이들사이에존재하는상호작용관계는더욱복잡해지며, 수자원, 에너지, 토지이용그리고생물다양성간의관계도더욱복잡해짐 기후변화완화와적응에부수적이익에포함되는 Actions - 기후를변형시켜건강을위협하는대기오염물질의배출을고효율에너지와청정에너지자원을통해저감 - 도시녹지확대및수자원재활용을통해도시지역의에너지및수자원소비를감소 - 지속가능한농업및임업 - 탄소저장과기타생태계보호를통한생태계서비스 기후변화에대한혁신적인변화를고려하지않고기존시스템에소극적인변화는오히려적응비용과손실이커질수있으며, 관련기회를충분히활용할수없기때문에변형적적응을계획하고이행하기위해서는관련패러다임을강화, 변경및조정해야함 - 57 -
[ 그림 3.3] 기후변화에따른식량안보 (IPCC, 2014): a) 최대잠재어획량의전지구적재분포전망 ; b) 기후변화에의한농작물수확량의변화전망 온실가스로인하여기후시스템을이루는모든구성요소들은장기적으로변화하여, 결국인간계및생태계에심각하고광범위한부정적인영향을미칠것으로전망 기후변화는미래식량안보에도부정적인영향을미칠것으로예상되며산업화이전수준과비교하여지역기온이 2 혹은 20 세기후반수준이상으로상승한다면, 열대및온대지역에서밀, 쌀및옥수수의수확량은감소할것으로전망 전지구적으로해양종이재분포될것이며기후변화에민감하게반응하는지역에서는해양의생물다양성이감소하여, 해양의어업생산성및기타생태계서비스가지속되기어려울것으로예상 대부분의건조아열대지역에서재생가능한지표수와지하수자원을고갈시켜지역간수자원경쟁을심화 도시지역에서기후변화로인한위험이증가할것으로전망되는데, 기후변화는폭염스트레스, 폭우, 내륙과연안지역의범람, 산사태, 대기오염, 가뭄과물부족, 해수면상승및폭풍해일등을통해도시지역의주민, 자산, 경제및생태계에위험초래 - 필수적사회기반시설과공공서비스가갖추어지지않았거나기후변화에대한노출정도가높은도시의경우기후변화위험증대 비도시지역에서기후변화의영향에가장민감한부문은수자원가용성및공급, 식량안보, 기반시설등으로예상 - 58 -
[ 그림 3.4] 기후변화에의한대륙별주요위험및위험저감잠재성 (IPCC, 2014) 국내자원관련트렌드분석 국내의경우경제성장로인한중산층증가와도시인구팽창에따른물, 에너지, 식량등필수자원에대한수요증가 국내자원의대외의존성이높아국제자원시장에크게영향을받기때문에 WEF Nexus를통한자립적자원확보시급 기후변화로인하여발생하는수자원부족 ( 고갈 ) 문제와물순환왜곡등을해결하기위한수자원자족 자립능력향상기술개발필요 - 2015년가뭄으로 3일까지강수량은평년대비 62%(2015.11) 에불과, 중부지방을중심으로물부족문제심화 수자원자체만의기존기술한계를극복하기위한물-에너지, 물-식량연계신기술개발과지속가능한활용방안필요 미국, 일본, 유럽등주요선진국을중심으로물관리에너지의효율화및수자원이갖는에너지의회수와적극적활용이적극적으로추진되고있음 국내의경우독립적으로구분되는이수, 치수, 물순환건전화등주요물관리이슈에대하여에너지, 식량분야를연계한통합적이고효율적인지속가능방안제시필요 물 ( 에너지 ) 수요 공급, 물 ( 에너지 ) 순환, 재해방지 ( 수자원 : 가뭄, 에너지 : 전력부족등 ) 가종합적으로이루어지는정부차원의수자원중심연계통합솔루션필요 - 59 -
물-에너지자급률을향상시키기위해국내활용가능수자원다원화를고찰하고, 미활용에너지와의연계를확대하는인프라고도화기술이필요한시점임 온실가스저감및에너지효율개선차원에서에너지변환효율이높은열에너지활용도를높이고, 신재생열에너지이용을확대하기위한열자원현황조사및네트워크인프라구축요구 ( 기후변화대응확보로드맵, 2016) 정부의정책방향을저탄소녹색성장으로설정하였으며, 2020년온실가스감축목표를 2020년온실가스배출전망치대비 30% 를감축목표로설정 지속가능한저탄소녹색도시조성을위한계획기준 ( 국토해양부, 2001) 이마련되고친수구역특별법 ( 국토해양부, 2010.12) 이제정되어물순환의회복과신재생에너지의사용을적극적으로요구하는개발정책확대 유역및도시의수자원 에너지인프라구축사업이국제사회의 Emerging Industry로급부상되고있음 전세계적으로다양한목적의기술융합단지개발및시티프로젝트가진행중이며, 이를통합하는스마트물관리의시장이동반성장하고있음 스마트시티의경우전체시장중수자원관리는약 10~15% 를차지하며, 연평균 11% (2015~2023) 의시장성장전망 (Navigant, 2014) 소결 필수자원인물, 에너지, 식량에효율성에대한기술개발은현재국토부, 산자부, 농림부에서개별적으로추진되고있으나자원간상호작용이단절되어, 통합및연계효과에따른자원확보와경제적효과가적어새로운 WEF Nexus 기술이시급 그간분산 개별적으로진행해오던자원효율성개선기술을다른자원의생산, 공급, 소비에연계하여국가차원의다부처신자원관리체계구축이목적 기후변화및자원안보의위기대응을위한국제적트렌드가변화하고있으며, 특히전세계적으로미래국가경제, 자원안보에대한기술선점을위해국가차원의과감한투자및전략저액션플랜이수립중 ( 미국 ) 2012 NIC 글로벌트렌드 2030, ( 중국 ) 2015 China's WEF Road Map (EU) EU s Horizon 2020 Programme (7년간 800억유로 ) 에넥서스주제포함 자원간연계효율성증대를통한지속가능사회조성및미래신성장동력창출요구 - 60 -
2 절. 국내외 WEF Nexus 관련정책동향 국내 관련정책현황및전망 가 관련국가상위계획 본사업의주요연구내용인물-에너지-식량연계 (Water-Energy-Food Nexus) 기술은 13년 2월박근혜정부국정과제중 쾌적하고지속가능한환경조성 의 99. 기상이변등기후변화적응, 100. 안정적인에너지수급및산업구조선진화, 101. 신재생에너지보급확대및산업육성등과밀접한관련이있음 또한기후변화대응을위한에너지신산업육성의구체적성과를창출하기위해관계부처합동으로 에너지신산업활성화및핵심기술개발전략이행계획 ( 15~ 17) 을수립하여제8차경제관계장관회의에서발표하였으며주요사업들의본격적추진및성과도출을위해본연구결과는직접적으로적용되어야함 나 부처별관련정책계획과 넥서스의역할 물, 식량, 에너지의관리를주관하는부처가다르기때문에 ( 국토교통부 ( 물 ), 산업통산자원부 ( 에너지 ), 농림축산식품부 ( 식량 )) 자원연계의정책필요 [ 그림 3.5] 부처별중장기기술정책방향및 WEF Nexus 의역할 - 61 -
기후변화대응을위한 에너지신산업및핵심기술개발전략 ' 이행계획 ( 제 8 차경제관계장관회의, 15.4.22) - 기후변화대응기술혁신과제, 에너지신산업추진계획, 주요프로젝트 국내수자원관련법령은통일된수자원관리에관한법률없이각분야별개별법체제로구성됨 부처별및기능별개별법이수평적인법체계를구성하고있어수자원계획및정책을통합적으로관리하기곤란한문제점을안고있음 - 환경부가 `환경정책기본법`, `수질및수생태계보전에관한법률` 등 11개법률을운영하고, 국토교통부는 `하천법`, `댐건설및주변지역지원등에관한법률` 등 5개법률을운영중임 < 표 3.1> 한국의물 - 에너지 - 식량관련법률현황및소관부처 분야관련법률명소관부처 수질 수량 환경정책기본법 수질및수생태계보전에관한법률 오수 분뇨및축산폐수의처리에관한법률 하수도법 4대강수계특별법 먹는물관리법 수도법 먹는물관리법 하수도법 ( 처리수재이용 ) 4대강수계특별법 지하수법 ( 수질부분 ) 하천법 하천구역편입토지보상에관한특별조치법 댐건설및주변지역지원등에관한법률 지하수법 ( 수량부분 ) 소하천정비법 온천법 해양심층수의개발및관리에관한법률 환경부국토교통부안전행정부해양수산부 전력 전원개발촉진법 산업통상자원부 식량 농어촌정비법농림축산식품부, 해양수산부 유역관리재해관리 4대강수계특별법 친수구역활용에관한특별법 자연재해대책법 재난및안전관리기본법 저수지 댐의안전관리및재해예방에관한법률 농어업재해대책법 환경부국토교통부안전행정부 ( 소방방재청 ) 농림축산식품부, 해양수산부 - 62 -
현재하천법이물관리의기본법적인역할을수행하고있으나, 개별법이라는한계로통합수자원관리체계구축에는미흡하여이를통합적으로관리할수있는법률제정필요성이대두됨 소관법령의개별성과분절성때문에소속기관과산하기관은물론지방자치단체역시집행과정에서심각한혼란에빠지면서높은거래비용을지불하고있는것으로나타남 - 수질관리와수량관리관련법령의이원화로인해서중복현상이심화되기때문에환경부와국토교통부의조직개편과기능조정이선행된후에관련법령의체계화작업을수행하는것이요구됨 < 표 3.2> 부처별물-에너지-식량관련주요법률과법정계획현황법률관련계획주요내용 국토계획과환경계획의연계성환경정책기본법 국가환경종합계획 (20년) 강화수질및수생태계 수질및수생태계보전 수질및수생태계보호보전에관한법률계획 (10년) 환경부 4 대강수계특별법 오염총량관리기본계획 4 대강유역통합관리및주민 지원 하수도법 하천법 국가하수도종합계획 (10년) 유역하수도정비기본계획 (20년) 수자원장기종합계획 (20년) 유역종합치수계획 (10년) 하천기본계획 (10년) 수질및하수도관리 이수 치수 하천관리 수질오염의측정 ( 환경부 ) 국토부 지하수법 지하수관리기본계획 (10 년 ) 지하수의이용및관리 댐건설및주변지역 댐건설장기계획 (10년) 지원등에관한법률 이수 치수, 댐건설및주민 지원 행자부소하천정비법 소하천정비종합계획 (10 년 ) 소하천관리 산업부에너지기본법 국가에너지기본계획 (20 년 ) 에너지정책기본방향수립 농림부 농어촌정비법 농어촌용수이용합리화 계획 농어촌용수의효율적인 개발 이용및보전 국내물관련장기계획은부문별 ( 수량관리, 수질관리, 재해관리 ), 용도별 ( 생 공용수, 농업용수 ) 또는관리대상별 ( 지하수, 지표수, 해수 ) 로수립되고있어, 각기관의정책을효율적으로조정하기곤란함 각부처별근거법에의한물-에너지-식량관련주요계획을분석해보면, 환경부는 `수질및수생태계보전계획`, 국토교통부는 `수자원종합계획`, 안전행정부는 `소하천정비종합계획`, 농림축산식품부는 `농어촌용수이용합리화계획` 등을소관계획으로관리하고있음 - 63 -
전문가들은이러한물관리계획들이상호합의된구조적연계성 (structural connectivity) 을갖지못하고별개로운영되고있다는점을지적하였으며계획의작성주기는물론용어와주된관심영역이서로다르기때문에관련계획간에도커다란벽이존재함 계획의조정은단순히업무협조로해결될수있는부분이아니기때문에조직개편과기능조정이선행되어야함 - 국토교통부와환경부의물관리관련조직의개편과기능의조정 통합이먼저이루어지고, 나아가소관법령의통합과소관계획까지통합이이루어지는것이바람직함 다 국내수자원정책한계및전망 수자원장기종합계획 (2011~2020) 은수자원의생산및소비양방향정보를실시간으로관리하여최적화된활용의필요성및수자원개발방향을제시함 동계획에따르면국내상수도보급률및수력발전시설용량증가에도불구하고이상기후에의해지역적물공급의안정성및형평성이취약하며물부족대처능력이부족할수있음. 지역간물이용에대한합리적조정방안이부재하여물부족상황에대한국내수자원갈등상황이더욱가중되고있으므로수자원확보 관리기술과첨단기술을접목하여수자원의공급신뢰성, 안정성및효율성을향상필요성을제기함 기후변화에따른국내자원안보환경의예측및공업 (Energy) 및농업 (Food) 용수로활용되고있는물이용량을파악하는등 WEF Nexus 기술의개념및필요성에부합하는수자원개발방향을제시함 국토교통부자원간연계개발및지원정책필요성 세계물시장개방확대로인해기술융합형중심의물-에너지-식량연계기술개발과물위기대응및스마트물산업선도를위한수자원중심의자원관리기술개발은국토교통부에서중점적으로추진하고있는통합물관리 (IWRM) 및물안보 (water security) 에서추구하고자하는목적과부합하며, 이는국토교통부의핵심업무임. 특히이상기후와인구증가로인해식량과에너지의수요가증가하는반면이러한자원의근본이되는물은세계적으로사막화확산및국내의가뭄등으로인해물관리부족으로물공급력이축소됨에따라수자원관리및효율적개발을주도하는국토교통부에서중심이되어자원간위기증폭의해법을제시해야함 국가수자원의관리자및국제사회기여자로서정부의역할중요 자원효율성과효과성을고려한한반도국토재창조사업등과연계한인 - 64 -
프라모델을개발하고새로운글로벌아젠다인 SDGs를실현하기위해서는우리나라의경제규모에맞는국제사회기여요구가증대되고있음 이를위해 ODA 사업과연계한전략적이고체계적인개도국의수자원개발, 식량확보, 에너지기반구축등의지원사업등을위해정부지원필요 우리나라는천연자원으로부터의에너지원발굴, 대규모농업을통한부가가치창출이어려운산업구조를가지고있으며, 상대적으로수자원의관리기술과인프라가그동안산업발전과경제성장에기여해왔고, 앞으로 4차산업혁명 (Industry 4.0) 의 ICT기술과연계한첨단물산업의육성이필요한시점 따라서, 국가적으로물위기대응및스마트물산업선도를위한수자원중심의물-에너지-식량넥서스기술개발을통한새로운국가성장동력화추진을위해서국가수자원을관리하는주체인정부에의한주도적연구가수행되어야함 라 국내에너지정책한계및전망 국내에너지안보상황은매우취약한것으로평가됨 World Energy Council(2013) 이발표한세계각국의에너지안보인덱스순위에따르면, 한국은 129개국중 103위로에너지안보상황매우취약 님비 (NIMBY) 현상확산에따른에너지공급시설에대한수용성악화로대내적인에너지안보위협요인확대 에너지시장불안에대해우리나라의에너지안보를강화하는데있어공급대책위주로는한계가있음 정부주도의에너지안보정책과병행해위기에대한국내에너지시장영향을최소화하도록에너지시장구조의패러다임전환필요 에너지가격의시그널기능강화를통해시장중심의탄력적수요반응을정책적으로유도하고, 특히기후변화, 신흥국수요증가등대외여건변화에시장이스스로신축적이고효과적으로대응하는능력배양필요 우리나라는남북이단절돼모든에너지를해상을통해수입하는에너지섬 (Energy island) 의형태이기때문에에너지공급선을다변화하고국제시장과연계된거래를확대하기위해서는러시아는물론, 중국및중앙아시아등대륙과연계된에너지시장시스템으로의전환필요 국내에서는 `02 년부터 `14 년까지국내전력사업의국제경쟁력강화및기술 개발의촉진과전력자원의이용효율강화를목적으로사업추진 - 65 -
총사업비 1,255억원규모의스마트그리드, 원자력, 신재생등의세부연구를포함한에너지연구기반구축사업을추진함 관련부처에서는본연구로인한성과확산및기술지원을위해추가로예산을확보하여관련사업을추진하기위한개선권고방안을밝혔으며, 이는수자원개발측면과더불어최근국내에서주목중인 WEF Nexus 기술과일부결부되는측면이있을것으로판단됨 마 국내식량정책한계및전망 국내식량안보의취약성 곡물자급율은 1990년 43.1% 에서 2011년 22.6% 로낮아지고, 경지면적도 2,109ha에서 1,698ha로감소 OECD 국가중가장자급률이낮은상황이며, 특히쌀 (83.0%) 을제외한밀 (1.1%), 옥수수 (0.8%), 콩 (6.4%) 등의자급률매우저조한실정 국내밀을제외한옥수수, 콩등은 70~80% 가특정국가에집중되고, 곡물수입의약 70% 이상을곡물메이저와일본계종합상사에의존 국내에서는곡물생산량을늘이고해외에서는곡물의안정적도입기반을구축하는정책추진중 국내추진중인식량정책은 1 자급률목표설정 2 공공비축곡물확대 3 해외농업개발확대 4 농지보전강화 5 국가곡물조달시스템구축등이있음 그러나우리나라의농업은소농중심 영세농업, 농가인구의고령화그리고농지이용의높은장벽등으로식량증산에제한적인구조적문제내재 좁은국토와사계절을가진우리나라로서는로봇시스템확산, BT, ITC 등의융합기술을중심으로하는기술농업이식량위기에대응하는가장효과적대안이나농업의구조적요인으로기술확산이부진한실정 농업부문의 ICT 융합모델발굴및사업을확산하고, 젊은농민들을대상으로 ICT 교육및실증 현장경험의기회를제공하면서농민과 ICT 사업자간의교류채널을구축하고, 정부지원하에양부문이정보와경험을교류하도록다양한프로그램을개발하고해외농업개발진출효율화를위해기술및타산업과연계하는전략의다양성확대가필요 - 66 -
해외 관련정책현황및전망 가 미국 `09년 `에너지및물연구통합법`이발의되어의회에서논의되고있음 동법은제도측면에서보다효율적이고신뢰도가높고지속가능한에너지와깨끗한물자원의공급을위해에너지부 (Department of Energy) 의연구, 개발, 실증프로그램에서물집약도를고려하도록보장하는법임 기존의수권보유자와새롭게물에대한권리를주장하는에너지사업자사이의갈등해소를목적으로제2차리스테이트먼트를제시함 동법은물사용의목적, 사용방법의적절성, 경제적가치, 사회적가치, 유해정도, 유해한결과의회피가능성, 기존권리의보호, 기존권리자가손실을감수해야할정당성등의기준을제시함 - 우리나라의하천법제53조는하천법에따라허가받은허가수량의조정에관한근거규정일뿐, 민법의공유하천용수권과하천법상의하천수사용허가권에따른권리의상충을조정할수있는기준은아님 수자원에대한정책수립시에너지문제를간과하지않기위해 `09년 Omnibus Public Land Management Act를제정함 동법은국가수자원유용성및사용평가프로그램 (National Water Availability and Use Assessment Program) 을내무부 (Department of Interior) 를통해실행하도록규정함 - 동프로그램에따르면주무장관으로하여금수자원의유용성에대한지속적인평가를시행하도록하고있는데, 이런평가의목적중하나로에너지생산에필요한수자원의유용성을예견할수있는능력을개선하기위한기반을구축하는것이제시되어있음나 캐나다 캐나다앨버타주는다양한이해관계자사이에서효율적인수자원분배를목적으로통합수자원관리체계를구축함 캐나다앨버타주에서의샌드오일 (Sand Oil) 생산의경우수질과야생동물의보호를위한법과제도가구축되어있음 - 강물의저수위기간동안에는최소한의환경적흐름을유지하기위해샌드오일생산을위한취수량을제한하는합의가실현되고있음 - 67 -
소결 과거에는개별자원 ( 물, 에너지, 식량 ) 의정책수립에있어서타자원의생산, 공급, 수급등연계자원의현황이고려되지않은형태로정책이수립됨 특히부처별관련정책등이상호연관성이있으나, 구체적인협업체계가구축되지않고개별자원의확보및생산에치중하고있음 이에반해국외에서는자원부처간갈등해소및지속적확보를위한거버넌스적접근을통한해결책을수행하고있음 각자원간의흐름을고려한기술정책방향성제시, 중장기적기술계획수립시기후변화대응공동자원관리의장기종합계획수립, 개별적자원기술개발계획수립을뛰어넘는범부처기술정책수립을위해서물-에너지-식량의연계를통한정책수립이필요함 - 68 -
3 절. 국내 외 WEF Nexus 관련기술개발동향 1. 국내 WEF Nexus 관련기술개발동향 가 국내기술개발동향 현재까지국내에서는물-에너지-식량넥서스관련연구는개념적인부분에집중되어있고, 요소간의상호연관성을해석하는기술적인부분은부족한실정임 넥서스연계해석의활용을위해서는다양한식량, 물관리정책시나리오를적용할수있는넥서스연계해석기술이필요함 국내에서는물-에너지-식량넥서스기술의정의와전략적필요성에대해서정책적보고서수준으로공공및민간부문에서연구수행이이루어진바는없음 해외녹색산업정책보고서 물-에너지결합 ( 한국환경산업기술원, 2011) 미래사회중장기난제해결을위한기술사회적대응방안 ( 에너지경제연구원, 2014) 물, 에너지, 식량안보에대한연구가부처별로독립적으로일부수행된사례는있음 세가지자원안보의복합적연계상황을고려한연구는진행된사례가없음 수자원분야에서는통합적접근방식의스마트워터그리드 (SWG) 및수자원통합관리 (IWRM) 와개념적으로는유사하나타부문별연계는미흡 국토부 SWG 연구단에서는첨단정보통신기술 (ICT) 을이용하여고효율의차세대물관리인프라시스템구축을위하여, (1) 수자원의안정적확보및시공간적격차해소, (2) 수자원및수질의안정적공급, (3) 저에너지, 고효율의지능형수자원설계및관리, (4) 글로벌물산업및패러다임변화에능동대응및선도화연구가진행중에있음 스마트그리드통합실증기술개발및 Test Bed구축사업단에서는세계최대, 최첨단스마트그리드실증단지를구축, 스마트그리드개발기술의조기상용화를위하여, (1) 소비자에너지효율화, (2) 전기자동차확대기반구축, (3) 녹색에너지활용기반구축등의연구를진행하였음 - 69 -
나 국내 관련기술개발현황 (K-water) 국토의효율적이용으로식생훼손방지및친환경부가가치창출하고자댐호수의수면을활용하여무공해청정에너지생산을위해수상태양광사업추진 육상대비발전량 10% 이상증대, 광차단효과로인한녹조증식억제및수분증발방지등수상태양광의장점을활용하여 K-water에서물-에너지간상호시너지창출 합천댐수상태양광발전시설 (100KW) 설치를시작으로 2030년까지댐수면에 1,815MW 규모의수상태양광발전소를건설할예정 보령댐에설비용량 2MW 규모의대규모수상태양광발전소준공을시작 (2016년2월) 으로충주댐 3MW 등수상태양광의대형화를본격적으로추진 - 보령댐수상태양광발전소는댐수면위에설치한태양광설비로연간 700 가구가사용할수있는 2,781MWh의청정에너지를생산, 4,650배럴의원유수입대체효과, 및약 1,300톤의 CO2 감축효과 K-water의신재생에너지설비량은 2015년국내신재생에너지설비총량 7,420MW의약 18% (1345MW) 에해당 ( 한국전력공사 ) 상하수도망의펌프 ( 모터 ) 부하를이용해전력수요를실시간관리하는지능형수요관리기술개발및온실가스배출량저감목적사업을추진중임 `16년상하수도시스템의전력수요관리자원에대한잠재량평가사업을추진할예정이며상하수도시스템을전력수요관리사업에적용할경우그효과를정량적으로평가하고, 이에근거한수요관리인센티브를설계할계획임 기존상수도시스템의에너지비용절감을위한통합관리제어시스템개발이환경부지원하에 `14-`15년간추진되어, 정수장에적용한결과 15% 이상의비용절감효과를거둔사례가있음 농업부문의전기효율증대및온실가스배출량저감을목적으로농기계전기화관련사업을추진중임 - 동사업은기존의화석연료를사용하는농기계를전기농기계로전환하는사업임 - 동사업을통해농업부문의화석연료보조금을정상화하고, 농가의소득이증대되며한전은전기매출증대와농기게를한전배전망의전력품질관리에활용하는기술개발을추진함 - 화력발전소에서배출되는온수를인접한시설농가에서시설의난반용으로사용하는기술을개발을통해시설재배농가의에너지비용을대폭절감하는효과가기대함 - 70 -
( 한국지역난방공사 ) 롯데타워및삼성동현대자동차빌딩개발계획에상수도의냉열을이용하는스마트히트그리드시스템적용을추진중임 건물의냉방에상수도시스템의물을이용하는방식으로상당한경제성이확인된사업모델임 ( 산업통상자원부 ) 신재생발전담수화기술개발을추진함 200톤 / 일규모의소형담수화플랜트를대상으로신재생발전의간헐성을해결하고발전전력을 100% 활용하도록하는최적제어시스템을개발함 개발된기술은기존기술대비담수생산량이 30% 이상더증가하고, 생산수의품질 (TDS) 도개선되는효과가도출됨 ( 농어촌공사 ) 자사가보유하고있는저수지등에태양광발전설비를갖추고이를 통해한전에생산전기를판매 (RPS 포함 ) 하는신재생발전사업을추진중임 ( 한국환경정책평가연구원 ) 물안보와관련된 7개분야에대한핵심지표에대한검토를수행함 물안보와관련된 7대분야는수자원확보, 홍수 가뭄방어, 수질개선, 수생태계보전, 온실가스감축, 물갈등극복, 정책수립 이행임 동연구원의핵심지표검토결과하천 호소수질개선 과관련하여서는지표가마련되어있으나, 온실가스감축 이나 물갈등극복 과관련하여서는지표가부족하다고지적됨 다 국내 관련연구개발현황 기후와수자원을연계한연구가추진됨 PRMS, SWAT, SLURP를이용하여국내전역에기후변화에따른수자원의영향을평가함 20) VIC 모형의전지구자료를이용하여동아시아지역의수문해석을수행함 21) 기후와식량생산과관련된연구로는 2014년한국기후변화평가연구가수행되었고, 기후변화에따른농업분야의취약성을분석한바있음 (ME, 2014) 20) Bae, D.H., Jung, I.W., Lee, B.J., and Lee, M.H., 2011. Future Korean Water Resources Projection Considering Uncertainty of GCMs and Hydrological Model, Korea Water Resources Association (KWRA), Vol. 44(5): 389-406. 21) Son, K.H., Lee, M.H., and Bae, D.H., 2012. Runoff Analysis and Assessment Using Land Surface Model on East Asi, Korea Water Resources Association (KWRA), Vol. 45(2): 165-178. - 71 -
`12년 기후변화대응을위한지속가능한물관리법제에관한연구 를통해지속가능한물관리를위한법제개선을제안함 동연구는국토교통부, 환경부소관의기후변화로인한홍수및가뭄대응관련법령을분석함 - 국토해양부는국토기본법및공유수면관리법에의해국토의이용및개발보존, 재해의방재, 바다 / 하천 / 호소에대한적절한보호와효율적인이용을을도모함 - 환경부는수질및수생태관리를위해서, 환경정책기본법을비롯하여 7개의법률에의해서환경보전장기종합계획의수립, 수변구역지정및관리등을추진함 동연구는세대간형평성, 생물학적다양성의보존, 지속가능한한도의관리, 위험의평가와같은네가지기준을두고지속가능한물관리를위한법제개선을제안함 Nexus와관련하여수문분석연구, 토지이용변화예측, 용수공급지속가능성등과관련된연구가추진됨 하천유지용수, 유입및유출량등과같은미래수문분석의연구가주를이루고있음 ( 안소라등. 2013; 조재필등. 2015; 이재남과노재경. 2015a) 토지이용변화를예측 ( 김학관등. 2011), 미래용수공급에대한지속가능성연구 ( 남원호등. 2014b) 등이수행됨 미래기후변화관련연구는강수량, 기온, 증발산량이증가하는경향을보인다는연구결과가일반적임 다양한연구에서예측경향은유사하나특정기간과지역, 시나리오, GCM모델등에따라결과는상이하게나타남 - 미래수문인자에대한예측결과로저수지유출량및유입량등이시나리오, 저수지별로결과가상이하게나타남 ( 조재필, 2015) 가뭄전망연구에서는일반적으로가뭄지수 PDSI 22), SPI 23), SWSI 24) 등이주로 적용되었으며 ( 유승환등, 2012) 적용되는가뭄지수의종류에따라가뭄평가 결과가상이하게나타남 현재까지국내연구에서가장많이활용된가뭄지수는 SPI 가뭄지수임 ( 김병 식등, 2011; 이주헌등, 2012) - 다른 GCM 과동일한기후변화시나리오에서도앞서예측된결과와달리각 모델에따라가뭄발생지역의결과가상이하며, 시나리오별로도가뭄의시 공간적분포가다르게나타남 ( 박범섭등, 2013) 22) Palmer Drought Severity Index 23) Standardaized Precipitation Index 24) Surface Water Supply Index - 72 -
농업적가뭄을예측및평가하기위한가뭄지수로는토양수분가뭄지수 (Soil Moisture Drought Index, SMDI), 작물수분지수 (Crop Moisture Index, CMI) 등이있음 - 식생이나작물이받는수분스트레스를잘나타낼수있도록개발되었지만이를이용한국내연구는미흡한실정임 ( 오국열과유인상, 2014) 적용되는가뭄지수의종류에따라가뭄평가결과가상이하게나타남 - SPI 가뭄지수의경우강수량을통해서만가뭄을평가하기때문에기온증가에따른증발산량을고려하지않아다른가뭄지수와상이한결과를나타낼수있음 2. 부처별중장기 R&D 전략분석 가. 국토교통 R&D 중장기전략 (2014) 및동향조사 (2015) 주요배경 사회적패러다임변화에선제적으로대응할수있는국토교통 R&D 중장기전략필요 - 국민의생명과재산을확실하게보호하는안전중심의사회적패러다임변화에선제적대응이가능한국토교통과학기술육성이필요 - 기후변화와에너지고갈등으로미래사회에대한불안요소가급증함으로인해국민삶의안전성강화필요 매년자연재해로인적 물적피해발생, 이를복구하는데많은비용과시간이소요되며최근 10년간 (2000~2009) SOC 복구비용은피해액의약 2.2배수준 - 삶의질에대한만족을중시하는사회적니즈가확대됨에따라국민생활편리및복지에직접적으로기여할수있는기술역량강화및시급성증대 2012년행복지수 (Quality of life, IMD) 평가결과우리나라는 59개국중 22위 사회의모든분야에서 ICT BT NT 등과학기술과의융 복합진행 - 정보통신기술, 생명공학, 나노기술, 문화기술등기술융합을기반으로새로운혁신기술출현및융합기술의미래경쟁력주도전망 - ICT 기반의선택적융합을통해신개념기술, 제품과신산업창출강화 에너지 기후변화등으로환경이슈가증가 - 지구온난화심화, 이상기후현상증가및경제발전에따른대기, 토양, 지하수오염등환경오염심화 - 환경오염, 기상이변, 물부족등에따른환경안보의중요성부각및쾌적한생활환경에대한욕구증대 국내자연재난피해현황 ( 인명 / 재산 ) : (2008) 11명 /637 억원 (2012) 16명 /1조 892억원 - 73 -
에너지 자원확보경쟁 - 전세계적화석에너지고갈및신흥국중심의자원수요급증등으로국가간에너지 광물자원확보경쟁심화 - 지속가능한경제활동의패러다임전환과태양열, 풍력등신재생 대체에너지및이용효율화기술개발가속화 2035년세계에너지수요 1/3 이상증가예상 ( 세계에너지전망, 2012) 안전하고편리한국토공간조성 - ( 현황 ) 국민소득증대로안전 편의등삶의질제고에대한욕구가커지고, 각종공공서비스에대한기대치가높아지고있으나, - 도시화및인구밀집으로인해자원의효율적배분 관리문제는물론, 안전과편의를저해하는각종사회문제발생 - 또한, 이상기후현상과맞물려도시침수, 토사재해, 가뭄등재난 재해발생위험및피해규모가커지고있어대책마련시급 에너지소비증대및석탄 / 석유자원고갈우려, 온실가스배출규제에따라각국은기존석탄 / 석유자원을대체하는에너지보급확대를추구 - 현재석탄 / 석유자원의존도는 80% 에육박하고있으나 50년을전후하여석탄 / 석유자원고갈이예상됨에따라기존에너지자원을대체하는에너지자원개발에초점음 - 후쿠시마원전사고이후각국은일시적으로원전신규건설계획을보류하였으나, 현재는전반적으로안전성을강화하여기존건설계획을유지하려는추세 - 새로운에너지발전플랜트기술은주로경제성문제로인해상용화및보급에어려움을겪고있으며, 건설및운영비용을저감할수있는기술개발과함께신재생에너지보급확대를위해세제혜택, 구축비용지원등보급확대정책을병행하여추진 온실가스배출저감정책, 화석에너지의고갈에따라각국은신재생에너지기술개발투자에집중 - 노후플랜트의안전성및정밀성향상기술개발이추진중 - 미래자원고갈에대비한심해저자원개발, 비전통석유가스자원개발연구가진행중이며, 특히메탄하이드레이트관련기술이주목 - 각국은지형적특성에맞는신재생에너지기술개발을추진중이며, 국내에서는해상에너지분야에집중 해수담수화플랜트는담수생산능력을증대하기위해 RO막의대형화, 공정최적화, 전처리시설의수처리성능향상기술등이개발되고있으며, 국내는역삼투막기반해수담수화공정및초순수공정을개발하여실증시설을구축하여운영중 - 74 -
주요분야및핵심기술 (Nexus 관점 ) ( 기술동향 ) 도시내각종시설물과자원등을안전하고효율적으로관리하기위해 ICT, 센싱, 빅데이터등첨단기술적극활용 - 복잡한도시의기능들을센싱을통해실시간모니터링함으로써사고를예방하고, 사고발생시에도자동응급복구시행 - 또한, 수자원등도시내자원 에너지등을순환 재활용하고, 사람 사물의실시간흐름을빅데이터로관리 ( 중점프로젝트 ) 도시 국토공간이안전하고편리해질수있도록첨단기술을활용하여도시와시설물자동관리, 수자원의안정적 효율적관리도모 - ( 국토 도시공간 ) 교통물류최적화, 자원 에너지순환 재활용, 사고 재해상황실시간관리등스마트하고친환경적인도시 국토구현 - ( 인프라관리 ) 사물통신을기반으로시설물성능 안전성을실시간모니터링하고, 자동으로유지보수하여안전사회구현 - ( 물관리 ) 도시내수자원을자급자족하고, 재해를예방하기위해분산형물관리추진 - 75 -
< 표 3.3> 국토교통부미래중장기 R&D 중점분야 중점분야정의 1 2 3 4 5 6 7 8 설계엔지니어링및글로벌표준화기술건설재료개발및활용기술시공자동화 효율화및특수구조물구축기술재난 재해대비시설물유지관리및건설안전기술안정적수자원확보지능형수자원관리지속가능한하천관리기후변화대응수재해예방 - 사업의타당성조사, 기획, 설계, 분석, 구매, 조달, 시험, 감리, 시운전, 평가, 자문, 지도등건설사업관리활동및이에대한글로벌표준화 - SOC 시설물의구조를구성하는콘크리트, 강재등의주요재료에대해기존보다성능이우수하고유지관리가용이하며친환경적인고성능 다기능신소재및복합재료를개발하여건설분야에활용 - 기계화, 자동화, 로봇기술등첨단기술을건설분야에도입하여시공프로세스를효율화하고, 미래형신공간창출을위한특수구조물 ( 초장대교량, 터널등 ) 을구축하는기술 - SOC 시설물의효율적인유지관리를통해사회적비용을절감하고, 건설및자연재해를예방 대비하기위한선제적대응체계구축기술 - 한정된수자원을효율적으로활용하고가용수자원의시 공간적불균형을극복함으로써물부족으로인한국민피해를예방또는최소화하여국민물복지를극대화할수있는기술 - 기존수자원관리시스템이지니는한계성극복및관리효율성제고를위해 ICT 등첨단기술과융합된지능형수자원관리기술 - 하천의지속가능한통합관리를위한자연친화형하천조성및유역과하천특성을고려한수리시설물의설계 시공및유지관리기술 - 도시및유역을대상으로수재해대응및방어시스템을구축하고기후변화에따른미래수문 수자원변동및극한수재해에유연하게대응할수있는사전예방차원의적응기술 9 담수화기술 - 해수나저급수등을전처리, 증발, 막방식 ( 역삼투, 정삼투, 나노필터, 막증발등 ) 공정을구성하여담수를생산하는기술 가스 비전통 - 가스 오일 비전통에너지원부존지역에대한채굴원료의 10 자원화기술처리 전환을통하여유용한에너지원으로활용하기위한기술 - 원격지의가스, 오일등을수요처로이송, 지역내유틸리티자원이송및 ( 에너지, 물, 물질등 ) 의생산 공급, 순환이용기술로서주로 11 순환기술장거리배관계통이나중계기지및핵심설비, 운영및유지보수기술 - 플랜트건설사업의효율적인수행을위한설계 해석 사업관리, 플랜트건설원격시공 운영, 친환경적인발전시설의핵심설비탑재를위한 12 자원인프라기술기초 구조물, 단지규모의계획및건설과운영, 개발기술의활용성제고와중소기업의글로벌진출에필요한지원기술 - 건설기술및환경변화에신속하게대처할수있는선진국건축계획및 13 수준의국내설계기준및시방서마련, 한스타일건축공간창출을디자인위한목조건축및한옥기술력강화 14 건축환경및설비 - 거주자쾌적성향상을위한건축환경 설비기초원천및핵심기술개발 15 건축재료 구조 시 공 - 건설기술및환경변화에신속하게대처할수있는선진국 수준의건축구조첨단화및고부가가치화기술 - 76 -
중점분야정의 16 건축공정 운영 유지관리 17 융 복합건축 - 안정적인국가에너지수요관리및건축부문온실가스저감을위한건물에너지통합관리기반구축기술, 통합발주기반의공정관리핵심기술및국내리모델링및해체시장확대를위한해체및복원기술국산화 - 해외건설시장진출확대를위한미래특수건축기술확보로고부가가치신성장동력및건설산업일자리창출 18 도시공간계획및 조성 - 도시환경변화를수용할수있는도시기획, 계획및설계, 시공, 운영관리등도시조성과정전반을패키지화하는도시공간 생활인프라및실행체계구축 19 스마트친환경도시 20 도시운영및관리 21 도시재생 - 첨단기술 (ICT) 과친환경및생태친화적도시조성기술을융합한지속가능한스마트도시조성 - 기후변화대응을위해에너지및자원순환, 탄소저감및열환경관리, 안전한도시공간조성등효율적인도시운영및관리실현 - 경제 사회 문화등도시의종합적인기능회복을통한주거복지실현및지역경제활성화를위한기술개발및실증 22 지속가능한 복지주택 - 주거복지사각지대해소및살기좋은주거환경조성을위한 지속가능한복지주택기술 23 미래형스마트주택 - 미래지향적주거공간창출을위하여융 복합기술을기반으로 에너지사용관리, 건강관리, 재해 재난의예방및대응등이 가능한미래형스마트주택구현 24 25 26 27 수요자맞춤형주택자산가치창출형주택주택인프라기반구축공간정보인프라기술 - 주택공급중심에서품질관리로주택관리방향전환및수요자의다양한요구에대응할수있는수요자맞춤형주택기술 - 주택의생애주기대응유지관리및노후주택리모델링을통해중고주택의사용수명연장및자산가치를향상시킬수있는자산가치창출형주택기술 - 주택의균등한품질관리를위한주택표준화기술과선진주거환경조성을위한주택관련인프라구축 - 국토공간정보를효율적이고체계적으로생산및가공하기위한국토공간정보인프라기술 28 공간정보응용기술 29 공간정보융합서비스기술 30 사고없는안전교통 31 막힘없는첨단교통 32 공해없는청정교통 33 차별없는복지교통 - 국토공간정보기반기술과데이터를연계하여시각화, 지식전달및의사결정을지원하기위한국토공간정보응용기술 - 국민의안전, 복지와편의를향상시키고산업발전에기여하는다양한국토공간정보서비스활용및융합서비스기술 - 교통사고최소화및사망자 Zero 의목표를달성하기위하여운전자-차량-도로환경을고려한사고예방및피해경감기술 - 국민에게막힘없는도로주행환경을제공하기위하여교통-차량-도로-통신등의융 복합을통한차세대교통기술 - 온실가스를획기적으로감축하기위하여친환경도로교통수단 운영체계등쾌적한교통환경제공기술 - 소득, 거주지역, 신체상태와관계없이국민누구나공정하고편안하게이용이가능한인간중심의교통서비스 - 77 -
중점분야정의 34 단절없는물류교통 35 철도수송력향상기술 36 철도안전 편의향상기술 37 철도건설 운영비절감기술 철도 38 소재 부품 장치 고도화기술 39 항공기시스템 40 항공기사고예방 41 항행관제 42 공항운영 - 수송 하역 보관 포장등물류분야프로세스개선및물류에너지감소등을통한물류비용최소화기술 - 철도의대용량 고속화와고밀도철도운행을통한철도수송분담률을향상시키고, ICT 등타분야와의융 복합기술및신개념철도추진 제어기술개발을통한철도산업 기술경쟁력제고 - 철도사고발생을원천차단하여철도안전을확보하고, 철도이용객혼잡도 접근성을개선하는등철도이용의편의성과쾌적성향상 - 건설비저감기술을개발하여경제적인방법으로철도망을확충할수있도록하고유지보수비 에너지절감등철도운영효율화 - 철도운영및유지보수효율화를위한철도핵심부품 장치의설계및제작기술, 신뢰성확보기술 - 항공기개발단계에서설계 제작 인증등항공기안전인증기술을확보하고, 개발후운항중인항공기의정비 수리 개조등운항안전정비기술확보 - 세계최고의항공교통안전수준을달성하기위해, 매년사망사고가발생하고있는민간항공기사고예방기술 - 안전하고효율적인항공기운항을관리 운영하기위한항공통신 (C), 항공항법 (N), 항공감시 (S), 항공교통관리 (ATM) 분야기술 - 공항을이용하는국민의편의증진을위한여객처리프로세스, 공항관리 운영효율성향상및안전성보장을위한운영체계 < 표 3.4> 국토교통부국가중점과학기술별연관정책 국가중점과학기술 중점분야연관성검토 1 지능형교통시스템기술 - 사고없는안전교통, 막힘없는첨단교통, 공해없는청정교통, 차별없는복지교통 2 지능형물류체계기술 - 단절없는물류교통 3 첨단철도기술 - 철도수송력향상기술, 철도안전 편의향상기술, 철도건설 운영비절감기술, 철도소재 부품 장치고도화기술 4 ICT기반친환경도로기술 - 사고없는안전교통, 막힘없는첨단교통, 공해없는청정교통, 차별없는복지교통, 단절없는물류교통 5 첨단플랜트원천기술 - 담수화기술, 가스 비전통자원화기술, 자원이송및순환기술, 플랜트건설자원인프라기술 6 환경친화자동차기술 - 공해없는청정교통 7 스마트자동차기술 - 사고없는안전교통, 막힘없는첨단교통 8 미래형유인항공기기술 - 항공기시스템, 항공기사고예방 9 지능형무인비행체기술 - 항공기시스템, 항공기사고예방 - 78 -
국가중점과학기술 중점분야연관성검토 10 수자원통합관리시스템기술 - 기후변화대응수재해예방, 담수화기술 11 기후변화감시예측적응기술 - 지속가능한하천관리, 기후변화대응수재해예방 12 지능형건물제어기술 - 지속가능한복지주택, 미래형스마트주택 13 서비스로봇기술 - 시공자동화 / 효율화및특수구조물구축기술, 건축재료 구조 시공 14 고효율에너지빌딩기술 - 설계엔지니어링및글로벌표준화기술, 건축환경및설비, 건축재료 구조 시공, 건축공정 운영 유지관리 15 슈퍼건설재료및자재 - 건설재료개발및활용기술, 건축환경및설비, 기술건축재료 구조 시공, 지속가능한복지주택 16 초고층건물건설기술 - 설계엔지니어링및글로벌표준화기술, 건축계획및디자인, 건축공정 운영 유지관리, 융 복합건축 17 - 설계엔지니어링및글로벌표준화기술, 최첨단인프라구조물건설시공자동화 / 효율화및특수구조물구축기술, 주택인프라기술기반구축 18 국토정보구축활용기술 - 철도건설 운영비절감기술, 공간정보응용기술, 공간정보융합서비스기술, 단절없는물류교통, 항행관제, 공항운영 19 미래첨단도시건설기술 - 설계엔지니어링및글로벌표준화기술, 도시공간계획및조성, 스마트친환경도시, 도시운영및관리, 도시재생주택인프라기반구축 20 복합지하대공간활용기술 - 건축계획및디자인, 건축재료 구조 시공, 융 복합건축 21 자연재해모니터링예측 - 재난 재해대비시설물유지관리및건설안전기술, 대응기술기후변화대응수재해예방 22 재난정보통신체계기술 - 지속가능한복지주택, 미래형스마트주택, 주택인프라기반구축, 공간정보인프라기술, 공간정보응용기술, 공간정보융합서비스기술, 철도안전 편의향상기술, 항공기사고예방 23 기반시설기능유지및 - 재난 재해대비시설물유지관리및건설안전기술, 복구복원기술철도건설 운영비절감기술, 항행관제, 공항운영 24 - 재난 재해대비시설물유지관리및건설안전기술, 사회적복합재난예측기후변화대응수재해예방, 사고없는안전교통, 대응기술철도안전 편의향상기술, 항공기사고예방, 공항운영 나. 제 2 차농림식품과학기술육성종합계획 주요배경 ( 농가인구감소및고령화 ) 농가인구감소, 고령화등으로인해농림업저 성장구조지속 - 79 -
- 65세이상농가인구비중 ( 90 년 11.5% 14 년 39.1), 도 농간소득격차비율 ( 90년 97.4% 14년 62.2) ( 한 중 FTA 등시장개방확대 ) FTA등시장개방확대에따른국내농산업글로벌경쟁력강화와수출지원을위한연구개발필요성증대 - FTA 추진현황 ( 15.1) : 발효및타결 16건 (54개국), 진행 3건 ( 인도네시아, 한중RCEP), 재개여건조성 3건 (8개국), 준비또는공동연구 4건 (12개국) ( 농업에대한인식전환및여건조성 ) 미래의성장동력산업으로서농업에대한인식전환등과학기술기반농업여건이조성 기술수준향상에대한농업현장의낮은체감도 ) R&D 투자확대 ( 08년 5,709억원 14 년 8,934) 에따른기술수준향상에도불구하고, 농업현장의체감도는낮은상황 - 농림식품분야기술수준 : 세계최고대비 ( 09) 67.4% ( 12) 75.4 ( 14) 76.1 (R&D 정책연계통합조정필요 ) 부 청등의다양한농림식품 R&D 정책의연계 통합및효율적조정을위한 R&D 시스템개편필요 - 추진내용의중복성이높은농식품부 농진청의중장기계획의연계또는통합권고 (2013년과학기술분야중장기계획조사분석, 국과심 ) 주요분야및핵심기술 (Nexus 관점 ) 동종합계획 ( 안 ) 에서는 4대중점, 14대분야, 50대핵심전략기술을제시하였으며, Nexus 관점에서고려할수있는핵심전략기술은 12개기술임 - 이중물-식량, 식량-에너지관점이연계된기술은 4, 7, 11, 14, 15, 16, 28, 29, 30, 31, 48, 50번핵심전략기술임 < 표 3.5> 농림축산식품부미래중장기 R&D 중점분야 4 대중점 14 대분야 50 대핵심전략기술 글로벌경쟁력 강화 농산업체질개선 고부가가치식품 ICT 융합 1. 축산물품질고급화및생산성향상기술 2. 친환경통합가축분뇨처리기술 3. 첨단친환경축사개발 4. 신선농산물수확후관리및선도유지저장유통기술 5. 환경내성 / 복합병저항성고품질원예특용작물신품종육성 6. 원예용첨단자재산업화기술개발 7. 원예작물안정생산및시설원예에너지절감기술 8. 질환개선고부가가치기능성식품개발기술 9. 고품질 / 고소득발효식품소재화및실용화기술 10. 농식품편이가공및식재료해동기술 11. 식품가공공정효율성향상통합생산관리시스템 12. 체질별맞춤형장기능개선천연소재개발 13. 첨단농림기계기반기술 14. 지능형정밀농업생산구현기술 15. 수익형식물공장비즈니스모델개발 16. 지능형농업용수통합제어시스템 - 80 -
4 대중점 14 대분야 50 대핵심전략기술 신성장동력창출 안정적 공급 식량 국민행복제고 농생명신소재 농생명바이오의약 미용소재 농생명유전체 Golden Seed 프로 젝트 농업 / 농촌에너지 식량자급률제고 기후변화대응 재해질병방제 농업 농촌가치제고 산림경영에너지등 고도화 안전한먹거리생산 17. 안전한식품유통관리를위한항미생물신소재개발 18. 환경침해요소 Zero" 화바이오플라스틱 19. 기능성아미노산소재개발및대량생산 20. 목질자원친환경신소재개발 21. 고부가의약 미용소재개발및제품화 22. 동물바이오이종장기개발및실용화기술 23. 동식물유래유용소재대량생산기술개발 24. 농생명유전체정보분석및응용기술개발 25. 유용유전자특성규명및활용연구 26. 수출및수입대체맞춤형종자개발 27. 고효율종자생산 가공 처리및실용화시스템 28. 바이오에너지원료작물대량생산기술 29. 바이오에너지고효율생산및산업화기술 30. 목질계바이오에너지및목질성분활용기술 31. 고품질 / 고생산성주곡신품종개발및안정생산기술 32. 밭작물생산성증대기술 33. 조사료의품질및생산성향상기술 34. 기후변화적응품종개발및생산기술개발 35. 농림축산기상재해실시간첨단예측경보시스템 36. 농림축산기후변화영향평가및예측기반기술구축 37. BIT 융복합병해충 질병신속진단기술 38. 농림축산질병역학적특성규명기술 39. 가축질병 ( 인수공통감염병포함 ) 예방및치료기술 40. 국내외통합질병방역체계구축 41. 농촌경관 전통자원보전및문화콘텐츠화기술 42. 농업인안전재해원인구명및예방기술개발 43. 그린타운조성및첨단도시농업모델개발기술 44. 귀농 귀촌정착지원기술 45. 산림복지서비스증진기술 46. 고부가가치산림자원조성및육성기술 47. 임산소득자원신품종개발및재배기술 48. 농림생산물및위해물질안전관리 49. 전주기축산식품안전관리체계구축기술 50. 농식품유통단계안전및품질관리 농림부의핵심전략기술중 Nexus 관점에서확인이가능한기술은 ICT 융복합을통한지능형정밀농업기술, 지구온난화등기후변화에따른안정적식량수급대응기술, 농업분야에신재생에너지활용확대기술등으로구분할수있음 - ICT 융복합을통한지능형정밀농업관련기술은 4, 7, 14, 16번기술과연계됨 - 4. 신선농산물수확후관리및선도유지저장유통기술 은지능형수확후관리기술, 에너지절감형수배송시스템, ICT 융합유통관리시스템등으로구분됨 - 7. 원예작물안정생산및시설원예에너지절감기술 은 ICT 융복합화기술활용시설환경제어기술, 친환경에너지활용재배시스템등오로구분됨 - 81 -
- 14. 지능형정밀농업생산구현기술 은정밀농업정보처리기술, 한국형정밀농업현장적용기술등으로구분됨 - 16. 지능형농업용수통합제어시스템 은농촌용수실시간예측 대응및운영기술, IoT 기반수리시설원격제어시스템등으로구분됨 기후변화에따른안정적식량수급대응관련기술은 11, 15, 31, 48, 50번기술과연계됨 - 11. 식품가공공정효율성향상통합생산관리시스템 은환경친화형고효율저에너지식품제조공정기술, 고효율수확후생산 유통모델기반구축등으로구분됨 - 15. 수익형식물공장비즈니스모델개발 은식물공장복합환경조절시스템개발및표준화, 에너지자립형식물공장수익모델등으로구분됨 - 31. 고품질 고생산성주곡신품종개발및안정생산기술 은벼고품질우량품종육성및고품질쌀생산기술, 밀초다수성품종육성및생산비절감재배기술등으로구분됨 - 48. 농림생산물및위해물질안전관리 는저투입및자원순환형친환경 유기농업기술등으로구분됨 - 50. 농식품유통단계안전및품질관리 는고효율 / 표준화물류안전시스템기술, 안전기반스마트식품유통시스템기술등으로구분됨 농업분야에신재생에너지활용확대관련기술은 28, 29, 30번기술과연계됨 - 28. 바이오에너지원료작물대량생산기술 은고생산성바이오에너지작물육종기술, 원료작물고효율 저비용생산기술등으로구분됨 - 29. 바이오에너지고효율생산및산업화기술 은섬유질및목질계열화학적바이오연료생산확대기술, 통합바이오매스에너지화단지실증등으로구분됨 - 30. 목질계바이오에너지및목질성분활용기술 은기체, 액체, 고체바이오에너지생산기반기술, 목질계고형바이오연료품질제고등으로구분됨다. 2014 에너지기술이노베이션로드맵 주요배경 ( 공유경제사회 ) ICT 기술발전으로자동차등개인소유물뿐만아니라, 에너지인터넷을구축하여에너지를주고받으면서사회적이윤을나눠가지는사회 - ICT기술을적용한에너지수요관리플랫폼을구축하면, 지역공동체사람간에너지라는공공재를거래하는에너지공유경제등장가능 (The zero marginal cost society, Jeremy Rifkin, 2014) ( 초연결사회 ) 사물인터넷 (IoT), M2M 등의기술발전으로인간과기계, 기계와기계등연결범위가확대되는사회 - 82 -
- 2025년 80억명이온라인으로활동 (The new digital age, Eric Schmidt, 2013), CICSO(2011) 는 2020년네트워크에연결된디바이스가 500억개로예상 ( 제로에너지지향사회 ) 대체에너지, 친환경에너지사용등으로에너지사용을최소화하고, 온실가스를줄이면서지속가능성장이중요시되는사회 - 에너지문제의삼중고 (Trilemma), Security( 에너지안보 ), Equity( 에너지평등 ), Environmental Sustainability( 환경지속성 ) 를돌파하여지속가능한성장이라는미래사회가직면한문제를해결 (2013년 WEC 대구에너지총회 ) 주요분야및핵심기술 (Nexus 관점 ) 동로드맵에서는 17대프로그램, 75개프로젝트, 274개중점기술로구분되었으며, Nexus 관점에서고려할수있는기술은고효율화기술, 바이오매스관련기술, 에너지수요 공급안정성확보기술, IoT+Big Data 활용기술등으로구분할수있음 - 2014 에너지기술이노베이션로드맵의경우중점기술을시스템, 품목으로구분하여에너지-물, 에너지-식량관점에서직접적으로관련기술을판단하기어려운측면이있음 - 다만 Nexus 관점에서고려할수있는기술은적은자원투입을통해많은공급량을생산하는개념인고효율화기술, 식물자원을활용한에너지생산기술, 에너지수요 공급안정성확보기술, IoT+Big Data를기반으로한통합관리시스템등으로구분할수있음 - 고효율화기술로는기존화력발전대비고효율화를도모하는고효율청정화력발전, 인프라기기효율향상을도모하는스마트 FEMS, 전력사용의저비용 / 고효율을증진시키는수요대응형 ESS, 챼2의저비용 고효율포집을도모하는 CCUS, 고효율소형발전시스템인미래형에너지발전, 에너지변환및저장효율하를도모하는미래형고효율에너지변화 저장등이포함됨 - 식물자원을활용한에너지생산기술은바이오매스를활용하여재생가능한연료를생산하는차세대청정연료등이포함됨 - 에너지수요 공급안정성확보기술은양방향전력 Network 최적운영지원기술이포함된차세대송배전, 전력망연계를통한스마트마이크로그리드, 국가차원의에너지수요 / 공급안정성을도모하는에너지네가와트시스템등이포함됨 - IoT+Big Data 활용기술로는개방형정보관리기술인에너지 IoT + Big Data 플랫폼이포함됨 - 83 -
< 표 3.6> 산업통상자원부미래중장기 R&D 중점분야 분야프로그램주요내용 에너지공급분야 에너지수요관리 차세대전략자원개발 고효율청정화력발전 국민안심원자력발전 신재생에너지하이브리드시스템 차세대청정연료 차세대송배전 스마트홈 빌딩 스마트 FEMS 스마트마이크로그리드 에너지네가와트시스템 수요대응형 ESS CCUS - 차세대전략자원확보를위한비전통자원의탐사, 시추, 생산 기술및전략광물탐사 개발기술 - 저급연료등연료다변화를활용하여기존화력발전대비고효 율화및 CO2 저감을달성할수있는기후변화대응형청정화력 발전시스템 - 국민수용성에기반한안전성최우선으로변화하는원전산업의 패러다임에대응할수있는 원전안전및수용성 강화기술 및시스템 - 발전단가저감을위해신재생에너지를포함하는둘이상의발전 장치를전력저장장치와결합한전력공급기술및시스템 - 바이오매스, 유기성폐자원등비화석원료자원을화학적 - 생물학 적전환기술을이용하여재생가능한연료를생산함으로써화석 연료를대체하는기술및저등급석탄, 비재래형유분, 가스등 으로부터액체화석연료를생산하는기술 - 고전압의 AC 전력송전또는 DC 로변환하여송전하는기술로, 국가간전력연계, 대용량풍력연계, 대규모전력계통분리및양 방향전력 Network 최적운영지원기술 - 전통건축기술과 ICT 등첨단기술융합을통한건물산업의신시장 비즈니스모델창출및핵심기술 - 에너지다소비산업군에서공통으로사용되고있는공장인프라 기기의효율향상및에너지설비들의효율분석기반에너지절감 솔루션 - 충분한양의분산자원과부하가지역적으로통합, 관리되어 기존전력망과연계혹은독립운전이가능한하나의제어가능한 Entity 로서의전력망 - ICT 기술을기반으로 ESS, EMS, TEN, 분산발전자원등의에너지 ( 전기, 열 ) 를통합하여국가차원의에너지수요 / 공급안정성을 확보하고, 공급인프라확충부담을줄여주는 Total Energy Solution Service - 저비용으로생산된전력을전력저장시스템에저장했다가전력부족 시기에공급하거나, 전력의품질이불안정한경우안정화하여 전력계통에공급하여전력사용의저비용 / 고효율 / 안정화를증진 시키는에너지저장시스템 - 발전소 / 제철소등대형배출원에서 CO2 를저비용 고효율로포집 하고안전하게저장하거나, 포집된 CO2 를직접또는전환하여 활용하는사업 에너지혁신 미래형에너지발전 무선전력송수신 - 중소형분산발전방식에대비한고효율소형발전시스템및에너지자립형발전시스템 - 전기에너지를무선전송이가능한전자기파또는광파로변환하여무선으로전력을전달하는기술 - 84 -
분야프로그램주요내용 미래형고효율에너지변환 저장 3D 프린팅기반최신제조공정 에너지 IoT + Big Data 플랫폼 - 열에너지, 전기에너지등을화학에너지형태로효율을최대화하여변환하거나저장하는기술 - 3D 프린팅기술적용을통한에너지소자및부품의제조공정혁신기술 - IoT 에너지데이터수집과분석용빅데이터 SW를기반으로한개방형정보관리및에너지효율화기술 해외 관련기술개발동향 가 기관별 기술개발동향 NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) NOAA와 California Energy Commission의공동연구를통해수자원해석모형인 WEAP와에너지평가모형인 LEAP를연계한기술을개발 Water-Energy nexus, Water-Food nexus, Water-Food-Energy nexus, Water-Food-Energy-Climate nexus 등많은연계기술들이개발되고있음. [ 그림 3.6] WEAP-LEAP 연계기술 (NOAA, 2012) FAO (Food and Agriculture Organization) FAO에서는넥서스시스템구축을위해서는먼저넥서스요소들을정립하고, 다음으로요소별정량화, 자료의입출력시스템을구축하고, 요소간연계성분석과정책적대응방안을순차적으로설계할것을제시하고있음 (OECD-FAO, 2012) - FAO는식량안보측면에서넥서스의개념을가용성, 접근성, 이용성, 안정성측면에서고려요소와함께정리함 25) 25) The Water-Energy-Food Nexus A new approach in support of food security and sustainable agriculture, FAO, 2014. - 85 -
[ 그림 3.7] FAO 의 WEF Nexus 추진체계 [ 그림 3.8] FAO 식량안보의구성요소 USDOE (United States Department of Energy) 미국 DOE는수자원희희소화, 변동성및불확실성문제를해결하기위해전략기술을선별하고다양한프로그램 / 사업들을추진중임 - DOE는미국에너지시스템의취약성을극복하고자여섯가지전략기술개발을추진함 Ÿ 에너지생산, 전기생산및최종사용시스템의담수이용효율의최적화기술 - 86 -
Ÿ 물관리, 처리, 분배및최종사용시스템의에너지이용최적화기술 Ÿ 에너지및물시스템의신뢰성및탄력성향상기술 Ÿ 비전통적인수자원의안정적이고생산적인사용향상기술 Ÿ 물품질, 생태계및지진영향에따른책임있는에너지운용의촉진기술 Ÿ 물과에너지시스템간의생산적인시너지추구기술 - DOE는수자원관련기술연구, 개발, 시연및정착을위한프로그램 / 사업을기획하여추진중임 Ÿ 버려지는에너지회수프로그램 Ÿ 냉각시스템개선프로그램 Ÿ 탈염 (desalination) 및비전통적수자원활용사업 Ÿ 폐수무방출시스템실증사업 Ÿ 장비및기기의효율화사업 - DOE는물이용, 발전, 담수등과관련된기술개발을추진함 Ÿ 물사용과관련하여더효율적인전력사이클 ( 예, 밀폐형재압축 Brayton cycle) 을통한폐열생성의감소기술을개발해서열전기 (thermo-electirc) 및다른냉각수요를감소시킴 Ÿ 열전물질의사용, 열교환기술의개선과같은폐열이용의향상과저온지열발전기술 Ÿ 에너지시스템에서물사용최적화기술 Ÿ 수압파쇄 (hydraulic fracturing), 지열발전등에서가공및담수대신에대체유체를사용하는기술 Ÿ CCS, 바이오에너지생산원료공급및산업공정에서의담수이용공정향상기술 Ÿ 물사용의효율성향상기술 : 냉각시스템에서의공기흐름최적설계, 물회수시스템, 하이브리드혹은건조냉각및블로우다운 (blowdown) 에서발생하는물처리기술 프랑스 (EDF, 전력공사 ) 프랑스전력공사 (EDF 26) ) 는물, 에너지, 식량을서로연계된시스템으로보고에너지발전과관개시설간에물을할당하기위한효과적방법및물절약을촉진하는정책 ( 협약 ) 을개발함 27) - EDF는 `90년대후반까지법을기준으로저수지물을지역내사용자들에게할당하였으나, `00년대초반에들어서며기존의규정이수자원낭비를방지하는데효과적이지못하다는것을인지함 26) Electricite de France 27) Xavier Ursat, EDF An energy leader committed to a sustainable water resources management (presentation given at the Budapest Water Summit, October 10, 2013, Budapest) Personal communication from EDF executive Laurent Bellet, April 12, 2015. Ursat, EDF-An energy leader committed to a sustainable water resources management. Ibid. Organisation for Economic Cooperation and Development, OECD Studies on Water Stakeholder Engagement for Inclusive Water Governance(OECD Publishing, April 13, 2015) - 87 -
- EDF는프랑스의현재및미래의예상에너지가격을근거로 EDF가 1m3당생산할수있는에너지가치와연계해물의가치를측정하는방법을개발함 Ÿ 동계산법으로각이해관계자가물사용을조절함으로써얻는이익과관개시설이물을절약함으로써얻는보수의측정이가능해졌고 EDF는물사용조절의혜택을확실히보여줄수있게됨 Ÿ 비즈니스의혼란이나중단의위험을줄이고지속적으로전기를생산할수있다는혜택을생각하면 EDF가관개시설에지불하는돈은높은이득에비해상대적으로소소한투자임 EDF는지역의주요농업관개시설두곳과물절약협약 (Water Saving Convention) 을체결하고, 이협약에따라관개시설은물사용량을줄이고 EDF는절약된양에따라보상을지급함 - 협약의핵심은관개시설들이물을절약하도록금전적보상을제공했다는점이며, 이러한장려책제공은관개시설이그동안의사업관행을바꾸도록동기를부여하고, 매년목표치를자유롭게수정할수있게함 - 동협약을통해 `00년부터 `06년까지연간 3억 2,500만m3였던농업용수소비량이현재 2억3,500만m3까지감소하였으며절약된물의약 84% 가자연생태계유지에사용돼, 환경에가해지는압박이경감됨 - 프랑스론-메디테라니-코르시카 (Rhone-Mediterranee-Corse) 물관리국은 2014년 EDF와동일한기술을듀랑스강유역전체에총괄적으로적용하고물을절약하도록장려하는통합관리기술을적용하기시작함 미국이매진 H2O(Imagine H2O) 이매진 H2O(Imagine H2O) 는 엑셀러레이터프로그램 (Accelerator program) 을통해기업가들의아이디어를확장가능한기술로실현시키고넥서스생태계의일원이되도록지원함 28) - 동기관은농업, 물효율, 오수재사용, 에너지및자원회복분야에서넥서스기술의혁신을추진하는단체이며기술기업, NGO 등으로부터투자지원을받음 Ÿ 웰스파고 (Wells Fargo) 등금융기관, 오토데스크 (Autodesk) 등첨단기술기업, 버클리에너지및자원협력체 (Berkeley Energy and Resources Collaborative) 등 NGO, 어그테크실리콘밸리 (AgTech Silicon Valley) 와같은기관들이이매진 H2O를지원함 H2O 경진대회우승자인넥서스이워터 (Nexus ewater) 는물과에너지절약을위한기술로넥서스이워터재활용장치 (Nexus ewater Recycler) 를개발함 28) Imagine H2O, The water-energy nexus competition: Water businesses that save energy, April 13, 2015. Imagine H2O, Select company profiles, April 13, 2015 KB Home, KB Home doubles up on water and energy efficiency with debut of double ZeroHouse 3.0 in Norern California, press release, October 2, 2014. Nexus ewater, The techonology behind grey water and home water recycling, April 13, 2015. - 88 -
- 동기술을이용하면가정내물사용을 34%, 하수용량을 70% 줄이고, 기존의기술에비해 75% 가적은에너지를사용해온수를공급할수있음 - 정수와급탕기능이결합된시스템으로설계된넥서스이워터재활용장치는가정오수를잔디밭이나변기에사용해도안전할정도로재생하는동시에오수의폐열을추출해온수탱크에저장함 프랑스베올리아 (Veolia Water) Veolia Water는 100% 에너지자립형폐수처리시설을건설하여활용하고있음 29) - 동시설에유입되는폐수의농도를예측하여생산되는슬러지고온소화 (thermophilic digestion) 과정에서생산되는열을이용하여폐수처리시설에필요한에너지의 60% 를공급함 - 나머지에너지는매립지가스에서얻으며, 소화된슬러지와처리된폐수는근처의농업용수와비료로사용됨 CHEVRON ( 정유회사 ) 미국캘리포니아에서오일 1배럴을생산할때마다 10배럴의물을생산하여오일생산과정에이용하며 182km 2 면적의농장에농업용수공급 California 오일추출과정에서물과오일을분리하고그과정에서발생한물을재이용하기위하여수처리과정을통하여매일 2,650 m 3 의물생산 수자원및에너지기업간상호협업 2008년캘리포니아의투자자소유에너지공급회사인 PG&E는같은주의여러수도회사와협력해고효율세탁기에대한보상프로그램개발 - 이러한협력으로개별기업들이따로프로그램을운영할때보다사용자에게더많은보상을제공 - PG&E는수도회사들이프로그램에참여한후고객참여도가 63% 증가하는것을목격했고, 수도회사들역시고객참여도가 30% 상승 텍사스세기업오스틴수도회사, 텍사스가스서비스, 오스틴에너지협업 - 이들은함께다가구에너지및물효율프로그램 (Multifamily Energy and Water Efficiency Program) 개발 - 미국에너지부 (US Department of Energy) 의일부지원을받는이프로그램은물, 전기, 가스자원의보존을목적으로설계되었으며다가구주거시설에자원효율적주택개조를지원 - 1,900여개다가구주택을개조할예정이며, 이를통해연간약 470만kWh의전기와 3,785만l의물을절약 29) Water, Energy and Climate Change A contribution from the business community, World Business Council for Sustainable Development(WBCSD), 2009. - 89 -
- 이프로그램은하나가아닌세가지자원모두의효율달성을목표로총괄적인접근을했다는점에서혁신적 - 이다. 이는개조비용을주택소유주가부담하지만자원효율성개선의혜택은세입자가얻어개선사업을좌절시키는원인이되는 인센티브분할 (Split incentive) 이슈를해결 나 국가별 기술개발동향 메콩강위원회 메콩강유역 ( 중국, 미얀마, 라오스, 베트남, 캄보디아, 태국 ) 의수자원, 수력발전, 식량등의종합적접근필요 메콩강상류중국의대규모수력발전건설에따른자원위기의주요문제제기 협의체의접근방법 (Sector based approach, Governance, Science- Policy Interface) 베트남 Red 강 베트남의근대화및산업화를위해많은물과전기가필요함에따라물사용을규제하였고, 이로인해농작물의재배에영향이가면서물사용에대한분배를위해장기적 / 다방면전략이필요함을깨닫고수립중 인도에서는물-에너지-식량넥서스와관련하여지하수분야에서활발한연구가이루어지고있으며상황에맞는넥서스적용의필요성이대두됨 30) 인도 West Bangal 주에서는 Metering 시스템을도입하여전기세감소, 물공급시간단축, 물절약이가능해짐 - 인도 West Bangal 주에서는모든관정에대하여일반적으로적용되는일사용량계측시스템을적용하고있으며동시스템의 90% 가원격전기계측임 - 물의이용적측면에서는, 물공급배분에필요한플라스틱파이프의적용이증가되었으며, 수로의관리가개선되고, 지하의물공급 Line이설치됨 인도 Karnataka 주의경우넥서스의적용을위한시도가이루어졌으나, 계량기설치가미흡하여에너지사용량에대한추정이정확하지않았으며, 공급자입장에서정확한진단이불가하였고, 물과에너지의불법적활용이발생되는등의문제가나타남 네덜란드, 캐나다, 일본, 프랑스, 독일, 이스라엘등의선진국들은시설원예재배기술을개발및활용중임 시설원예는각종원예작물의재배에필요한온도, 광, 수분, 무기영양, 가스등의환경조건을작물생육에적합하게인위적으로제어하는자본집약적기술임 30) Aditi Mukherji, International Centre for Integrated Mountain Development, held on the Bonn 2014 Nexus Conference, Sustainability in the Water-Energy-Food Nexus, 19-20 May 2014-90 -
- 시설원예는환경조절인자를작물생장에최적화하여농가소득과농업생산상향상에기여하지만, 필수적으로적정에너지와물공급이필요함 - 재배환경을제어하기위한냉 난방시설의운용이필요한시설원예는에너지의존도가높기때문에에너지효율향상기술이필요함 - 시설원예는토양을이용하는방법 ( 토경재배 ) 과토양을이용하지않는방법 ( 수경재배 ) 으로구분되며작물종류, 주변환경등에따라재배방법을선택함 - 수경 ( 양액 ) 재배는필요한영양성분을작물이적절하게흡수할수있도록알맞은농도로조절된배양액에식물을심어산소를공급해주며재배하는방법으로오이, 토마토, 방울토마도, 고추, 상추, 미나리, 장미, 카네이션등의재배에이용함 - 네덜란드는유리온실을이용한시설원예재배기술을개발하여활용중이며 Agriport와 Greenport 지역을중심으로대규모화추세임 캐나다는에너지절감형플라스틱온실개발및구조안전성향상기술개발에관한연구진행및보급중임 - 지리적인특성을고려하여영하 40 C까지내려가는악조건에서도저비용의에너지절감형플라스틱온실과천연구사를이용한 CHP로현재파프리카생산량은 25kg/m2(250톤 /ha, 네덜란드 300톤 /ha) 로네덜란드제품과경쟁중임 일본은에너지절감형플라스틱온실개발및구조안전성향상기술개발에관한연구가활발히진행중이며현재보급중임 간척지에조성된대규모온실단지 ( 가고매 ) 는지진등에의한피복재의이탈을방지하기위하여유리보다는불소필름을피복재로이용함 프랑스, 독일, 이스라엘등의선진국들의온실특징은기본적으로갖추어야될주요성능 ( 투광성, 환기, 실내환경조절, 에너지효율제고, 유지관리편의성등 ) 을겸비한최적구조및자재표준화기술을개발중임 국외에서는넥서스개념이중요해지면서물 식량 에너지자원들간의연계해석방법및넥서스플랫폼구축등에대한연구가진행중임 - Howells et al. (2013) 은물, 식량, 에너지문제에초점을맞추어수문모델과, 토지이용모델, 에너지모델을통합할수있는 CLEW( 기후, 토양, 에너지, 물 ) 모형을개발함 31) - Mohtar and Daher (2014) 는물, 식량, 에너지요소간의상쇄작용 (trade-off) 를고려한웹기반 WEF-Nexus 시스템을개발하여배포하고있으며, 요인별다양한시나리오의적용이가능하도록플랫폼을설계함 32) 31) Howells, M., Hermann, S., Welsch1, M., Bazilian, M., Segerstrm1 R., Alfstad, T., Gielen, D., Rogner, H., Fischer, G., Velthuizen, H., Wiberg, D., Young, C., Roehrl, R.A., Mueller, A., Steduto P., and Ramma, I., 2013. Integrated analysis of climate change, land-use,energy and water strategies, Nature Climage Change, Vol. 3: 621-626. - 91 -
국내외사례를반영한실정적용방안 가 소규모넥서스구축기술도출 세종시 ( 친환경녹색도시 ) 건축물, 도로등도심곳곳의태양광발전을통한에너지자족도시화 국립세종도서관 ( 도서관전체의 33% 를신재생에너지활용 ) - 태양광을이용한전기절약, 빗물을정원수로활용, 지열로냉난방 전체에너지의 15% 를스스로생산하는에너지자족도시목표 대구시 정주인구 5만의테크노폴리스와국가산업단지를신재생에너지와스마트그리드, ICT기술이융합된분산전원형에너지자족도시로조성하기위한에너지자립화방안과사업구체화방안등을수립하고, 본격적으로사업을추진할계획이며, 향후대구전역으로확대 연료전지와태양광발전시설로시간당 70메가와트의전력을생산해자체공급한다는계획 인천 ( 덕적도 ) 하이브리드에너지-물자립형마을공동체모델 인천시가한국건설기술연구원과공동으로개발한풍력 태양광 수력터빈등을활용한발전시스템이용 2020년까지디젤발전으로전기를공급하고있는서해5도등인천지역 14개도서를대상으로사업을진행할계획 울릉도에너지자립 1단계사업으로 2017년까지신재생에너지비중확대를위해디젤발전을축소하고수력, 풍력, 태양광, ESS 설치를통한연계시스템구축 2단계사업으로는 2018~2020년까지울릉도의우수한지열자원을활용한지열발전, 연료전지, ESS 설비추가로디젤발전을 Zero화하고전기차와전기어선등을보급해세계최초의 100% 탄소 ZERO 친환경에너지자립섬을구축계획 홍천 ( 친환경타운 ) 기피시설 을 에너지시설 로전환 32) Mohtar, R.H. and Daher, B., 2014. A Platform for Trade-off Analysis and Resource Allocation: The Water-Energy-Food Nexus Tool and its Application to Qatar s Food Security, a Valuing Vital Resources Research Paper, Chatham House. - 92 -
폐기물 을 자원화 친화경에너지신사업창출 바이오가스정제시설을통해가축분뇨와음식물찌꺼기로바이오가스생산 ( 퇴비와액비를생산해판매 ) 이를또다시도시가스로정제해인근주민과군부대에공급 ( 국내첫사례 ) 신재생에너지인태양광발전과소수력발전- 홍천군소매곡리주민들에게연간 1억4,000만원의수익기대 나 소규모넥서스구축기술도출 한국형물, 에너지, 식량자립마을 (WEF 3.0) 구축을위한융합기술 ( 정의 ) 한국의환경에적합한물, 에너지, 식량의연계를통한고효율, 저비용의자족형자원생산및소비를갖춘자립형마을구축 - 3R(Reuse, Recyle, Reduce) 를통한자원효율극대화 - 유역이해당사자들의협의를통한소규모자족마을실현 물, 에너지, 식량자립기술활용검증 ( 물 ) 최저에너지및식량생산을통한물확보방안 ( 에너지 ) 국내에너지자립섬프로젝트확대전파 ( 태양광, 풍력, 지열연계 Net Zero 에너지자립섬구현 ) ( 식량 ) 물소비최소화 / 물순환활용극대화방안을적용한작물재배시설구축 물, 에너지, 식량자립마을관리를위한 Smart Water-Energy-Food Grid System 구축 [ 그림 3.9] 지열및수열을활용한냉난방자립화 - 93 -
[ 그림 3.10] 소규모시설재배 [ 그림 3.11] 관개기술향상을통한물 - 에너지식량연계기술 지역특성에적합한물, 에너지, 식량자급률향상 자원, 에너지의선순환 (Recycle, Reuse, Reduce) 을통한자원이용효율극대화 CO2 Zero 및자원활용, 효율및시너지극대화를위한맞춤형물, 에너지, 식량넥서스기술개발및적용 물, 에너지, 식량연계를통한자원연계형소규모넥서스 Village 가시화 자원의자립도및에너지효율 95% 달성가능을위한기술 - 94 -
소결 국외에서의물, 에너지, 식량연계기술은대규모국가적인사업의형태보다는 소규모의가시화등을통하여이해당사자들간의협의를통해자원안보의효 과를창출하고있음 특히부처별관련정책등이상호연관성이있으나, 구체적인협업체계가 구축되지않고개별자원의확보및생산에치중하고있음 메콩강위원회, 베트남 RED 강및관련기업간상호협업등물, 에너지, 식량 넥서스의기술및실용화를위해거버넌스의협업체계가바탕이된기술이 다수임 국외에서는넥서스개념이중요시되면서물 - 에너지 - 식량자원들간의연계 해석방법및넥서스플랫폼구축등에대한연구가활발히진행중에있음 국내에서도대규모넥서스산업단지의구축을위해먼저소규모패키지형태 의넥서스플랫폼구축을통한단기적가시화를통해서점차장기적대규모 사업으로확장할필요가있음 한국형물, 에너지, 식량자립마을 (WEF 3.0) 구축을위한융합기술을통한넥서스기술의가시화및실용화에중점을두어야함 ( 정의 ) 한국의환경에적합한물, 에너지, 식량의연계를통한고효율, 저비용의자족형자원생산및소비를갖춘자립형마을구축 - 3R(Reuse, Recyle, Reduce) 를통한자원효율극대화 - 유역이해당사자들의협의를통한소규모자족마을실현 - 95 -
4 절. WEF Nexus 관련시장동향 1. 물산업시장동향 세계물시장의동향및트랜드 GWI(2016) 33) 에따르면, 세계물시장은 2016년기준 7,139억불로추정되며, 2020년까지연평균 3.8%( 자본지출 5.3%, 운영지출 2.8% 성장예상 ) 로성장할것으로기대 < 표 3.7> 세계물시장동향 구분 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2030 합계 678,983 685,498 694,112 713,916 738,489 767,252 800,021 834,109 1,130,617 1) 수자원개발 24,351 18,876 17,904 17,337 18,040 19,789 21,257 22,702 20,539 2) 해수, 기수담수화 4,260 3,281 2,717 2,873 3,021 3,966 4,708 4,988 6,248 3) 상수도 270,426 271,012 277,326 285,821 294,998 304,428 314,223 325,605 425,344 -상수도관망 55,275 53,710 55,358 57,927 61,318 64,277 67,245 70,849 101,005 -정수시설 27,111 25,933 26,335 27,255 28,649 29,875 31,215 32,767 42,954 -운영유지 188,041 191,370 195,634 200,639 205,031 210,276 215,764 221,989 281,385 4) 하수도 250,065 257,168 264,088 274,414 286,637 298,659 312,944 326,536 480,332 -하수도관망 69,204 72,075 73,634 77,724 81,986 86,799 91,189 96,772 156,237 - 하수처리시설 38,785 38,862 39,787 41,027 42,963 45,175 47,382 49,903 71,531 - 슬러지처리 9,583 9,953 10,641 11,183 11,874 12,621 13,145 13,859 23,476 - 운영유지 132,493 136,279 140,026 144,481 149,814 154,063 161,228 166,002 229,088 5) 산업용수 129,881 135,161 132,077 133,471 135,793 140,410 146,889 154,278 198,155 - 산업용수설비 20,438 21,174 19,609 20,274 21,539 23,210 25,063 27,087 40,506 - 운영유지 109,444 113,987 112,468 113,197 114,254 117,201 121,826 127,191 157,650 물관련공적개발원조 (ODA) 외교통상부산하한국국제협력단 (KOICA), 유엔개발프로그램 (UNDP) 을중심으로한개도국지원사업과기타정부부처, 국영기업체에서의개발사업을말하며, 우리나라의공적개발원조중수자원분야의실적은상대적으로미미 - 96 -
공적개발원조중수자원분야의지원규모는 11년기준 22개국총 862억원규모 34) 이다. 물관련분야 ODA 중 식수개발및위생처리시설에포함되지않는기타 분야가 213억원으로가장많은비율을차지하고있으며, 지원지역중아시아지역의지원실적이 657억원으로가장많은비율 [ 그림 3.12] 물관련 ODA 분야별지원실적 [ 그림 3.13] 물관련 ODA 지역별지원실적 05 년이후 KOICA 의공적개발원조 (ODA) 는전체사업비의평균 4.6% 정도 만이수자원과관련된분야에지원 34) 통계로보는한국의수자원 (2013, 국토교통부 ) - 97 -
[ 그림 3.14] ODA 사업전체실적대비수자원분야실적추이 (2005~2011) < 표 3.8> 해외건설정책지원현황 구분해외건설시장개척지원국토부인프라 MP 지원글로벌인프라펀드 (GIF) 성격 중소기업중심해외시장개척지원 ODA 중점협력국중심패키지형인프라수출 MP+ 후속사업연계 민간차원해외투자개발촉진 대상 미진출또는최근 5 년간수주실적 4 억불미만국가 ODA 중점협력국우선대상, 업계진출이유망한국가 해외인프라건설관련사업 지원내용 개별기업시장개척비용 ( 타당성조사, 국외활동비등 ) 인프라 MP 비용 지분 (Equity) 또는대출채권 (Loan) 투자 지원규모 건당최대 2~5 억원 ( 타당성조사는 3 억원 ) 건당 10 억원내외 건당 5 억원이내 주요실적 알제리통합물관리시스템구축 FS 태국뜨랑유역통합물관리시스템구축 FS 이란 SWMI 구축 이란 Karun2 수력발전 FS 태국지역단위통합물관리시스템구축 FS 미얀마에야와디수자원 MP 페루리막강복원 MP 인니술라웨시수자원 MP 태국살라윈짜오프라야강수자원 MP 파키스탄파트린드수력발전사업 운영규모 약 60~70 억원 (2 회 / 년 ) 민관공동투자 3,500 억원조성 주관해외건설협회, 국토교통부 - 98 -
정부의다양한물관련지원사업 중소기업중심의개별시장개척비용을지원하는해외건설시장개척지원사업 우리기업참여확대를위한인프라마스터플랜사업지원 글로벌인프라펀드 (GIF) 를조성하여투자개발형인프라건설사업지분투자및타당성조사지원 한국의물산업현황 2014년국내물기업매출액은약 30조원 ( 환경부물산업통계조사 (2015)) 국내기업해외진출은 2015년기준약43억달러, 세계물시장의약 0.62% 해외건설종합정보서비스의해외건설실적자료중물분야해외건설실적을산정 물분야 ODA 규모는 2014년기준약 313억원규모 ( 전체의 6.9%, KOICA) GWI(2017) 에따른한국의물시장규모 ( 상하수도분야위주 ) 는 2015년약 121억달러, 2020년 137억달러규모전망하여연평균약 2.8% 성장전망 < 표 3.9> 2014년한국물산업매출액 구분 2014년물산업매출액 ( 백만원 ) 물산업전체 30,675,106 병물 ( 먹는샘물, 해양심층수등 ) 498,399 이온교환수지 1,120,977 응집제 795,863 활성탄 45,320 부식억제제 106,715 ph조절제및기타 17,719 살균소독제 22,709 media 여과시스템 106,093 플라스틱관 1,091,428 콘크리트관 570,712 주철관 376,842 강관 3,824,782 동관 330,782 기타비철금속관 199,808 유량계 221,446 제어 / 주입시스템 289,802 이온교환 /EDI 40,776 소독 / 산화시스템 7,406 펌프 1,140,057-99 -
구분 2014년물산업매출액 ( 백만원 ) 벨브 1,285,490 스크린설비 946,022 하수고도처리장치 35,276 멤브레인 90,884 정수기 1,499,622 표준처리장치및시스템 94,774 슬러지처리장치 68,405 수도꼭지 269,759 저수조 426,432 종합건설 ( 수자원 ) 347,114 종합건설 ( 수질오염방지법 ) 708,726 상하수도설비공사법 1,717,881 기계설비법 2,004,253 정수장시설운영 5,219,684 하수처리장운영 2,525,604 개인하수처리시설관리및운영 19,383 하폐수재이용운영 388,360 축산분뇨처리시설운영 55,363 측량 98,015 구조물검사 31,629 수도관갱생 66,244 시설물유지관리 381,707 설계 ( 상하수도시설 ) 363,303 컨설팅 78,258 조사업 (cctv, 누수탐사 ) 2,240 수질시험및분석 195,634 분뇨, 오니수집및운반 383,861 저수조청소 966 지하수정화 12,731 슬러지처리 549,851 네덜란드물산업 자국의강점과미래시장기회를바탕으로 2005 년물산업개념을새롭게정립, 크게상하수도기술과델타기술 (Delta technology) 로분류 - 100 -
< 표 3.10> 네덜란드물산업현황 ( 단위 : 10억유로 ) 구분 국내 해외 합계 전체물산업 10.7 6.5 17.2 델타기술 3.5 4.0 7.5 하이드로엔지니어링 (Hydraulic Engineering) 물관리 (Water management) 물과녹색 (Water & Green) 1.2 1.6 0.7 3.8 0.1 0.1 5.0 1.7 0.8 상하수도기술 7.2 2.5 9.7 상수도하수도센서링및모니터링 4.1 2.7 0.4 1.2 1.2 0.1 5.3 3.9 0.5 2. 에너지시장동향 국제유가전망 2014년상반기까지 100달러선을유지하던국제유가가최근급락세를나타내며 2009년 4월이후최저치수준으로하락 - ( 뉴욕상업거래소 ) 서부텍사스원유 (WTI) 선물가격이배럴당 $46.25, 북해산브랜트유 $47.67, 두바이유 $44.48 기록 (1.15 기준 ) - WTI유 105달러, 브랜트유 112달러, 두바이유 108달러 (2014. 6) [ 그림 3.15] 10 년간국제월별유가추이 (2005.1~2015.1) 신재생에너지시장동향 2014 년신재생에너지시장은제도개선과새로운정책도입 - 101 -
- 제 4 차국가신재생에너지기본계획확정 ( 14.9) Ÿ Ÿ Ÿ 1 차에너지의 11%(2035 년기준 ) 를신재생에너지로공급 2035 년까지태양광 (2.7 14.1) 과풍력 (2.2 18.2) 을핵심에너지원으로육성 발전사의무이행 3 년범위에서연기가능 < 표 3.11> 신재생에너지기준원별비중목표 ( 단위 : %) 구분 2012 2014 2025 2035 연평균증가율 태양열 0.3 0.5 3.7 7.9 21.2 태양광 2.7 4.9 12.9 14.1 11.7 풍력 2.2 2.6 15.6 18.2 16.5 바이오 15.2 13.3 19.0 18.0 7.7 수력 9.3 9.7 4.1 2.9 0.3 지열 0.7 0.9 4.4 8.5 18.0 해양 1.1 1.1 1.6 1.3 6.7 폐기물 68.4 67.0 38.8 29.2 2.0 신재생에너지공급의무화제도 (RPS, Renewable Portfolio Standard) 35) 관리 및운영지침개정 ( 14.9) - 수상태양광설치장소확대 ( 기존다목적댐, 발전용댐, 저수지에서용수댐과 담수호로확대 ) - 수상설치시규모에따라 REC (Renewable Energy Certificate) 가중치를상 향조정 ( 수상설치시 1.5 가중치 ) RPS 연도별공급의무비율조정으로공급의무자이행률제고 - RPS 공급의무자 ( 발전사 ) 들의의무이행률 (64.7%(2012 년 ), 67.2%(2013 년 )) - RPS 의무이행목표 ( 총전력생산량의 10%) 달성시기를 2 년연장 ( 22 년 24 년 ) < 표 3.12> RPS 연도별공급의무비율개정 ( 안 ) ( 단위 : %) 연도 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 현행 3.5 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 개정 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 3. 식량시장동향 국내농업현황 지난 10여년간 (ʼ03~ʼ12년) 전통적인 1차산업인농업부문의국내총생산 (GDP) 기여율이지속적으로감소 - 2012년기준으로 10년전에비해농림업생산액은 ʻ03년 33조 160억원에서 35) 50 만 Kw 이상의설비용량을갖춘대형발전사들이연간전력생산량가운데태양광, 풍력등신재생에너지로채워야 하는물량으로이를충족하지못하면과징금부담 - 102 -
ʼ12 년 46 조 3,570 억원으로 40.4% 증가 - GDP 대비농림업부가가치비중은 ʻ03 년 3.2% 에서 ʼ12 년 2.2% 로감소하였 으며, 장기적으로정체상태를보임 [ 그림 3.16] 농림업생산액및 GDP 대비부가가치비중 현재우리나라농업은농업선진국에비해경쟁력이낮은수준 - 미국, 네덜란드등농업선진국과비교했을때, 우리나라농업은농축산물수출액이저조하여내수에그치고있으며무역수지적자등농업에대한위상이하락 - 네덜란드에비해우리나라농업은재배및생장환경관리기술의미흡으로생산비의투입이많아소득률이 19~27% 수준으로낮음 파프리카생산성 : 네덜란드 300톤 /ha, 한국 190톤 /ha ( 선도농기준 ) [ 그림 3.17] 농축산물수출액 (2011) [ 그림 3.18] 농축산물무역수지 (2011) - 103 -
소결 중소기업중심의개별시장개척비용을지원하는해외건설시장개척의지원은활발히진행될것으로예상됨 저탄소생산을위한수상태양광및풍력, 태양열등신재생에너지의필요성이증대함에따라물, 식량등과연계한다양한신재생에너의확보가필요함 현재해외의존도가매우높은에너지생산구조에서잠재적위험을가지고있는원자력에의한에너지생산집중현상에서신기후체제에따른 CO2 감소의무량정책을반영한신재생에너지개발및활용방안필요 현재식량자급률이 47.2% 로서 OECD 국가중최하위로서식량생산의다양성을통한국내식량시장에선도할필요가있음 향후통일대비한반도국토에대한북한인구증가에따른자원수급의증대가예상됨에따라자원확보를통한자족형자원시장형성이가능 - 104 -
5 절. WEF Nexus 관련논문 특허동향 특허동향 가 특허분석개요 WEF Nexus 사업범위로설정한 넥서스 DB 공유체계및영향평가툴, 넥서스요소기술및 ICT 기반연계기술 을대상으로수행함 한국, 미국, 일본, 영국, 독일, 프랑스의 6개국특허청에 `00년이후출원된공개, 공고 / 등록된특허를분석대상으로함 사용 DB는 FOCUST 특허검색시스템을이용하여소분류별, 출원국별특허정보를수집하고, 유효특허를대상으로특허활동도, 특허집중도, 특허시장력, 특허경쟁력, 특허영향력의 5개항목을분석 / 평가함 < 표 3.13> 특허분석개요분석대상내용국가한국, 미국, 일본, 영국, 독일, 프랑스 DATA 공개, 공고 / 등록특허적용기간출원일기준 2000. 01. 01. ~ 2016. 12. 31. 평가지표특허활동도, 특허집중도, 특허시장력, 특허경쟁력, 특허영향력활용DB FOCUST DB (focust.wosdomain.net) 특허는특허활동도및특허집중도등양적지표와, 특허시장력, 특허영향력 등의질적지표를분석 / 평가함 < 표 3.14> 특허평가지표설명 양적지표 평가지표 특허활동도 (PAI) 특허집중도 (PII) 내용설명 특정국가의해당기술분야에서얼마나많은특허가출원되는지를양적으로측정하는지표로서, 특허활동도가높을수록특허출원수가양적으로많다는것을의미함특정국가특허출원수 전체특허출원수 특정국가의상위기술분야출원특허중에서해당기술분야의특허출원이차지하는비중을측정하는지표로서, 특허집중도가높을수록특정국가의특허출원이해당기술분야에집중되어있다는것을의미함 특정국가의특정기술전체특허수 특정기술전체특허수 특정국가의전체출원건수 전체특허수 질특허 특정국가의해당기술분야에서출원된특허중패밀리특허수가차지하는비중을 - 105 -
적지표 시장력 (PMI) 특허경쟁력 (PSI) 특허영향력 (PCI) 측정하는지표로서특허시장력이높을수록출원된특허당패밀리특허 * 가많다는것을의미함 (* 패밀리특허란동일한내용의특허를 2개이상의국가에출원한것을의미함 ) 특정국가평균특허 국가수 전체평균특허 국가수 삼극특허 ( 유럽, 일본, 미국특허청에모두출원된특허 ) 건수를통해해당특허의경쟁력을판단함특정국가삼극특허수 전체삼극특허수 특정국가의해당기술분야에서등록된특허중특허당피인용횟수를측정하는지표로서특허영향력이높을수록등록된특허당피인용횟수가많다는것을의미함 ( 피인용횟수가많은특허는원천기술에가까워, 향후해당특허를기반으로많은응용이예상되는핵심적인특허로볼수있음 ) 특정국가의피인용횟수 특정국가의등록특허건수 전체피인용횟수 전체등록특허건수 나 특허분석결과 WEF Nexus 관련특허출원건수는 `00년 41건에서등락을거듭하고있음 WEF Nexus 관련특허는 `00년부터 `16년 12월까지총 1,298건출원된것으로나타남 `02년 170건으로매우많은특허가출원되었으며, `13년까지연간 100건내외의출원건수를보이다가최근에는감소하는경향임 - `16년 12월기준출원일이후 1년 6개월이경과하지않아검색되지않은특허출원이존재하는것을감안하면최근출원건수는정확히확인되지않음 [ 그림 3.19] WEF Nexus 관련기술연도별특허출원건수 (`00~`16) - 106 -
WEF Nexus 관련특허출원건수중미국이가장큰비중을차지하고있으며한국을제외한국가들은출원건수가정체중인것으로나타남 미국 (67.6%) 에이어한국 (13.9%), 유럽 (13.3%), 일본 (5.3%) 순으로높은비중을차지하고있음 [ 그림 3.20] WEF Nexus 기술관련연도별국가별특허출원건수및비중 (`00~`16) 한국의특허출원건수는 `00 년 3 건에서 `12 년 30 건으로증가하여전반적으로 증가하는추세를보임 [ 그림 3.21] WEF Nexus 기술관련연도별특허출원건수 ( 한국, `00~`16) 미국의특허출원건수는 `00 년 26 건에서 `02 년 150 건으로증가한후정체되는 움직임을보임 - 107 -
[ 그림 3.22] WEF Nexus 기술관련연도별특허출원건수 ( 미국, `00~`16) 일본의특허출원건수는 `01 년 5 건에서 `03 년 10 건으로증가한후전반적으로 하락하는추세를보임 [ 그림 3.23] WEF Nexus 기술관련연도별특허출원건수 ( 일본, `00~`16) 유럽의특허출원건수는 `00 년 12 건에서 `09 년 13 건으로 10 건이상의출원수를 보이다가이후전반적으로하락하고있음 [ 그림 3.24] WEF Nexus 기술관련연도별특허출원건수 ( 유럽, `00~`16) - 108 -
WEF Nexus 관련기술은특허출원건수와특허출원인수가빠르게증가하고 있는 성장기 단계인것으로분석됨 [ 그림 3.25] WEF Nexus 관련기술의성장단계 [ 그림 3.26] 기술성장단계곡선 - 109 -
논문동향 가 논문분석개요 WEF Nexus 사업범위로설정한 넥서스 DB 공유체계및영향평가툴, 넥서스요소기술및 ICT 기반연계기술 을대상으로수행함 `00년이후게재된논문을분석대상으로함 사용 DB는 Thomson DB 논문검색시스템을이용하여소분류별로논문정보를수집하여추이분석을수행하고, 국가별논문정보를수집하여유효논문을대상으로논문활동도, 논문집중도, 논문영향력의 3개항목을분석 / 평가함 < 표 3.15> 논문분석개요 분석대상 내용 국가 한국, 미국, 일본, 영국, 독일, 프랑스 DATA Thomson DB 등재논문 적용기간 발간일기준 2000. 01. 01. ~ 2017. 01. 31. 평가지표 논문활동도, 논문집중도, 논문영향력 활용DB Thomson DB (www.thomsoninnovation.com) 논문은논문활동도및논문집중도등양적지표와, 논문영향력의질적지표를 분석 / 평가함 < 표 3.16> 논문평가지표설명 양적지표 평가지표 논문활동도 (PAI) 논문집중도 (PII) 내용설명 특정국가의해당기술분야에서얼마나많은논문이게재되었는지를양적으로측정하는지표로서, 논문활동도가높을수록논문게재수가양적으로많다는것을의미함 특정국가논문수 전체논문수 특정국가의상위기술분야논문게재중에서해당기술분야의논문게재가차지하는비중을측정하는지표로서, 논문집중도가높을수록특정국가의논문게재가해당기술분야에집중되어있다는것을의미함 특정국가의특정기술논문수 특정기술논문수 특정국가의전체논문수 전체논문수 질적지표 논문영향력 (PCI) 특정국가의해당기술분야에서게재된논문중논문당피인용횟수를측정하는지표로서논문영향력이높을수록등록된논문당피인용횟수가많다는것을의미함 ( 피인용횟수가많은논문은원천기술에가까워, 향후해당논문을기반으로많은응용이예상되는핵심적인논문으로볼수있음 ) 특정국가의논문인용수 전체논문인용수 - 110 -
나 논문분석결과 WEF Nexus 기술 관련논문게재건수는 `00년 53건에서 `16년 666건으로증가함 WEF Nexus 기술 관련논문은 `00년부터 `17년 1월까지총 4,083건게재된것으로나타남 `00년부터 `06년까지대체로 100건미만의게재건수를기록하였으나, `10년이후매년게재건수가급격히증가하고있음 [ 그림 3.27] WEF Nexus 기술관련연도별논문게재건수 (`00~`17.01) WEF Nexus 기술 관련주요 6개국의논문게재건수 1,578건중미국이가장큰비중을차지하고있으며게재건수가증가하는것으로나타남 미국 (51.6%), 영국 (16.8%), 독일 (12.9%), 일본 (8.0%), 프랑스 (7.4%), 한국 (3.3%) 순으로높은비중을차지하고있음 [ 그림 3.28] WEF Nexus 기술관련연도별국가별논문게재건수 (`00~`17.01) 한국의논문게재건수는 `07 년까지거의게재되지않다가 `08 년이후꾸준히 상승세를보이고있음 - 111 -
[ 그림 3.29] WEF Nexus 기술관련연도별논문게재건수 ( 한국, `00~`17.01) 미국의논문게재건수는 `00 년 19 건에서 `16 년 108 건으로증가하였으며 `11 년부터크게증가하여연간 80 건이상게재되고있는추세임 [ 그림 3.30] WEF Nexus 기술관련연도별논문게재건수 ( 미국, `00~`17.01) 일본의논문게재건수는 `08 년까지꾸준한증가세를보이다 `09 년 5 건으로 하락한후다시건수가증가하는중임 [ 그림 3.31] WEF Nexus 기술관련연도별논문게재건수 ( 일본, `00~`17.01) 독일의논문게재건수는 `00 년 4 건에서 `16 년 31 건으로대체로증가함 - 112 -
[ 그림 3.32] WEF Nexus 기술관련연도별논문게재건수 ( 독일, `00~`17.01) 프랑스의논문게재건수는 `12 년까지보통 5 건내외의건수를보이다가 `13 년부터높은수치를보이고있음 [ 그림 3.33] WEF Nexus 기술관련연도별논문게재건수 ( 프랑스, `00~`17.01) 영국의논문게재건수는 `00 년 1 건에서 `16 년 40 건으로꾸준한증가세를보 이고있음 [ 그림 3.34] WEF Nexus 기술관련연도별논문게재건수 ( 영국, `00~`17.01) - 113 -
WEF Nexus 기술의국가별논문활동도는미국이가장높은것으로나타남 논문활동도는미국, 영국, 독일, 일본, 프랑스, 한국순임 [ 그림 3.35] WEF Nexus 기술국가별논문활동도 소결 WEF Nexus 기술 은최근세계적으로주목받고있는기술분야로지속적인기술개발을통해세계시장을선점할수있는유망한기술분야임 특허출원으로성장단계를평가할때 WEF Nexus 관련기술은특허출원건수와특허출원인수가빠르게증가하고있는 성장기 단계인것으로분석됨 - 특허출원은 `00년이후등락을거듭하고있으며미국이 67.6% 로가장높은비중을차지하나, 한국의특허출원건수가가장높은증가율을보임 - 미국의경우양적지표뿐아니라질적지표에서도가장높은위치를차지하는것으로분석됨 - 반면특허출원에비해특허출원건수의증가율은크지않은것으로분석됨에따라아직개념및기초연구가중심을이루있는것으로판단됨 논문게재건수는 `00년 53건에서 `16년 666건으로증가하였으며미국이 51.6% 로과반이상의비중을차지하여가장높은논문활동도를보였음 - 대부분의나라에서논문게재는높은증가율을보이고있으며한국은 2016 년에급격히많은논문이게재되기까지꾸준히상승세를보이고는있으나타국에비해눈에띄는증가율을보이지는않았음 최근특허출원분석결과물, 에너지, 식량에대한연계측면보다는개별자원에대한수요예측및에너지분야에초점이맞추어진관리및생산기술개발이주를이루고있음 - 114 -
미래수요예측, 에너지-물동시발생시스템, 폐수여과물발자국시스템등이개발되어미래수요예측에기반한물-에너지생산에대한연구가활발히진행되고있음이확인되었으며, 에너지관리및생산, 재생에너지를이용한전기생산시스템등에대한특허가출원이확인되었음 최근논문게재분석결과물, 에너지, 식량의연계부문에대한기초연구가활발하게진행되고있으나, 3개자원의통합적인연계해석에대한구체적인연구는확인되지않고있음 물발자국에대한영향및데이터베이스구축, 지속가능한물-에너지회수공정등에대한논문이발표되었으며, 특정지역에서의물-에너지-식량에대한연계연구및기후변화등환경적요인에대한대응책, 농업분야에서에너지-식량의연계에대한연구가이루어지고있는것으로확인되고있음 - 115 -
4 장. 사업내용 1 절. 기술수요조사 1. 개요 동기술수요조사는 WEF Nexus 사업영역을구성하고기술개발이필요한기술아이템도출을목적으로함 산 학 연전문가를대상으로국내 WEF Nexus 기술확보를위해기술개발이필요한기술아이템에대한기술수요를조사함 기술수요조사는기술개발우선순위를파악하고기술개발과제간의효율적인자원배분방안을마련하기위한사전조사에해당됨 [ 그림 4.1] 기술수요조사절차 기술수요조사는기술수요조사설계, 기술수요조사수행, 기술수요조사결과분석, 기술수요조사결과활용순으로추진함 기술수요조사설계단계에서는기술수요조사서항목을결정하고기술수요조사대상자를설정함 기술수요조사수행단계에서는기술수요조사대상자에게조사서를발송하고회신함 - 116 -
기술수요조사결과분석단계에선기술분류체계와회신된기술아이템을매칭하고, 응답현황및기술분류체계별기술수요를분석함 기술수요조사결과활용단계에서는회신조사서내용으로동향및환경분석내용을보완하고, 기술아이템은중점분야별후보과제구성에활용함 2. 조사현황 현재기술수요조사는 2016년 11월초까지진행하여다양한전문가를대상으로조사수행함 조사기간은 2016년 10월 10일부터 11월 4일 (4주) 간진행 조사대상은내부기획연구진 (K-water 연구원, 날리지웍스 ), 분과별기획전문가위원 (35명), 수자원학회, 농공학회, 신재생에너지학회, 상하수도학회등 4개학회회원을대상으로함 조사방법은 E-mail을통한설문조사로수행함 현재까지 43개의기술아이템이제안되었음 < 표 4.1> WEF 넥서스기술아이템 연번 기술명 연계분야 Water Energy Food 1 국내맞춤형 W-E-F 연계해석및평가모형 Tool 개발 O 2 물 에너지 식량자립섬 (WEF 3.0 Island) 구축을위한융합기술 O O O 3 도심친환경열에너지공급을위한 Water Heat Grid 시스템구현기술 O O O 4 물, 에너지, 식량자립형마을 (WEF 3.0 Village) 구현기술 O O O 5 광역적복합유역 ( 유역, 하구및연안, 지표수-지하수 ) 물질순환해석기술 O 6 상수도시스템스케줄링을통한수요반응전력거래 O O 7 한국형 WEF 모델구현및친환경에너지 / 물 / 식량자립섬구축 O O O 8 농업분야물-식량-에너지연계계획수립및평가시범시스템개발 O O O 9 미시적물-에너지-식량넥서스평가시스템개발 O O O 10 다중최적화알고리즘을이용한물-에너지-식량 Trade-Off 평가기법개발 O O O 11 WEF Nexus 거버넌스개발 O 12 다단저류시스템과부력신축가변형수차가결합된다단저류식수력발전시스템개발 O O 13 WEF 관련법 제도에대한해외사례문석및법 제도적개선사항제시 O O O 14 신재생에너지를활용한에너지자립해수담수화 SWRO(Sea Water Reverse Osmosis) with Solar+ESS O O - 117 -
연번 기술명 연계분야 Water Energy Food 15 W-E-F Nexus 데이터베이스구축및평가모형개발 O O O 16 W-E-F 개별요소모델간의데이터공유를통한다이내믹모델평가플랫폼기술개발 O O O 17 물-에너지통합검토를위한발자국의변화분석 (Analysis of footprint change to study water-energy O O coordination) 18 W-E-F를연계한마이크로그리드단위의최적기술상용화 O O O 19 기상-수자원-에너지-식량넥서스영향평가및최적화를위한 Key Modeling 체계구축및실험적연구 O O O 20 도시 ( 지역 ) 단위물-에너지순환 ( 이용 ) 과제자원 (Resource) 실시간감시및관리시스템개발 O O 21 수자원사용용도별맞춤형수원활용및연계체계구축. O 22 자가에너지생산형저류조설계및운영기술 O O 23 물-에너지-식량넥서스통합관리를위한시스템다이내믹스기반의사결정지원시스템 O O O 24 해수및우수를활용한자립형 WATER-ENERGY SYSTEM 구축 O O 25 해수와우수를활용한수소생산및저장 SYSTEM 구축 O O 26 유역단위의저영향개발기법생애주기비용및에너지최적관리기술개발 O 27 GCAM(Global Change Assessment Model) 을이용한 Water-Energy-Food Nexus모형구축 O O O 28 WE create Feature. 약칭 WEF(Water, Energy &Food) 여기서 Feature는미래의 O O O 먹거리를상징 29 하천변홍수터를활용한저심도간접취수원기술개발 O 30 수력발전과연계한 W-E-F Nexus 향상및최적자원배분기술개발 O O O 31 유역별에너지자립형친환경통합유역관리 O O O 32 WEF Nexus의효율극대화를위한빅데이터적용연구 O O O 33 WEF Nexus의인문사회과학적영향조사및분석 O O O 34 WEF Nexus 제도-정책수립연구 O O O 35 WEF 자원연계효율화평가및장기적자원관리를위한빅데이터기반 NEXUS DB 구축 O O O 36 다목적댐보유에너지를활용한친환경 Hydro-Cooling DB Town 구축방안연구 O O 37 댐과보의저층수열에너지를활용한녹조확산방어방안연구 O O 38 WEF-Nexus 기술을적용한기존댐댐 ( 다목적, 발전용, 농업용 ) 리모델링및연계운영방안수립 O O O 39 도시형에너지-식량넥서스기술 : 음식물쓰레기를활용한에너지및비료생산공급시스템개발 O O 40 기후변화대비밭작물의안정적인생산성향상을위한물-식 O O O - 118 -
연번 기술명 연계분야 Water Energy Food 량-에너지연계효율개선기술개발 41 농업의영농기술 (SRI) 적용을통한물-식량연계방안연구 O O 42 WEF Nexus를위한컴포넌트별발자국인벤토리및정보체계구축 O O O 43 CO2 에너지자원화기반대규모해수냉방 담수 식물공장재배융 복합기술 O O 분류에따른사업영역의설정 사업영역설정 1안 : WEF 넥서스의목적별분류 사업영역설정 2안 : WEF 넥서스의프로세스별분류 사업영역설정 3안 : WEF 넥서스의 Target별분류 [ 그림 4.2] 분류에따른사업영역설정 연번 기술명 < 표 4.2> WEF 넥서스의사업영역설정 Nexus 의사결정지원시스템 사업영역설정 (1 안 ) 사업영역설정 (2 안 ) 사업영역설정 ((3 안 ) Nexus 요소및연계기술개발 DB 공유및평가툴W-EW-F E-F W-E 플랫폼구축 -F 정 책 제 도 WEF 구성요소기술개발 WEF 운영기 술개발 WEF 자립성및마을조성기술개발 안 보 효 율 가 치 서 비 스 1 국내맞춤형 W-E-F 연계해석및평가모형 Tool 개발 O O O 2 물 에너지 식량자립섬 (WEF 3.0 Island) 구축을위한융합기술 O O O 3 도심친환경열에너지공급을위한 Water Heat Grid 시스템구현기술 O O O - 119 -
연번 기술명 Nexus 의사결정지원시스템 사업영역설정 (1 안 ) 사업영역설정 (2 안 ) 사업영역설정 ((3 안 ) Nexus 요소및연계기술개발 DB 공유및평가툴W-EW-F E-F W-E 플랫폼구축 -F 정 책 제 도 WEF 구성요소기술개발 WEF 운영기 술개발 WEF 자립성및마을조성기술개발 안 보 효 율 가 치 서 비 스 4 물, 에너지, 식량자립형마을 (WEF 3.0 Village) 구현기술 O O O 5 광역적복합유역 ( 유역, 하구및연안, 지표수 - 지하수 ) 물질순환해석기술 O O O 6 7 상수도시스템스케줄링을통한수요반응전력거래 O O O 한국형 WEF 모델구현및친환경에너지 / 물 / 식량자립섬구축 O O O 8 농업분야물 - 식량 - 에너지연계계획수립및평가시범시스템개발 O O O O 9 미시적물 - 에너지 - 식량넥서스평가시스템개발 O O O 10 다중최적화알고리즘을이용한물 - 에너지 - 식량 Trade-Off 평가기법개발 O O O 11 WEF Nexus 거버넌스개발 O O O 12 13 14 다단저류시스템과부력신축가변형수차가결합된다단저류식수력발전시스템개발 WEF 관련법 제도에대한해외사례문석법 제도적개선사항제시 신재생에너지를활용한에너지자립해수담수화 SWRO(Sea Water Reverse Osmosis) with Solar+ESS O O O O O O O O O O 15 W-E-F Nexus 데이터베이스구축및평가모형개발 O O O O O 16 W-E-F 개별요소모델간의데이터공유를통한다이내믹모델평가플랫폼기술개발 O O O O 17 18 물 - 에너지통합검토를위한발자국의변화분석 O O O W-E-F 를연계한마이크로그리드단위의최적기술상용화 O O O 19 20 기상 - 수자원 - 에너지 - 식량넥서스영향평가및최적화를위한 Key Modeling 체계구축및실험적연구 도시 ( 지역 ) 단위물 - 에너지순환 ( 이용 ) 과제자원 (Resource) 실시간감시및관리시스템개발 O O O O O O O 21 22 수자원사용용도별맞춤형수원활용및연계체계구축. O O O O 자가에너지생산형저류조설계및운영기술 O O O - 120 -
연번 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 기술명 Nexus 의사결정지원시스템 사업영역설정 (1 안 ) 사업영역설정 (2 안 ) 사업영역설정 ((3 안 ) Nexus 요소및연계기술개발 DB 공유및평가툴W-EW-F E-F W-E 플랫폼구축 -F 물-에너지-식량넥서스통합관리를위한시스템다이내믹스기반의사결정지원시스템해수및우수를활용한자립형 WATER-ENERGY SYSTEM 구축 유역단위의저영향개발기법생애주기비용및에너지최적관리기술개발 GCAM(Global Change Assessement Model) 을이용한 Water-Energy-Food Nexus 모형구축 WE create Feature. 약칭 WEF(Water, Energy &Food) 여기서 Feature 는미래의먹거리를상징 하천변홍수터를활용한저심도간접취수원기술개발 수력발전과연계한 W-E-F Nexus 향상및최적자원배분기술개발 유역별에너지자립형친환경통합유역관리 WEF Nexus 의효율극대화를위한빅데이터적용연구 WEF Nexus 의인문사회과학적영향조사및분석 WEF Nexus 제도 - 정책수립연구 WEF 자원연계효율화평가및장기적자원관리를위한빅데이터기반 NEXUS DB 구축 다목적댐보유에너지를활용한친환경 Hydro-Cooling DB Town 구축방안연구 댐과보의저층수열에너지를활용한녹조확산방어방안연구 WEF-Nexus 기술을적용한기존댐댐 ( 다목적, 발전용, 농업용 ) 리모델링및연계운영방안수립 정 책 제 도 WEF 구성요소기술개발 WEF 운영기 술개발 WEF 자립성및마을조성기술개발 O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O 안 보 O O O O O O O O O O 효 율 O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O 가 치 서 비 스 38 39 40 41 42 도시형에너지 - 식량넥서스기술 : 음식물쓰레기를활용한에너지및비료생산공급시스템개발 기후변화대비밭작물의안정적인생산성향상을위한물 - 식량 - 에너지연계효율개선기술개발 농업의영농기술 (SRI) 적용을통한물 - 식량연계방안연구 WEF Nexus 를위한컴포넌트별발자국인벤토리및정보체계구축 CO2 에너지자원화기반대규모해수냉방 담수 식물공장재배융 복합기술 O O O O O O O O O O O O O O O O O O - 121 -
2 절. 사업의구조 사업추진방향설정 WEF Nexus 사업추진방향설정을위해내외부환경분석을통한강점, 약점, 기회, 위협요인을분석및 SWOT분석을수행함 SO 전략은기회요인을활용하여강점을극대화하는전략이며, ST 전략은강점을활용하여위협요인을극복하는전략임 WO전략은약점을최소화하여기회요인을활용하는전략이며, WT 전략은위협요인을회피하면서약점을최소화하는전략임 WEF Nexus 관련메가트랜드분석, 정책 시장 기술및논문 특허분석, 기술수요조사등내외부환경분석결과를기반으로주요강점, 약점, 기회, 위협요인을분석함 주요강점, 약점, 기회, 위협요인분석을기반으로한 SWOT 분석을통해 WEF Nexus 사업추진을위한방향을설정함 (SO-1) 자원인프라및데이터시스템연계자원효율개선기술개발추진 (SO-2) 글로벌물관련산업을선도할수있는넥서스핵심기술개발추진 (ST-1) 효율적자원인프라및자원순환시스템운영을통한저탄소자원위기극복 (ST-2) 인력난, 자원손실, 비용구조악화를해결할수있는자원순환시스템첨단화 (WO-1) 기개발된넥서스단일기술조합을통한새로운넥서스패키지기술 - 122 -
및평가툴기술개발추진 (WO-2) 부처간공공이익창출을위한자원간넥서스패키지기술개발추진 (WT-1) 미래환경변화에대응력향상을위한부처간물-에너지-식량협의체구성 (WT-2) 지역특성에맞는 Flexible 넥서스패키지기술개발추진 [ 그림 4.3] SWOT 분석을통한사업추진방향설정 및 도출 사업추진방향에따른사업추진시자원간수급분석및상호영향평가, 자원활용효율극대화, 넥서스운영최적화, 인문융합중심국민공감대형성의 4 가지 Issue가발생할것으로분석됨 Issue 1 : 자원간수급분석및상호영향평가 - 물, 에너지, 식량의필수자원에대한생산, 공급, 소비체계의프르세스별흐름분석및각자원간상호연관성분석및평가 Issue 2 : 자원활용효율극대화 - 미래자원확보의위기가고조됨에따라타자원을고려한자원의효율적활용방안및저비용 고효율을기대할수있는연계기술 Issue 3 : 넥서스운영최적화 - 기존및신규인프라의운영방법개선을통한필수자원의확보방안 Issue 4 : 인문융합중심국민공감대형성 - 부처및지역간벽을허물로국민적공통된컨센서스도출과거버넌스 - 123 -
실현을통한연계기술의필요성도출 [ 그림 4.4] WEF 넥서스관점의이슈 이러한 Issue 해결을위한 R&D Needs는아래와같이도출되었음 R&D Needs 1 : 데이터수집 / 분석및지식플랫폼개발필요 R&D Needs 2 : 평가 Tool 개발 R&D Needs 3 : 수자원및수자원인프라활용효율화 R&D Needs 4 : 에너지생산효율화 R&D Needs 5 : 식량생산시물 에너지소비효율화 R&D Needs 6 : 수자원인프라운영최적화 R&D Needs 7 : 그리드기반운영 R&D Needs 8 : 국민중심자원연계활용 R&D Needs 9 : 인문융합중심자원연계시너지극대화 - 124 -
[ 그림 4.5] 이슈별 R&D Needs 사업영역설정 9개 R&D Needs에따라앞서조사되었던기술수요조사결과를토대로전문가위원회논의를거쳐관련기술아이템을매칭하였음 수요조사결과기존국가 R&D 사업과중복과제유무를확인하여중복일경우제외함 기술아이템간유사성및위계검토를통해세분화, 병합작업을거쳐최종기술아이템을도출함 9개 R&D Needs에직접적으로연결되는기술아이템외에이들기술의실증을위한기술아이템을별도로설정함 - 125 -
[ 그림 4.6] R&D Needs 대응기술아이템 기술아이템간목적과유형을고려하여 3 가지사업영역과 7 가지세부사업 영역을도출함 [ 그림 4.7] 사업영역 - 126 -
3 절. 사업비전 목표및추진전략 개요 21C 形新산업인프라기반구축 비전 국가물 - 에너지 - 식량연계를통한 21C 形新산업인프라기반구축 목표 물-에너지-식량분야상호연계를통한분야별 생산- 가공-유통처리 효율 30% 개선 20C SOC 시설산업기반에서 21C 사회인프라국민서비스산업으로전환을통한국가신산업기반구축 4차산업혁명의 Data Technology 분야에서세계최초의공공기반 WEF 연계패키지기술개발 - 127 -
추진전략 WEF Nexus 기술적용의효율성검증을위한단기추진과제우선추진 국민적공감대형성을위한정기적성과공유회개최 부처간연계 협력네트워크구축을위한성과물의활용성제고등 중점추진분야설정 장기적추진분야및단기적추진분야 기술의도출을위해먼저전문가들의의견을바탕으로한기술수요조사를시행하였으며총50편의수요조사중의미있는기술수요조사서 43개기술분류 사업영역설정및연계성을통해과제를분류하였으며, 이를바탕으로기획위원등외부전문가의견및자체기획연구진의논의를통해장단기과제를정리하였음 - 128 -
5 장. 중점추진분야별추진내용 1 절. WEF 넥서스의사결정지원시스템분야 추진배경및필요성 넥서스기술을평가하고자원간상호영향을평가하기위해서는반드시데이터구축이필요함. 이를위해가상수에기반한데이터들을어떠한형식으로무엇을수집하고관리해야하는지에대한연구필요 여러가지넥서스기술가운데지역특성에따라필요로하는넥서스기술을찾고자넥서스기술적용을했을때각자원에대한영향을평가하는방법을체계화필요 세부사업의목적및범위 WEF 넥서스지식 DB 개발 Virtual Water 기반넥서스데이터모듈설계및개발 WEF 넥서스 DB 기반지식화플랫폼개발 물-에너지-식량넥서스 Trade-off 평가툴개발 WEF 분야간시공간적수급분석 평가 계획수립프로세스개발 물-에너지-식량넥서스평가툴개발 물-에너지-식량넥서스영향평가 특허및논문현황 가 특허현황 WEF 넥서스의사결정지원시스템 관련특허출원건수는 `00년 12건에서 `15년 44건으로증가함 WEF 넥서스의사결정지원시스템기술관련특허는 `00년부터 `16년 6월까지총 775건출원된것으로나타남 `00년부터 `09년까지연간 40~50건수준의출원건수를기록하였으나, `10년이후매년 60건이상의출원건수를기록하고있음 - 129 -
[ 그림 5.1] WEF 넥서스의사결정지원시스템기술연도별특허출원건수 (`00~`16) WEF 넥서스의사결정지원시스템관련한국, 미국, 일본, 유럽특허청의특허출원건수 742건중미국이가장큰비중을차지하고있음 미국 (72.6%) 에이어유럽 (11.9%), 한국 (10.5%), 일본 (5.0%) 순으로높은비중을차지하고있음 [ 그림 5.2] WEF 넥서스의사결정지원시스템기술관련연도별국가별특허출원건수 (`00~`16) 한국의특허출원건수는 `00~`04 년까지거의출원되지않다가 `12 년 17 건 으로증가하였으며이후감소하는추세를보임 - 130 -
[ 그림 5.3] WEF 넥서스의사결정지원시스템기술관련연도별특허출원건수 ( 한국, `00~`16) 미국의특허출원건수는 `00 년 7 건에서 `14 년 44 건으로증가하였으며꾸준히 연간 40 건이상의특허가출원되고있음 [ 그림 5.4] WEF 넥서스의사결정지원시스템기술관련연도별특허출원건수 ( 미국, `00~`16) 유럽은매년등락을거듭하고있으며대체로 10 건내로출원되고있음 [ 그림 5.5] WEF 넥서스의사결정지원시스템기술관련연도별특허출원건수 ( 유럽, `00~`16) 일본의특허출원건수는 `03 년 7 건으로급격히많은특허가출원되었으며, 전반적으로 5 건미만의출원건수를보임 - 131 -
[ 그림 5.6] WEF 넥서스의사결정지원시스템기술관련연도별특허출원건수 ( 일본, `00~`16) `00년부터 `16년기간동안 WEF 넥서스의사결정지원시스템기술의특허출원은 WEF 넥서스지식 DB 개발분야에서가장많은출원활동이이루어지고있는것으로나타남 WEF 넥서스지식 DB 개발기술은총 437건 (56.4%), 물-에너지-식량넥서스 Trade-off 평가툴개발기술은 338건 (43.6%) 출원된것으로나타남 [ 그림 5.7] WEF 넥서스의사결정지원시스템기술중분류별출원비중 WEF 넥서스의사결정지원시스템관련기술은특허출원건수와특허출원인 수가빠르게증가하고있는 성장기 단계인것으로분석됨 - 132 -
[ 그림 5.8] WEF 넥서스의사결정지원시스템기술성장단계 기술특허평가지표는대부분미국이가장높은것으로나타났으며특허시장력 에서일부유럽국가들이두각을드러내고있음 한국은 1.2.1(WEF 분야간시공간적수급분석 평가 계획수립프로세스개발 ) 분야의특허활동도와 1.1.2(WEF 넥서스 DB 기반지식화플랫폼개발 ) 분야의 특허집중도에서높은수치를보임 유럽일부국가에서특허시장력이높은것으로나타났으며, 독일은특허 영향력이상대적으로높게나타났음 < 표 5.1> WEF 넥서스의사결정지원시스템기술특허평가지표 평가지표 기술분류 KR US JP GB FR DE 1.1.1 0.070 0.699 0.063 0.042 0.028 0.098 1.1.2 0.156 0.594 0.109 0.000 0.031 0.109 특허활동도 1.2.1 0.600 0.236 0.109 0.000 0.018 0.036 1.2.2 0.182 0.764 0.018 0.000 0.000 0.036 1.2.3 0.170 0.426 0.021 0.043 0.043 0.298 1.1.1 0.724 1.049 0.814 1.448 0.965 0.965 1.1.2 1.617 0.891 1.415 0.000 1.078 1.078 특허집중도 1.2.1 1.847 0.495 2.141 0.000 0.952 0.317 1.2.2 0.560 1.310 0.145 0.000 0.000 0.383 1.2.3 0.524 0.891 0.418 3.340 2.227 2.598 1.1.1 0.605 1.267 0.721 1.008 1.232 1.168 1.1.2 0.447 1.642 0.827 0.000 2.106 0.978 특허시장력 1.2.1 0.295 1.538 0.614 0.000 0.526 3.026 1.2.2 0.906 2.827 1.360 0.000 0.000 0.906 1.2.3 0.787 1.614 0.394 1.771 0.394 1.040 1.1.1 0.022 0.800 0.067 0.022 0.022 0.067 1.1.2 0.000 0.850 0.050 0.000 0.100 0.000 특허경쟁력 1.2.1 0.000 0.625 0.250 0.000 0.000 0.125 1.2.2 0.067 0.933 0.000 0.000 0.000 0.000 1.2.3 0.000 1.000 0.000 0.000 0.000 0.000 1.1.1 0.225 1.121 0.154 0.193 0.000 9.119 1.1.2 0.070 1.524 0.128 - - 2.760 특허영향력 1.2.1 0.619 1.503 0.459 - - - 1.2.2 0.024 1.352 0.027 - - - 1.2.3 0.900 1.100 0.000-0.000 - - 133 -
나 논문현황 WEF 넥서스의사결정지원시스템 관련논문게재건수는 `00년 15건에서 `16년 265 건으로증가함 WEF 넥서스의사결정지원시스템 관련논문은 `00년부터 `17년 1월까지총 1,587건게재된것으로나타남 `00년부터 `16년까지꾸준한증가세를보이고있으며, `14년이후로는매년 200건이상의게재건수를보이고있음 [ 그림 5.9] WEF 넥서스의사결정지원시스템관련연도별논문게재건수 (`00~`17.01) WEF 넥서스의사결정지원시스템 관련주요 6개국의논문게재건수 641건중미국이가장큰비중을차지하고있으며한국을제외하고대체적인증가세를보이고있음 미국 (55.9%), 영국 (18.7%), 독일 (11.9%), 프랑스 (8.9%), 일본 (3.7%) 순이며, 한국의게재비중은 0.9% 에불과함 [ 그림 5.10] WEF 넥서스의사결정지원시스템관련연도별국가별논문게재건수 (`00~`17.01) - 134 -
한국은대부분연도에서논문이게재되지않았으며, 논문게재건수는 1 건 이상게재된해가없이매우저조한것으로나타남 [ 그림 5.11] WEF 넥서스의사결정지원시스템관련연도별논문게재건수 ( 한국, `00~`17.01) 미국의논문게재건수는 `00 년부터 `10 년까지 10 건내외의게재건수를보이 다가 `11 년이후급격히증가하여매년 40 건내외로게재되고있는추세임 [ 그림 5.12] WEF 넥서스의사결정지원시스템관련연도별논문게재건수 ( 미국, `00~`17.01) 일본의논문게재건수는 `13 년까지저조한수치를나타냈으나최근게재건 수가증가하는중임 [ 그림 5.13] WEF 넥서스의사결정지원시스템관련연도별논문게재건수 ( 일본, `00~`17.01) 독일의논문게재건수는 `00 년 2 건에서 `16 년 13 건으로대체로증가함 - 135 -
[ 그림 5.14] WEF 넥서스의사결정지원시스템관련연도별논문게재건수 ( 독일, `00~`17.01) 프랑스의논문게재건수는 `08 년까지거의게재되지않았으나이후증가세를 보이기시작하여최근에는매년 10 건내외의건수를보이고있음 [ 그림 5.15] WEF 넥서스의사결정지원시스템관련연도별논문게재건수 ( 프랑스, `00~`17.01) 영국의논문게재건수는 `02 년 1 건에서 `16 년 18 건으로높은증가세를보이고 있음 [ 그림 5.16] WEF 넥서스의사결정지원시스템관련연도별논문게재건수 ( 영국, `00~`17.01) `00 년부터 `16 년기간동안 WEF 넥서스의사결정지원시스템의논문은물 - 에너지 - 식량넥서스 Trade-off 평가툴개발분야에서가장많은게재활동 이이루어지고있는것으로나타남 - 136 -
WEF 넥서스지식 DB 개발관련논문은총 656 건 (41.3%) 이며, 물 - 에너지 - 식량넥서스 Trade-off 평가툴개발관련논문은총 931 건 (58.7%) 게재되어 약 1.5 배의격차를보임 [ 그림 5.17] WEF 넥서스의사결정지원시스템대분류별게재비중 WEF 넥서스의사결정지원시스템의국가별논문활동도및논문영향력은미국이가장높은것으로나타남 모든분야에서미국의활동도와영향력이가장높은것으로나타났으며, 한국은 1.1.1(Virtual Water 기반넥서스데이터모듈설계및개발 ), 1.2.2 ( 물-에너지-식량넥서스평가툴개발 ) 분야에집중도가높음 < 표 5.2> WEF 넥서스의사결정지원시스템기술논문평가지표 평가지표 기술분류 Korea USA Japan UK France Germany 1.1.1 0.011 0.568 0.071 0.180 0.055 0.115 1.1.2 0.000 0.719 0.053 0.018 0.140 0.070 논문활동도 1.2.1 0.000 0.512 0.024 0.220 0.049 0.195 1.2.2 0.043 0.348 0.043 0.130 0.261 0.174 1.2.3 0.006 0.561 0.016 0.226 0.080 0.111 1.1.1 1.311 0.941 1.066 1.273 0.729 1.102 1.1.2 0.000 1.191 0.789 0.124 1.871 0.674 논문집중도 1.2.1 0.000 0.964 1.223 1.024 0.502 1.534 1.2.2 4.359 0.655 2.179 0.608 2.682 1.367 1.2.3 0.639 1.055 0.798 1.054 0.819 0.876 1.1.1 0.004 0.603 0.072 0.182 0.048 0.092 1.1.2 0.000 0.670 0.044 0.006 0.213 0.067 논문영향력 1.2.1 0.000 0.518 0.004 0.168 0.089 0.221 1.2.2 0.012 0.392 0.027 0.130 0.253 0.186 1.2.3 0.002 0.565 0.015 0.221 0.097 0.100 다 소결 WEF 넥서스의사결정지원시스템 관련특허출원건수는 `00 년 12 건에서 - 137 -
`15년 44건으로증가하였으며대부분미국을중심으로기술이개발중임 WEF 넥서스의사결정지원시스템기술관련특허는 `00년부터 `16년 6월까지총 775건출원되었으며미국이 72.6% 로대부분의특허를출원하였음 - 중분류단위에서는 WEF 넥서스지식 DB 개발기술이총 437건, 56.4% 로상대적으로높은출원비율을보였음 전체적으로 WEF 넥서스의사결정지원시스템관련기술은 성장기 단계로평가되지만, 미국을제외하고특허출원건수는크게증가하지않고있으며특히우리나라는 `12년이후오히려감소하는추세를보이고있음 - 기술특허평가지표에서도대부분미국이가장높은것으로나타남 WEF 넥서스의사결정지원시스템 관련논문게재건수는 `00년 15건에서 `16년 265 건으로증가하였으며특허분석결과와유사하게대부분미국을중심으로논문이발표중임 WEF 넥서스의사결정지원시스템기술관련논문은 `00년부터 `17년 1월까지총 1,587건게재되었으며미국이 55.9% 로절반이상의논문을게재함 - 중분류단위에서는특허와달리물-에너지-식량넥서스 Trade-off 평가툴개발관련논문이총 931건 (58.7%) 로높은게재비율을보였음 전세계적으로국가별논문게재건수는매우높은성장세를보이고있으나, 한국에서는논문게재가매우저조하며전체건수에서도비중이매우낮아이분야에대한연구가미진한것으로판단됨 - 논문활동도및논문영향력에서도대부분미국이가장높은것으로나타남 최근출원, 게재된특허, 논문분석결과 의사결정지원시스템분야 에서는물-에너지-식량연계해석부분보다는개별자원에대한수요예측및생산효율화측면의연구가중심을이루고있는것으로판단됨 물발자국, 가상수와관련된 DB구축및시나리오분석관련연구는상당히거시적인관점에서이루어지고있어, 향후물, 에너지, 식량간의상호영향평가를위한국가, 지역차원의 DB구축및해석연구가진행될것으로예상됨 - 넥서스기술을평가하고자원간상호영향을평가하기위해서는반드시데이터구축및해석기술이필요함 - 최근물발자국에대한영향및데이터베이스구축, 지속가능한물-에너지회수공정등에대한연구가진행되고있음을확인함 또한물-에너지-식량간의연계분석의경우물을중심으로한에너지소비특성및효율화연구, 농장의유형및관리, 강우량의영향평가시뮬레이션등의연구가진행되고있어각지원간상호작용에대한영향평가 (Trade-off, Synergy) 측면의연구가필요할것으로판단됨 - 이를위해서는자원의순환흐름분석을위한물, 에너지, 식량의공급, 저장, - 138 -
소비등에대해분석, 평가, 계획에대한프로세스를구체화하고, 생산-가공-유통-소비등각단계별효율최적화프로세스에대한연구가필요함 - 최근에너지에대한미래수요예측, 에너지-물동시발생시스템, 폐수여과물발자국시스템등이개발되어미래수요예측에기반한물-에너지생산에대한연구가활발히진행되고있음이확인됨 기술개발내용 가 기간및예산 년 억 세부사업개요결과물 1.1 WEF 넥서스지식 DB 개발 1.1.1 Virtual Water 기반넥서스데이터모듈설계및개발 1.1.2 WEF 넥서스 DB 기반지식화플랫폼개발 1.2 물 - 에너지 - 식량넥서스 Trade-off 평가툴개발 1.2.1 WEF 분야간시공간적수급분 석 평가 계획수립세스개발 프로 넥서스기술을평가하고 자원간상호영향을평가하기 위해서는반드시데이터 구축이필요함. 이를위해 가상수에기반한데이터들을 어떠한형식으로무엇을 수집하고관리해야하는지에 대한연구 DB 구축이목적이아니라 넥서스 DB 를기반으로넥서스 관련지식을생성하여 국민들에게전달하기위한 플랫폼개발 자원의순환흐름분석을 위하여물, 에너지, 식량의 공급, 저장, 소비등에대해 분석, 평가, 계획에대한 프로세스개발 Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ 자원별가상수현황자료 기후변화에따른가상수 흐름체계 자원간생산및소비의 변화율 물발자국 DB 물발자국 DB 관련정보 시스템 정보연계지식컨텐츠 지식 DB 생산, 제공시스템 지식 DB 표준화및제공 프로세스 Ÿ WEF 연계지식컨텐츠 Ÿ Ÿ 시범 DB WEF 연계시범지식 DB 시스템 소비자중심물, 에너지 별 소비 - 유통 - 가공 - 생 산역흐름수요공급분 석, 평가프로세스개발 ( 개인, 공동체, 지역, 국 가스케일문제해결 ) Ÿ 물 - 에너지별수요공급 Ÿ 계획프로세스개발 ( 개 인, 공동체, 지역규모별 ) 물 - 에너지연계소비자 중심생산 - 가공 - 유통 - 기간 ( 총년 ) 소요예산 ( 억원 ) 10 70 8 30 10 40 8 80 5 20-139 -
세부사업 개요 결과물 소비단계별효율최적화 프로세스개발 Ÿ 농업용수, 농업에너지, 식량생산시공간수급프 로세스개발 기간 ( 총년 ) 소요예산 ( 억원 ) 1.2.2 물- 에너지 -식량넥서스평가툴개발 각자원간상호작용에대한 영향평가 (Trade-off, Synergy, 넥서스기술영향 ) Ÿ 국가 WEF Nexus 평가모형 (SW, 웹기반 ), 기술보고서등 Ÿ WEF 간 Trade-off 최적평가알고리듬및표준매뉴얼 Ÿ WEF Nexus 평가툴 Software Ÿ 표준화된 WEF DB Ÿ Trade-off 해석을위한목적함수별시나리오 Ÿ GUI기반의 Trade-off 평가툴 8 35 1.2.3 물 - 에너지 - 식량넥서스영향평가 넥서스 DB 와평가툴을 활용하여영향평가수행연구 Ÿ Ÿ 기후변화, 환경변화, 인문사회변화등외부환경의변화가 WEF 자원의수급에미치는영향평가및대안제시 WEF ClimateChange, WEF CarbonEmission 등 WEF 모형을확장하여영향평가및정책결정에활용 8 25 나 세부사업별내용 넥서스지식 개발 Virtual Water 기반넥서스데이터모듈설계및개발 - 넥서스기술을평가하고자원간상호영향을평가하기위해서는반드시데이터구축이필요함. 이를위해가상수에기반한데이터들을어떠한형식으로무엇을수집하고관리해야하는지에대한연구 국내물발자국산정방안연구 - 140 -
- 물발자국을줄이는것이넥서스기술목표의핵심이기도함. 따라서이러한물발자국이어떻게구성되었는지또한산정방법에대한연구필요 물, 에너지, 식량분야컴포넌트별 DB 인벤토리및정보체계구축 - 넥서스관련데이터는양이너무방대하기때문에이를체계적으로구성하기위해서는인벤토리들과정보체계를구축하는것이필요하기때문에이에대하여상호간영향평가및정보를비교분석할수있도록컴포넌트별 ( 물, 에너지, 식량 ) DB 인벤토리와정보체계 ( 메타데이터 ) 구축필요 물-에너지및물-식량연계규모일치설계 - DB구축에있어자원간자료의활용의극대화를위해서표준화설계기본 WEF 넥서스 DB 기반지식화플랫폼개발 - DB구축이목적이아니라넥서스 DB를기반으로넥서스관련지식을생성하여국민들에게전달하기위한플랫폼개발 물-에너지및물-식량시공간수지산정기술개발 - 물, 에너지, 식량등의시공간적스케일이다르기때문에이를고려하여물- 에너지, 물-식량수지를산정할수있는시공간적수지산정기술개발필요 WEF 넥서스 DB-평가툴연계지식정보제공시스템개발 - 구축된넥서스 DB를평가툴에바로연결하고사용하여지식화할수있는일종의모듈형태의시스템개발 WEF 넥서스지식화컨텐츠설계및개발 - 플랫폼내에서운영할수있는넥서스자료에대한평가및분석을통하여지식화할수있는컨텐츠의관리및제공에대한설계및개발 WEF 분야간시공간 GIS 기반분석결과표출모듈설계및개발 - 넥서스플랫폼내에서 End-users( 관리자, 국민 ) 가보다이해하기쉽게시공간적으로넥서스지식화결과물을표출할수있는모듈설계및개발 물 에너지 식량넥서스 평가툴개발 WEF 분야간시공간적수급분석 평가 계획수립프로세스개발 - 자원의순환흐름분석을위하여물, 에너지, 식량의공급, 저장, 소비등에대해분석, 평가, 계획에대한프로세스개발 생공용수-생활 / 산업에너지시공간적수급프로세스개발 - 생활용수및공업용수 vs 생활에너지및산업에너지 농업용수-농업에너지-농업식량생산시공간적수급프로세스개발 - 농업분야에서식량생산을위하여소비되는물과에너지의순환프로세스정립하며, 식량생산에대하여식량생산량과이에소비되는수자원과에너지의관계정립 - 141 -
물-에너지-식량넥서스평가툴개발 - 각자원간상호작용에대한영향평가 (Trade-off, Synergy, 넥서스기술영향 ) 넥서스 DB 연계기반다이내믹평가모델개발 - 넥서스 DB에연계해자료가업데이트될때마다새롭게영향평가를할수있는다이내믹평가모델개발 물-에너지-식량넥서스 Trade-Off 평가기법개발 - 자원간 Trade-off( 예. 물의사용을줄였을때식량과에너지의생산량 ) 를줄일수있는방안찾기위해서 Trade-off 평가기법필요 넥서스기술에따른 WEF 효율성평가방법개발 - 여러가지넥서스기술가운데지역특성에따라필요로하는넥서스기술을찾고자넥서스기술적용을했을때각자원에대한영향을평가하는방법을체계화필요 넥서스기술연계평가처리모듈개발 - 어느한 unit ( 유역 or 행정구역 ) 의주어진조건에대하여어떠한기술들을조합하였을때목적을달성할수있는가를찾을수있는최적화평가처리기술개발 물-에너지-식량넥서스영향평가 - 넥서스 DB와평가툴을활용하여영향평가수행연구 WEF 생태서비스영향평가 - 물, 에너지, 식량자원이인간에게주는생태서비스영향평가 WEF 기술적용영향평가 - 개발된넥서스기술이기존환경 ( 물, 에너지, 식량순환 ) 에적용되었을때의영향평가 기후변화와 WEF 개별및통합영향분석 - 기후변화가자원에미치는영향과기후변화에대한넥서스기술의대응력분석 - 142 -
2 절. WEF 연계기술개발및실증분야 추진배경및필요성 물분야에서수자원과수자원인프라를활용하여에너지와식량생산에서물의사용효율을개선시킬수있는기술 해수및폐수를이용가능한물로담수하는데있어최고등급의수질을목표로생산하는것이아니라사용목적에따라수질등급을선정하고각등급의목표수질을달성하는데있어저에너지소비高물생산의담수기술개발 신재생에너지를기반으로자립적으로에너지를생산, 저장, 공급할수있는독립적에너지공급체를구성및개발하여마이크로스케일의식량생산과물이동시에너지공급 ( 신재생에너지생산, ESS) 세부사업의목적및범위 WEF 연계효율개선기술개발 수자원및수자원인프라활용효율개선기술 에너지생산효율개선기술 식량생산에서물, 에너지소비효율개선기술 WEF 연계운영최적화 넥서스기반수자원인프라운영최적화 그리드기반 WEF 넥서스운영최적화 WEF 넥서스기술실증 한국형물 에너지 식량자립섬 (WEF 3.0 Island) 구축을위한융합기술 신재생에너지를활용한에너지자립담수화 해수와우수를활용한수소생산및저장 SYSTEM 구축 특허및논문현황 가 특허현황 WEF 연계기술개발및실증 관련특허출원건수는 `00 년 35 건에서 `14 년 132 건으로증가함 - 143 -
WEF 연계기술개발및실증기술관련특허는총 1,767건출원되었으며 `02년 173건으로매우높은출원건수를보였으나, 전체적으로는소폭의상승세를보이고있음 `07년부터는매년 100건이상의출원건수를보이고있음 [ 그림 5.18] WEF 연계기술개발및실증기술관련연도별특허출원건수 (`00~`16) WEF 연계기술개발및실증관련한국, 미국, 일본, 유럽특허청의특허출원건수 1,711건중미국이가장큰비중을차지하고있음 미국 (73.5%) 에이어유럽 (13.9%), 한국 (9.6%), 일본 (2.9%) 순으로높은비중을차지하고있음 [ 그림 5.19] WEF 연계기술개발및실증기술관련연도별국가별특허출원건수 (`00~`16) 한국의특허출원건수는 `00~`08 년까지 5 건내외의출원수를보이다가이 후높은증가세를보이고있음 - 144 -
[ 그림 5.20] WEF 연계기술개발및실증기술관련연도별특허출원건수 ( 한국, `00~`16) 미국의특허출원건수는 `00 년 19 건에서 `02 년 154 건으로매우높은특허출 원수를보인후연간평균 70~80 건내외로꾸준히특허가출원되고있음 [ 그림 5.21] WEF 연계기술개발및실증기술관련연도별특허출원건수 ( 미국, `00~`16) 유럽은매년등락을거듭하고있으며대체로 10~20 건내로출원되고있음 [ 그림 5.22] WEF 연계기술개발및실증기술관련연도별특허출원건수 ( 유럽, `00~`16) 일본의특허출원건수는소폭의등락을거듭하고있으며매년 5 건미만으로 출원되고있음 - 145 -
[ 그림 5.23] WEF 연계기술개발및실증기술관련연도별특허출원건수 ( 일본, `00~`16) `00년부터 `16년기간동안 WEF 연계기술개발및실증기술의특허출원은 WEF 넥서스기술실증분야에서가장많은출원활동이이루어지고있는것으로나타남 WEF 넥서스기술실증분야는총 410건 (44.0%), WEF 연계효율개선기술개발분야는총 335건 (35.9%), WEF 연계운영최적화기술분야는총 187건 (20.1%) 출원되었음 [ 그림 5.24] WEF 연계기술개발및실증기술중분류별출원비중 WEF 연계기술개발및실증관련기술은특허출원건수와특허출원인수가 느리게증가하고있는 태동기 단계인것으로분석됨 - 146 -
[ 그림 5.25] WEF 연계기술개발및실증기술성장단계 기술특허평가지표는미국이가장높은것으로나타났으며특허시장력및특허영향력등의질적지표는일부일본과유럽이높은것으로나타남 한국은 2.3.2( 신재생에너지를활용한에너지자립담수화 ) 분야에서가장높은특허활동도를보이고있음 질적지표에서일부일본과독일이높은수준을보이고있으며, 한국은특허시장력과특허경쟁력, 특허영향력등의질적지표에서매우낮은수준을보임 평가지표기술분류 KR US JP GB FR DE 특허활동도 특허집중도 특허시장력 < 표 5.3> WEF 연계기술개발및실증기술특허평가지표 2.1.1 0.082 0.677 0.070 0.032 0.019 0.120 2.1.2 0.225 0.441 0.225 0.020 0.010 0.078 2.1.3 0.229 0.571 0.086 0.029 0.057 0.029 2.2.1 0.164 0.787 0.000 0.000 0.000 0.049 2.2.2 0.211 0.237 0.316 0.013 0.145 0.079 2.3.1 0.133 0.400 0.200 0.067 0.033 0.167 2.3.2 0.343 0.257 0.029 0.143 0.057 0.171 2.3.3 0.216 0.408 0.223 0.053 0.046 0.053 2.1.1 0.552 1.162 0.555 1.167 0.934 1.267 2.1.2 1.512 0.757 1.798 0.723 0.482 0.826 2.1.3 1.532 0.980 0.683 1.054 2.810 0.301 2.2.1 0.864 1.633 0.000 0.000 0.000 0.749 2.2.2 1.109 0.492 1.803 1.803 1.803 1.202 2.3.1 0.601 1.021 0.991 1.052 0.723 2.224 2.3.2 1.545 0.656 0.142 2.253 1.239 2.288 2.3.3 0.975 1.040 1.107 0.839 1.000 0.710 2.1.1 0.438 1.211 1.036 1.297 0.590 1.428 2.1.2 0.467 1.498 1.089 1.491 0.298 1.156 2.1.3 0.241 1.171 1.207 1.207 0.241 1.932-147 -
평가지표기술분류 KR US JP GB FR DE 특허경쟁력 특허영향력 2.2.1 0.479 3.923 0.000 0.000 0.000 1.597 2.2.2 0.344 0.637 1.377 1.763 1.182 0.698 2.3.1 0.318 2.198 1.006 0.635 0.635 1.207 2.3.2 0.219 0.899 0.219 0.874 0.765 3.024 2.3.3 0.317 1.111 1.052 1.676 1.176 0.668 2.1.1 0.022 0.696 0.152 0.065 0.000 0.065 2.1.2 0.136 0.545 0.273 0.000 0.000 0.045 2.1.3 0.000 0.800 0.100 0.000 0.000 0.100 2.2.1 0.000 0.938 0.000 0.000 0.000 0.063 2.2.2 0.038 0.038 0.731 0.038 0.154 0.000 2.3.1 0.000 0.625 0.375 0.000 0.000 0.000 2.3.2 0.000 0.333 0.000 0.000 0.000 0.667 2.3.3 0.029 0.388 0.466 0.068 0.039 0.010 2.1.1 0.504 1.027-0.504 0.000 0.504 2.1.2 0.220 1.408 0.255-0.000 9.698 2.1.3 0.955 1.064 - - 0.000-2.2.1 0.153 1.073 - - - 0.000 2.2.2 0.419 0.886 16.295-0.000 5.432 2.3.1 0.780 1.050 1.300 0.000 0.000-2.3.2 0.208 1.475 0.000-0.000-2.3.3 0.587 0.885 3.758 1.274-4.247 나 논문현황 WEF 연계기술개발및실증 관련논문게재건수는 `00년 38건에서 `16년 401건으로증가함 WEF 연계기술개발및실증 관련논문은 `00년부터 `17년 1월까지총 2,496건게재된것으로나타남 `00년부터 `16년까지꾸준한증가세를보이고있으며, 특히최근 3년간의상승세가두드러짐 [ 그림 5.26] WEF 연계기술개발및실증관련연도별논문게재건수 (`00~`17.01) - 148 -
WEF 연계기술개발및실증 관련주요 6개국의논문게재건수 641건중미국이가장큰비중을차지하고있으며한국을제외하고대체적인증가세를보이고있음 미국 (55.9%), 영국 (18.7%), 독일 (11.9%), 프랑스 (8.9%), 일본 (3.7%) 순이며, 한국의게재비중은 0.9% 에불과함 [ 그림 5.27] WEF 연계기술개발및실증관련연도별국가별논문게재건수 (`00~`17.01) 한국의논문게재건수는특별히증가세를보이지는않으나, `13 년도와 `16 년 도에일시적으로매우많은논문이게재되었음 [ 그림 5.28] WEF 연계기술개발및실증관련연도별논문게재건수 ( 한국, `00~`17.01) 미국의논문게재건수는 `00 년 10 건에서 `16 년 60 건으로꾸준한증가세를보 이고있음 - 149 -
[ 그림 5.29] WEF 연계기술개발및실증관련연도별논문게재건수 ( 미국, `00~`17.01) 일본의논문게재건수는등락을반복하고있으나대체로증가세를보임 [ 그림 5.30] WEF 연계기술개발및실증관련연도별논문게재건수 ( 일본, `00~`17.01) 독일의논문게재건수는 `00 년 2 건에서 `16 년 18 건으로대체로증가함 [ 그림 5.31] WEF 연계기술개발및실증관련연도별논문게재건수 ( 독일, `00~`17.01) 프랑스의논문게재건수는 `08 년까지거의게재되지않았으나이후점차증 가하기시작하여최근에는 10 건미만의게재건수를보이고있음 - 150 -
[ 그림 5.32] WEF 연계기술개발및실증관련연도별논문게재건수 ( 프랑스, `00~`17.01) 영국의논문게재건수는 `00 년 1 건에서 `16 년 22 건으로높은증가세를보이 고있으며특히최근 3 년간게재건수가많은것으로나타났음 [ 그림 5.33] WEF 연계기술개발및실증관련연도별논문게재건수 ( 영국, `00~`17.01) `00년부터 `16년기간동안 WEF 연계기술개발및실증의논문은 WEF 넥서스기술실증분야에서가장많은게재활동이이루어지고있는것으로나타남 WEF 연계효율개선기술개발관련논문은총 591건 (23.7%) 이며, WEF 연계운영최적화관련논문은총 774건 (31.0%), WEF 넥서스기술실증관련논문은총 1,131건 (45.3%) 게재되었음 [ 그림 5.34] WEF 연계기술개발및실증대분류별게재비중 - 151 -
WEF 연계기술개발및실증의국가별논문활동도및논문영향력은미국이 가장높은것으로나타남 모든분야에서미국의활동도와영향력이가장높은것으로나타났으며, 한국은 2.1.1( 수자원및수자원인프라활용효율개선기술 ), 2.3.2( 신재생에 너지를활용한에너지자립담수화 ) 분야에집중도가높음 < 표 5.4> WEF 연계기술개발및실증기술논문평가지표 평가지표 기술분류 Korea USA Japan UK France Germany 2.1.1 0.114 0.557 0.029 0.114 0.114 0.071 2.1.2 0.055 0.548 0.110 0.137 0.082 0.068 2.1.3 0.042 0.604 0.042 0.167 0.083 0.063 논문활동도 2.2.1 0.018 0.613 0.049 0.153 0.074 0.092 2.2.2 0.066 0.285 0.265 0.185 0.060 0.139 2.3.1 0.000 0.632 0.070 0.088 0.053 0.158 2.3.2 0.079 0.397 0.026 0.265 0.033 0.199 2.3.3 0.031 0.491 0.152 0.094 0.054 0.179 2.1.1 1.559 0.985 0.455 0.840 1.213 1.049 2.1.2 0.748 0.969 1.744 1.006 0.872 1.006 2.1.3 0.568 1.068 0.663 1.224 0.884 0.918 논문집중도 2.2.1 0.445 1.347 0.321 0.909 1.101 0.803 2.2.2 1.600 0.625 1.733 1.099 0.891 1.213 2.3.1 0.000 1.324 0.722 0.574 1.137 0.863 2.3.2 1.807 0.833 0.272 1.734 0.715 1.086 2.3.3 0.711 1.030 1.561 0.614 1.157 0.976 2.1.1 0.083 0.615 0.039 0.094 0.085 0.083 2.1.2 0.020 0.565 0.027 0.242 0.071 0.074 2.1.3 0.012 0.584 0.025 0.184 0.075 0.120 논문영향력 2.2.1 0.010 0.610 0.034 0.201 0.044 0.101 2.2.2 0.053 0.342 0.188 0.222 0.052 0.145 2.3.1 0.000 0.665 0.061 0.084 0.065 0.124 2.3.2 0.096 0.517 0.014 0.209 0.076 0.088 2.3.3 0.020 0.507 0.096 0.104 0.047 0.226 다 소결 WEF 연계기술개발및실증 관련특허출원건수는 `00년 35건에서 `14년 132건으로증가하였으나특허출원건수와특허출원인수가느리게증가하고있는 태동기 로판단되었음 전체출원건수 1,711건중미국이 73.5% 로대부분을차지하고있으며, 기술특허평가지표에서도미국이대부분가장높은것으로나타났음 - 대부분의국가에서특허출원의추이가눈에띄는증가는없으며, 한국은 `08년까지출원이저조하다가 `09년이후증가세를보이고있음 - 중분류로는 WEF 넥서스기술실증에관한특허가 44.0% 로가장높은비중을차지하였음 - 152 -
WEF 연계기술개발및실증 관련논문게재건수는 `00년 38건에서 `16년 401건으로증가하였으며 `00년부터 `16년까지꾸준한증가세를보임 주요국중미국의미중이가장높으며, 한국은매우저조한것으로나타남 - 특허와마찬가지로중분류로는 WEF 넥서스기술실증에관한특허가 45.3% 로가장높은비중을차지하였음 - 미국의논문활동도및논문영향력이가장크게나타났으며한국은 2.1.1 ( 수자원및수자원인프라활용효율개선기술 ), 2.3.2( 신재생에너지를활용한에너지자립담수화 ) 분야에집중도가높음 최근출원, 게재된특허, 논문분석결과 넥서스연계기술개발및실증분야 에서는물과에너지또는물과식량에대한효율화연구가중심을이루고있는것으로판단됨 아직까지전세계적으로물, 에너지, 식량 3가지자원을종합적으로고려한연계기술및실증연구는뚜렷하게확인되지않고있으나, 2가지자원을고려한효율화시스템및공정연구는활발하게이루어지고있는것으로분석됨 - 특허에서는개별에너지원의효율화시스템및공정연구가주를이루고있으나, 논문에서는특정지역에서의물-에너지-식량에대한연계연구및기후변화등환경적요인에대한대응책, 농업분야에서에너지-식량의연계에대한연구가이루어지고있음을확인함 Ÿ 최근메콩강지역의수자원-에너지-식량자원관계분석및 DEA 모델기반물-에너지-식량입출력효율과관련된개념연구가진행되고있음을확인함 - 아직넥서스연계기술개발및실증분야가태동기임을고려하면, 앞서분석한넥서스의사결정지원시스템분야와같이선제적인기술개발투자를통해해외시장을선점할수있을것으로판단됨 특히넥서스연계기술및실증분야의경우특허보다는논문중심의개념연구가주를이루고있기때문에다목적댐, 자립섬, 담수화, 수소생산및저장시스템과같이대상을구체화한연구를통해기술의실증을고려하는것이필요함 - 국내에서는스마트워터그리드에대한연구가활발히이루어지고있으며, 자립섬, 담수화, 신재생에너지에대한관심이높아지고있음 - 특히섬의경우물, 에너지, 식량자원순환에대한넥서스관계를규명하고넥서스기술을적용평가할수있는좋은장소이기때문에넥서스기술을실증할수있는좋은여건이될수있을것으로판단됨 - 153 -
기술개발내용 가 기간및예산 년 억 세부사업개요결과물 2.1 WEF 연계효율개선기술개발 2.1.1 수자원및수자원인프라활용효율개선기술 2.1.2 에너지생산효율개선기술 2.1.3 식량생산에서물, 에너지소비효율개선기술 물분야에서수자원과 수자원인프라를활용하여 에너지와식량생산에서물의 사용효율을개선시킬수 있는기술 자립형신재생에너지생산 기술개발 물, 에너지소비를 최소화하면서식량생산량을 증대시킬수있는기술개발 Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ 물공급, 에너지생산최 대화를위한다목적댐최 적운영률 물공급과에너지공급을 고려한다목적댐연계운 영방안 수계별수자원인프라에 대한맞춤형 WEF 연계 기술 수력댐 - 용수댐 - 다목적 댐이연계된물공급극대 화기술 Ÿ 극한가뭄시의비상용수 Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ 확보 댐 - 댐, 댐 - 보의연계운 영기술 IoT, Cloud, Big Data 기 술을이용한저온열수관 리용통신아키텍처개발 분산저온열수및열에너 지저장기술의개발과 통합구축 새로운유연관망기술과 열교환기술기반의양방 향열제어기술 열수활용솔루션 신재생열수와분산열수 이용기술 시설재배근권부의토양 수분실시간모니터링및 필요수량산정기술개발 시설재배작물의관개기 술개발 최적에너지관리시뮬레 이션알고리즘개발 에너지절감에미치는온 기간 ( 총년 ) 소요예산 ( 억원 ) 8 65 8 30 8 20 5 15-154 -
세부사업개요결과물 Ÿ 실구조설계인자도출 환경조건에따른효율적 인물 - 에너지관리시나 리오개발 기간 ( 총년 ) 2.2 WEF 연계운영최적화 6 55 2.2.1 넥서스기반수자원인프라운영최적화 2.2.2 그리드기반 WEF 넥서스운영최적화 2.3 WEF 넥서스기술실증 2.3.1 한국형물에너지식량자립섬 (WEF 3.0 Island) 구축을위한융합기술 넥서스개별기술조합으로 수자원인프라운영최적화 실현 그리드 ( 유역, 행정구역 ) 기반으로자원간순환을관리 운영 섬은물, 에너지, 식량 자원순환에대한넥서스 관계를규명하고넥서스 기술을적용평가할수있는 좋은장소이며, 물, 에너지, 식량넥서스기술을개발하여 자립적으로섬주민이거주할 수있는융합기술을개발 Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ 수원, 용수연계활용기술 맞춤형수원연계의사결 정지원시스템 공간적분포에따른물확 보가이드라인 물 - 에너지순한자원실 시간감시및관리시스템 농가단위의실시간농업 용수, 전력사용량, 작물 생산량파악기술제시 도시및농산어촌에적용 가능한범용 W-E-F 연 계제품출시및상용화 Ÿ 100kW 급규모자립형 Ÿ Ÿ Water-Energy System 구축 수전해및신재생에너지 생산 & 저장플랜트혼성 공정운영및설계매뉴 얼제작 에너지생산 & 저장 Process Automation 및 Monitoring System Control 연속공정 관리프로그램 소요예산 ( 억원 ) 6 35 5 20 10 130 8 55 2.3.2 신재생에너지를활용한에너지자립담수화 신재생에너지를활용해물, 에너지, 식량생산이어려운지역에적용하여자립적으로자원확보를할수있는기술개발 Ÿ GUI가구성된 WEF Island 평가모델 Software Ÿ 개발과정에서취득한 RE 시스템정보등구축DB 5 30 2.3.3 해수와우수를활용한수소생산및저장 SYSTEM 구축 에너지생산을위해필요로하는수소를해수와우수를활용하여수소를생산하고저장할수있는 system 구축 Ÿ Ÿ Ÿ 해수담수화및 LID 물순환복원기술활용물순환성능개선집수된우수의정화를통한수자원확보확보된수자원의수전해를통한수소가스생산 7 45-155 -
나 세부사업별내용 연계효율개선기술개발 수자원및수자원인프라활용효율개선기술 - 물분야에서수자원과수자원인프라를활용하여에너지와식량생산에서물의사용효율을개선시킬수있는기술 다목적댐보유에너지를활용효율극대화기술 - 다목적댐에되어있는에너지 ( 위치에너지및열에너지 ) 를활용하여에너지효율을높이고식량생산량을증대할수있는공급기술 수자원인프라간연결을통한물공급효율개선기술 - 댐보의연결을통하여계절별에너지및식량생산에대한지역특성을고려하여물을공급할수있는기술개발 쌀생산에서의물소비효율개선방안연구 - 물사용이많이소요되는쌀생산에서물을적게사용하면서도쌀생산량을증대시킬수있는기술개발 등급별수질을고려한고효율담수화기술개발 - 해수및폐수를이용가능한물로담수하는데있어최고등급의수질을목표로생산하는것이아니라사용목적에따라수질등급을선정하고각등급의목표수질을달성하는데있어저에너지소비高물생산의담수기술개발 수자원인프라및수변지역을활용한식량, 에너지생산극대화기술개발 - 댐및보의저류된물의활용도를높이며이러한수자원인프라주변의수변지역을활용하여식량생산및에너지생산을높일수있는기술개발 ( 예 data 센터, 시설재배 ) 에너지생산효율개선기술 - 자립형신재생에너지생산기술개발 자가에너지생산형저류조설계및운영기술 - 저류조건설에있어자가에너지를생산할수있는저류조설계및저류조운영에있어에너지를절감할수있는운영기술개발 물-에너지-식량연계자립형에너지생산, 저장, 공급기술개발 - 신재생에너지를기반으로자립적으로에너지를생산, 저장, 공급할수있는독립적에너지공급체를구성및개발하여마이크로스케일의식량생산과물이동시에너지공급 ( 신재생에너지생산, ESS) 해안지역및도서지역에너지공급을수소에너지연구 - 해수로부터발생되는수소를저장하고이를에너지로전환하여해안지역과도서지역에깨끗하고충분한에너지를공급하기위한연구 - 156 -
식량생산에서물, 에너지소비효율개선기술 - 물, 에너지소비를최소화하면서식량생산량을증대시킬수있는기술개발 도시식물공장물-에너지소비연계효율최적화기술 - 도시지역의빌딩특성, 형태, 위치에따른최적물-에너지연계효율을최적화한식물공장을설계하고이를통하여신선한야채를도시민에게발공급할수있는공급체계개발 시설재배물-에너지소비효율기술개선 - 시설재배에있어스케줄링을통한물, 에너지사용을최소화할수있는방안및에너지소비에있어물의열에너지와연계하여에너지사용효율성을높일수있는기술개발 연계운영최적화 넥서스기반수자원인프라운영최적화 - 넥서스개별기술조합으로수자원인프라운영최적화실현 수자원사용용도별맞춤형수원활용및연계체계구축 - 지역특성에맞추어계절별필요용수량과등급을구축하여수원간연결을통한기술및이를통하여효율을극대화할수있는넥서스기술들을조합한패키지형태의운영기술개발 식량, 에너지생산의공간적분포에따른물확보방안수립 - 지역별식량, 에너지, 생산에소요되는용수량을시간별공간별로파악하여효율적인물을확보할수있는방안마련 WEF-Nexus 기술을적용한기존댐댐 ( 다목적, 발전용, 농업용 ) 리모델링및연계운영방안수립 - 기존댐을리모델링과연계운영을하여댐의역할을확대하고안정한용수공급및에너지생산에필요로하는조건을개선하고자하는기술 도시 ( 지역 ) 단위물-에너지순환 ( 이용 ) 과제자원 (Resource) 실시간감시및관리시스템개발 - 스마트미터링과연결해물-에너지순환을실시간으로감시하고관리할수있는시스템개발 그리드기반 WEF 넥서스운영최적화 - 그리드 ( 유역, 행정구역 ) 기반으로자원간순환을관리운영하는것이목적 W-E-F를연계한마이크로그리드단위의최적기술상용화 - 마이크로그리드단위의 WEF자원순환에넥서스기술을적용하여운영할수있는최적기술상용화. 이는추후스케일을넓히기위해필요함. - 157 -
도심친환경열에너지의공급을위한 Water Heat Grid 시스템개발 - 도시지역에서공급되어지는열에너지의효율성을극대화하기위해 grid형태의시스템을개발하여생산, 재이용, 소비에있어에너지효율을극대화할수있는기술. 기존 Smart Grid 및 Smart water grid와연계가능함 넥서스기술실증 한국형물 에너지 식량자립섬 (WEF 3.0 Island) 구축을위한융합기술 섬은물, 에너지, 식량자원순환에대한넥서스관계를규명하고넥서스기술을적용평가할수있는좋은장소이며, 물, 에너지, 식량넥서스기술을개발하여자립적으로섬주민이거주할수있는융합기술을개발하고자함 신재생에너지를활용한에너지자립담수화 신재생에너지를활용해물, 에너지, 식량생산이어려운지역에적용하여자립적으로자원확보를할수있는기술개발 해수와우수를활용한수소생산및저장 SYSTEM 구축 에너지생산을위해필요로하는수소를해수와우수를활용하여수소를생산하고저장할수있는 system 구축 - 158 -
3 절. WEF 넥서스거버넌스수립및개선분야 추진배경및필요성 Water, Energy, Food의효율극대화를위한데이터조사, 수집및통계분석등을통한빅데이터분석방법및구체적활용방안연구 WEF 넥서스의관련부처, 참여자, 법령계획등의격차를분석하고개선방안을통한사회적갈등비용및경제적거래비용의감소를위한거버넌스발전방안제시 WEF 넥서스기술이인문사회과학적으로미치는영향분석을위한인벤토리선정및영향평가지표개발 넥서스기술활성화를위한인증제및인센티브방안연구 세부사업의목적및범위 국민중심자원연계활용전략 WEF Nexus의효율극대화를위한빅데이터적용연구 WEF 관련법 제도에대한해외사례분석및개선사항조사 WEF Nexus 거버넌스개발 인문융합중심자원연계시너지극대화전략 인문융합중심의물-에너지-식량연계시너지극대화방안연구 WEF Nexus의인문사회과학적영향조사및분석 넥서스인증제와인센티브방안연구 기술개발내용 가 기간및예산 년 억 세부사업개요결과물 3.1 국민중심자원연계활용전략 기간 ( 총년 ) 소요예산 ( 억원 ) 10 50 3.1.1 WEF Nexus 의효율극대화를위한빅데이터적용연구 Water, Energy, Food의효율극대화를위한데이터조사, 수집및통계분석등을통한빅데이터분석방법및구체적활용방안연구 Ÿ 국민중심빅데이터생산 Ÿ 자원활용을위한생산, 공급, 소비체계에서의자료관리시스템 5 13-159 -
세부사업개요결과물 3.1.2 WEF 관련법 제도에대한해외사례분석및개선사항조사 국외 WEF 넥서스기술과 관련하여해외의법, 제도의 수립현황및실질적운영에 따른문제점및개선사항조사 및국내현실에부합하는 추진전략도출 Ÿ Ÿ 해외법제도사례조사 국내적용방안 기간 ( 총년 ) 소요예산 ( 억원 ) 7 20 WEF 넥서스의관련부처, 3.1.3 WEF Nexus 거버넌스개발 참여자, 법령계획등의격차를분석하고개선방안을통한사회적갈등비용및경제적거래비용의감소를위한거버넌스발전방안제시 Ÿ Ÿ 국민참여거버넌스구축방안사회갈등해소를위한컨센서스도출방안 6 17 3.2 인문융합중심자원연계시너지극대화전략 10 50 국가정책에있어 Water, 3.2.1 인문융합중심의물 - 에너지 - 식량연계시너지극대화방안연구 Energy, Food 넥서스기술이기술적성장뿐만아니라사회적으로국가성장및국민삶의질을향상시키기위한현실적인적용방안연구 Ÿ Ÿ 인문융합중심의국민적넥서스접근전략거버넌스를통한시너지극대화방안 7 19 3.2.2 WEF Nexus 의인문사회과학적영향조사및분석 WEF 넥서스기술이인문사회과학적으로미치는영향분석을위한인벤토리선정및영향평가지표개발 Ÿ 인문사회적 인벤토리 구축 Ÿ 국민공감대형성방안 7 19 3.2.3 넥서스인증제와인센티브방안연구 넥서스기술활성화를위한 인증제및인센티브방안연구 Ÿ Ÿ 넥서스성과평가및인증시스템넥서스인센티브부여시스템 5 12 나 세부사업별내용 국민중심자원연계활용전략 WEF Nexus 의효율극대화를위한빅데이터적용연구 Water, Energy, Food 의효율극대화를위한데이터조사, 수집및통계분석 등을통한빅데이터분석방법및구체적활용방안연구 - 160 -
WEF 관련법 제도에대한해외사례분석및개선사항조사 국외 WEF 넥서스기술과관련하여해외의법, 제도의수립현황및실질적운영에따른문제점및개선사항조사및국내현실에부합하는추진전략도출 WEF Nexus 거버넌스개발 WEF 넥서스의관련부처, 참여자, 법령계획등의격차를분석하고개선방안을통한사회적갈등비용및경제적거래비용의감소를위한거버넌스발전방안제시 인문융합중심자원연계시너지극대화전략 인문융합중심의물-에너지-식량연계시너지극대화방안연구 국가정책에있어 Water, Energy, Food 넥서스기술이기술적성장뿐만아니라사회적으로국가성장및국민삶의질을향상시키기위한현실적인적용방안연구 WEF Nexus의인문사회과학적영향조사및분석 WEF 넥서스기술이인문사회과학적으로미치는영향분석을위한인벤토리선정및영향평가지표개발 넥서스인증제와인센티브방안연구 넥서스기술활성화를위한인증제및인센티브방안연구 - 161 -
6 장. 기술로드맵 1 절. 총괄로드맵 요소기술별 Pilot Test 자립마을구축시범도시구축 ü 지식화인벤토리 ü 평가툴개발 ü 효율개선및운영최적화 ü 연계검증및 PilotTest ü 자원자립형자립마을 ü 개발도상국기술수출용자립마을구축패키지기술 ü 현장맞춤형자립마을구축적용성평가 ü 시범도시구축을위한자원연계기술적용 ü 시범단지구축및도시형자원자립도능력평가 - 162 -
2 절. 사업별로드맵 넥서스의사결정지원시스템 - 163 -
연계기술개발및실증 - 164 -
넥서스거버넌스수립및개선 - 165 -
3 절. 단기적추진분야설정 개요 21C 形 WEF Nexus 플랫폼구축기술개발 가 기술명 국가물-에너지-식량연계를통한 21C 形 WEF Nexus 플랫폼구축기술개발 - 플랫폼은용도에따라다양한형태로활용될수있는공간으로서, 다양한사업영역에서기업및기술보유자, 개발자가 WEF 넥서스와관련된사업, 상품을설계하고개발, 보급하는데있어공통요소를찾아내고이들의상호공유와활용을통한지렛대역할을할수있는구축기술 나 도출경위및세부과제별기술정의 단기적추진분야도출 중장기적추진과제중단기적 (3~4년) 으로성과를도출할수있고, 필수적이고가시화할수있는과제들을도출함 기존의요소기술의개발사례들을바탕으로 2개또는 3개의연계를통해저비용, 고효율의넥서스기술을도출할수있는과제들을중심으로발굴함 향후법, 제도및정책에대한각부문별협업의충분한토대가마련되었을때를대비한 WEF nexus 기술의플랫폼구축을위한기술을중심으로선정함 - 166 -
1세부과제 : WEF 넥서스지식화인벤토리설계및개발 WEF 넥서스기술을평가하고상호영향을분석하기위해서는데이터구축이필요하나, 이때단순한 DB 구축이아닌넥서스 DB를기반으로넥서스관련지식을생성하여국민들에게전달할수있는개량화된지식 DB 2세부과제 : WEF 넥서스 Trade-off 평가툴개발 각자원간상호작용에대한생산-공급-소비단계에서의평가를수행하기위한평가툴을개발하며, 이를통해 Trade-off, 시너지, 기술영향등에대한다차원평가툴개발 3세부과제 : WEF 연계효율개선및운영최적화기술개발 수자원및수자원인프라시설을활용한자원생산극대화및효율성을증진하고자립형에너지생산기술과식물공장및시설재배의수자원연계효율최적화를통한생산성증대를도모하며, 요소기술을연계및운영하는입체적기술개발 4세부과제 : WEF 연계검증및실증기술개발 소규모 WEF Nexus 실증마을구출을위해기존기술및 WEF Nexus 기술을융합하여실현할수있는기술을도출하며, 기술의실증을통한 WEF Nexus기반인문사회과학적제도및정책개설및정책적실용화 [ 그림 6.1] 단기적중점과제의구성 - 167 -
기술수요및과제구성 세부사업개요결과물 (1 세부 ) WEF Nexus 지식화인벤토리설계및개발 기간 ( 총년 ) 소요예산 ( 억원 ) 4 35 넥서스기술을평가하고 자원간상호영향을평가하기 1.1 Virtual WEF 기반넥서스데이터모듈설계및개발 위해서는반드시데이터구축이필요함. 이를위해가상수에기반한데이터들을어떠한형식으로무엇을 Ÿ 물-식량 -에너지 정보연 계지식컨텐츠시범 DB Ÿ 물-식량 -에너지연계 시 범지식 DB 모듈 4 17.5 수집하고관리해야하는지에 대한연구 Ÿ 기후변화의영향에따른 DB 구축이목적이아니라 단위물 / 에너지 / 식량생산 1.2 WEF Nexus 지식 DB 플랫폼시범개발 넥서스 DB를기반으로넥서스관련지식을생성하여국민들에게전달하기위한 Ÿ 의변화량국가 W-E-F 데이터베이스 (DB) 및자원공정과정 4 17.5 플랫폼개발 의연계성표출을위한표 현기술 (2 세부 ) WEF Nexus Trade-off 평가툴개발 4 40 2.1 WEF 분야간시공간적수급분석, 평가, 계획수립프로세스개발 자원의순환흐름분석을위하여물, 에너지, 식량의공급, 저장, 소비등에대해분석, 평가, 계획에대한프로세스개발 Ÿ Ÿ 시 공간적넥서스최적화프로세스 WEF 넥서스연계평가처리모듈기술알고리듬 4 18.5 Ÿ 물 - 식량 - 에너지연계 2.2 WEF Nexus 평가툴개발및평가 각자원간상호작용에대한영향평가 (Trade-off, Synergy, 넥서스기술영향 ) Ÿ WEF Nexus 평가툴 Software 물 - 에너지 - 식량간 Trade-off 최적평가알고 4 21.5 리듬및표준매뉴얼 (3 세부 ) WEF 연계효율개선기및운영최적화기술개발 4 55 3.1 수자원인프라활용효율및운영개선기술 물분야에서수자원과수자원인프라를활용하여에너지와식량생산에서물의사용효율을개선시킬수있는기술 Ÿ 수계별수자원인프라에대한맞춤형 WEF 연계기술 Ÿ 물공급, 에너지생산최대화를위한다목적댐최적운영률 4 25-168 -
세부사업개요결과물 3.2 에너지, 식량생산효율개선기술 (4 세부 ) WEF 연계운영최적화및실증 자립형신재생에너지및 식량생산극대화기술 Ÿ Ÿ Ÿ 환경조건에따른효율적인 물 - 에너지관리시나리오 개발 다목적댐별생산가능한에 너지생산량산정기술 넥서스산업단지최적다 목적댐선정기술 기간 ( 총년 ) 소요예산 ( 억원 ) 4 30 4 70 4.1 한국형물, 에너지, 식량자립마을 (WEF3.0 Village) 구축을위한융합기술 소규모 WEF Nexus 실증마을구축을위해기존기술및 WEF넥서스기술을융합하여실현할수있는기술도출 Ÿ WEF Nexus 자립형모델실현을위한세부기술 Ÿ WEF Nexus 기반수자원활용기술개발 4 52 4.2 WEF Nexus 기반인문사회과학적제도및정책개선 기술의실증을통한 WEF Nexus 기반인문사회과학적제도및정책개선및정책적실용화 Ÿ Ÿ 넥서스성과평가및인증 인센티브시스템 4 18 가 세부과제 넥서스지식화인벤토리설계및개발 Virtual Water 기반넥서스데이터모듈설계및개발 - 넥서스기술을평가하고자원간상호영향을평가하기위해서는반드시데이터구축이필요함. 이를위해가상수에기반한데이터들을어떠한형식으로무엇을수집하고관리해야하는지에대한연구 물, 식량, 에너지발자국연계산정방안연구 - 물발자국을줄이는것이넥서스기술목표의핵심이기도함. 따라서이러한물발자국이어떻게구성되었는지또한산정방법에대한연구필요 물, 에너지, 식량분야컴포넌트별 DB 인벤토리및정보체계구축 - 넥서스관련데이터는양이너무방대하기때문에이를체계적으로구성하기위해서는인벤토리들과정보체계를구축하는것이필요하기때문에이에대하여상호간영향평가및정보를비교분석할수있도록컴포넌트별 ( 물, 에너지, 식량 ) DB 인벤토리와정보체계 ( 메타데이터 ) 구축필요 WEF 넥서스지식 DB 플랫폼시범개발 - DB 구축이목적이아니라넥서스 DB 를기반으로넥서스관련지식을생성 하여국민들에게전달하기위한플랫폼개발 - 169 -
WEF 넥서스지식 DB 제공시스템개발 - 구축된넥서스 DB를평가툴에바로연결하고사용하여지식화할수있는일종의모듈형태의시스템개발 WEF 넥서스지식컨텐츠발굴및표현기술개발 - 플랫폼내에서운영할수있는넥서스자료에대한평가및분석을통하여지식화할수있는컨텐츠의관리및제공에대한설계및개발 나 세부과제 넥서스 평가툴개발 WEF 분야간시공간적수급분석 평가 계획수립프로세스개발 - 자원의순환흐름분석을위하여물, 에너지, 식량의공급, 저장, 소비등에대해분석, 평가, 계획에대한프로세스개발 용수 - 에너지 - 식량시공간적수급프로세스개발 - 생공용수 - 생활용수및공업용수 vs 생활에너지및산업에너지 - 농업분야에서식량생산을위하여소비되는물과에너지의순환프로세스정립하며, 식량생산에대하여식량생산량과이에소비되는수자원과에너지의관계정립 넥서스기술연계평가처리모듈개발 - GUI 기반손쉬운기능사용을통한연계평가및처리사용자환경개발 WEF Nexus 넥서스평가툴개발 - 각자원간상호작용에대한영향평가 (Trade-off, Synergy, 넥서스기술영향 ) 넥서스 DB 연계기반다이내믹평가모델개발 - 넥서스 DB에연계해자료가업데이트될때마다새롭게영향평가를할수있는다이내믹평가모델개발 물-에너지-식량넥서스 Trade-Off 평가기법개발 - 자원간 Trade-off( 예. 물의사용을줄였을때식량과에너지의생산량 ) 를줄일수있는방안찾기위해서 Trade-off 평가기법필요 WEF 넥서스영향평가 - 물, 에너지, 식량자원이인간에게주는생태서비스영향평가 다 세부과제 연계효율개선및운영최적화기술개발 수자원인프라활용효율및운영개선기술 - 물분야에서수자원과수자원인프라를활용하여에너지와식량생산에서 - 170 -
물의사용효율을개선시킬수있는기술 다목적댐보유에너지를활용효율극대화기술 - 다목적댐에되어있는에너지 ( 위치에너지및열에너지 ) 를활용하여에너지효율을높이고식량생산량을증대할수있는공급기술 수자원인프라간연결을통한물공급효율개선기술 - 댐보의연결을통하여계절별에너지및식량생산에대한지역특성을고려하여물을공급할수있는기술개발 자원인프라및수변지역을활용한식량, 에너지생산극대화기술개발 - 댐및보의저류된물의활용도를높이며이러한수자원인프라주변의수변지역을활용하여식량생산및에너지생산을높일수있는기술개발 ( 예 data 센터, 시설재배 ) 에너지, 식량생산효율개선기술 - 자립형신재생에너지생산기술 물-에너지-식량연계자립형에너지생산, 저장, 공급기술개발 - 신재생에너지를기반으로자립적으로에너지를생산, 저장, 공급할수있는독립적에너지공급체를구성및개발하여마이크로스케일의식량생산과물이동시에너지공급 ( 신재생에너지생산, ESS) 도시식물공장 / 시설재배물-에너지소비연계효율최적화기술 - 도시지역의빌딩특성, 형태, 위치에따른최적물-에너지연계효율을최적화한식물공장을설계하고이를통하여신선한야채를도시민에게발공급할수있는공급체계개발 - 시설재배에있어스케줄링을통한물, 에너지사용을최소화할수있는방안및에너지소비에있어물의열에너지와연계하여에너지사용효율성을높일수있는기술개발 쌀생산에서의물소비효율개선방안연구 - 현행담수재배에의한 SRI 는물사용량을약 25~50% 를줄일수있으며, 논에 SRI를적용할경우적지않은용수확보가가능할것으로판단됨 라 세부과제 연계검증및실증기술개발 한국형물, 에너지, 식량자립마을 (WEF3.0 Village) 구축을위한융합기술 - 소규모 WEF Nexus 실증마을구축을위해기존기술및 WEF넥서스기술을융합하여실현할수있는기술도출 물, 에너지, 식량자립기술활용실증 - 물-에너지-식량자립마을관리를위한 Smart Water-Energy-Food Grid - 171 -
System 구축 (Big Data 기반의물 / 에너지수요예측및작물재배환경에대 한지능형생육 / 물 / 에너지소비관리시스템 ) - 기존인프라및시스템과의자원간연계기술 WEF Nexus 기반인문사회과학적제도및정책개선 - 기술의실증을통한 WEF Nexus 기반인문사회과학적제도및정책개선및정책적실용화 WEF Nexus 실현을위한정책개선도출 - Water-Energy, Water-Food, Energy-Food의각 Nexus 및법 제도적개선사항정리 WEF Nexus 인증제와인센티브방안연구 - 넥서스효과에대한사회, 경제적평가를위한인증시스템구축및인센티브부여방안, 절차및기준수립 - 172 -
7 장. 사전타당성검토 1 절. 정책적타당성분석 국가전략의중요성 미래기후변화대응및국가필수자원안보체계구축을위해물기반국정아젠다로써의 Water-Energy-Food Nexus 국가실행계획이필요한시점임 전세계적인기후변화, 인구증가, 도시화, 자원고갈에따른물, 에너지, 식량등필수자원의수요증가및수급불균형으로글로벌자원안보위기가고조되고있어이에대한국가차원의대비가필요함 국내의경우자원의대외의존성이높기때문에국제자원시장변화에크게영향을받고있어, 주요자원에대한안보문제해결이필요한시점임 인구의도시화현상으로인해자원사용량이집약적이고밀집되어, 도시지역에대한자원의효율적사용필요성이증가함 기후변화로인하여발생하는수자원부족 ( 고갈 ) 문제와물순환왜곡등을해결하기위한수자원자족 자립능력향상기술개발이필요한시점임 - 특히 `15년가뭄으로 3일까지강수량은평년대비 62%(2015.11) 에불과, 중부지방을중심으로물부족문제심화되고있음 물, 에너지, 식량은생산및사용과정에서연계성이높은자원이므로지속가능한확보및적정배분, 신기술창출을통한자원안보확보와연계효율에대한미래기술개발의필요성이국가전략적으로도매우중요함 기후변화에따른강우강도, 지속기간, 발생빈도등기후지표의변화로물생산및소비예측의불확실성이증가하며, 이용가능한깨끗한물확보의어려움이발생하고있음 - 우리나라가상수수출입량을살펴보면 2007년약 400억톤의가상수를수입한것으로조사되어세계 5위의가상수수입국으로수자원의합리적관리에대한필요성이대두됨 국내에너지생산은해외의존도가높고, 원자력에의한에너지생산이집중되며, 신기후체제에따른 CO 2 감소의무량정책에신재생에너지개발및활용방안이필요함 - 2014년전체에너지수요는 287.7백만 TOE( 석유환산톤 ) 이며, 이는세계 8 위에해당되는수요량임 - 한국에너지소비연평균증가율은 2.83% 로, 독일ㆍ프랑스ㆍ일본ㆍ미국등주요선진국이마이너스성장을보이는것과대조적으로계속늘고있음 - 173 -
식량자급률이 47.2% 수준이며, 비효율적인쌀지원정책및생산자고령화로식량안보의불안정성이예상됨 우리나라에서는분단상황의특수성으로인해통일시북한인구의합류로정량적인인구가증가하며, 합류되는북한인구의남한생활수준도달과정에서물, 에너지, 식량등자원수요량급격한증가가예상됨 북한의산업구조는중공업, 군수산업의에너지다소비형산업구조이며, 북한발전설비용량은 724만 KW로남한의 12% 규모임 UNFAO에서 2016년북한의식량이 69만톤부족할것으로예상하고있으며, 특히쌀, 옥수수생산이감소되고있음 향후통일대비를위해서는국가적차원의자원연계형국토관리정책개발및추진이필요함 세계각국의연구기관에서는 WEF Nexus 기술에대한개념을정립하고, 각자원간의데이터베이스를연계 통합하여관리하려는움직임을보이고있는반면국내에서는여전히개별적으로관리되고있음 물, 에너지, 식량에효율성에대한기술개발은현재국토부, 산자부, 농림부에서개별적으로추진되고있으나자원간상호작용이단절되어, 통합및연계효과에따른자원확보와경제적효과개선이필요함 - 그간분산 개별적으로진행해오던자원효율성개선기술을다른자원의생산, 공급, 소비에연계하여국가차원의다부처신자원관리체계구축이필요함 - WEF Nexus는사회적, 경제적, 환경적으로서로다르거나경쟁관계에있는자원간이해관계를연계시킬수있음 미래기후변화대응및국가필수자원안보체계구축을위해물기반국정아젠다로써의 Water-Energy-Food Nexus 국가실행계획의필요성이대두되면서우리나라도 Nexus를통한자원의상호연계관리가매우중요해짐 - 인구증가, 경제성장, 기후변화등의미래환경변화에대응하기위한한정적인자원들의효율적인활용이어려움에따라자원간의연계성을활용한지속가능한자원확보가시급한상황임 - 수자원자체만의기존기술한계를극복하기위한물-에너지, 물-식량연계신기술개발과지속가능한활용방안을개발해야함 물 ( 기상 )-식량-에너지는서로밀접한연관성을가지고있으며, 개별분야에서의문제는그자체로위기로그치지않고다른타분야의위험도를증폭시키는원인으로작용하게됨 과거와다르게교통, 물류등의발달로물, 식량및에너지의국가간의존도가더욱증가하는방향으로전개되고있으며, 세가지자원의연계성강화는결국상호위기를가중시킬것으로전망됨 - 174 -
- 세계수자원의 70% 는농업부문에서이용되고있으며, 에너지분야에서도자원개발단계, 화석연료를통한발전및냉각용수로서상당한수자원이이용되고있는등물과식량및에너지분야는연관성이크게증대되고있음 - 물, 에너지, 식량 Nexus에서에너지와식량은필수자원이자 2차적생산물인반면물은 1차적인자원으로써물확보가우선되어야에너지, 식량이확보될수있음 - 해수담수화, 바이오에너지부문에서도결국은안정적인수자원확보가가장핵심적인요소로인지되고있음 이러한국제적인동향에맞추어, 어느나라보다자원의효율적이용이중요한국내에서도넥서스와같은종합적인자원의관리기술개발이매우중요한실정임 상위계획과의부합성 자원의효율성향상은우리나라의국정과제에서매우중요한부분을차지하는아젠다로, 정부와부처등에서이와관련된기술개발청사진을수립함 물-에너지-식량연계 (Water-Energy-Food Nexus) 기술은 `13년 2월정부국정과제중 쾌적하고지속가능한환경조성 의 99. 기상이변등기후변화적응, 100. 안정적인에너지수급및산업구조선진화, 101. 신재생에너지보급확대및산업육성등과밀접한관련이있음 또한기후변화대응을위한에너지신산업육성의구체적성과를창출하기위해관계부처합동으로 에너지신산업활성화및핵심기술개발전략이행계획 ( 15~ 17) 을수립하여제8차경제관계장관회의에서발표된바있음 물, 식량, 에너지의관리를주관하는부처가다르기때문에 ( 국토교통부 ( 물 ), 산업통산자원부 ( 에너지 ), 농림축산식품부 ( 식량 )) 자원연계정책이필요함 국토부는사회적패러다임변화에선제적으로대응할수있는국토교통 R&D 중장기전략을수립하고, 특히기후변화및에너지고갈대응, 수자원의안정적확보를도모하고있음 36) 국토부는도시내각종시설물과자원등을안전하고효율적으로관리하기위해 ICT, 센싱, 빅데이터등첨단기술을적극활용하여도시와시설물자동관리, 수자원의안정적 효율적관리를도모함 - 복잡한도시의기능들을센싱을통해실시간모니터링함으로써사고를예방하고, 사고발생시자동응급복구가가능하도록추진중임 - 수자원등도시내자원 에너지등을순환 재활용하고, 사람 사물의실시간흐름을빅데이터로관리하는등의기술이활용중임 36) 국토교통 R&D 중장기전략 (2014) 및동향조사 (2015) - 175 -
- 프로젝트의개발을통해교통물류최적화, 자원 에너지순환 재활용, 사고 재해상황실시간관리등스마트하고친환경적인도시 국토를구현함 - 사물통신을기반으로시설물성능 안전성을실시간모니터링하고, 자동으로유지보수하여안전사회에이바지함 - 도시내수자원을자급자족하고, 재해를예방하기위해분산형수자원관리를추진함 제2차농림식품과학기술육성종합계획에서는농업체질개선, 고부가가치식품, ICT 융합, 농업 / 농촌에너지등과관련한중장기 R&D 중점분야를선정함 농업체질개선과관련하여신선농산물수확후관리및선도유지저장유통기술, 원예작물안정생산및시설원예에너지절감기술등을제시하고있음 ICT 융합과관련하여지능형정밀농업생산구현기술, 수익형식물공장비즈니스모델개발, 지능형농업용수통합제어시스템등을제시하고있음 농업 / 농촌에너지과관련하여바이오에너지원료작물대량생산기술, 바이오에너지고효율생산및산업화기술, 목질계바이오에너지및목질성분활용기술, 고품질 / 고생산성주곡신품종개발및안정생산기술 2014 에너지기술이노베이션로드맵에서는고효율화기술, 바이오매스관련기술, 에너지수요 공급안정성확보기술, IoT+Big Data 활용기술등에대한중장기 R&D 중점분야를선정함 고효율화기술로는기존화력발전대비고효율화를도모하는고효율청정화력발전, 인프라기기효율향상을도모하는스마트 FEMS, 전력사용의저비용 / 고효율을증진시키는수요대응형 ESS, CO 2 의저비용 고효율포집을도모하는 CCUS, 고효율소형발전시스템인미래형에너지발전, 에너지변환및저장효율하를도모하는미래형고효율에너지변화 저장등이포함됨 식물자원을활용한에너지생산기술은바이오매스를활용하여재생가능한연료를생산하는차세대청정연료등이포함됨 에너지수요 공급안정성확보기술은양방향전력 Network 최적운영지원기술이포함된차세대송배전, 전력망연계를통한스마트마이크로그리드, 국가차원의에너지수요 / 공급안정성을도모하는에너지네가와트시스템등이포함됨 IoT+Big Data 활용기술로는개방형정보관리기술인에너지 IoT + Big Data 플랫폼이포함됨 - 176 -
2 절. 기술적타당성분석 기술개발계획의적절성 동사업은내외부환경분석을기반으로한 SWOT 분석을통해사업추진방향을설정하고이에따른 Issue 및 R&D Needs도출을통해사업영역을설정하여사업내용의논리성및적절성을확보하였음 국내외 WEF Nexus 접근방향, WEF Nexus 관련메가트랜드분석, 정책 / 시장 / 기술동향분석, 논문특허분석및기술수요조사를수행함 - 국내외 WEF Nexus 접근방향의경우 BONN2011 Nexus conference, World Economic Forum 2011, International Centre for Integrated Mountain Development 2012 등에서다루고있는 WEF Nexus에대한이해및연계활용방안에대해분석함 - 메가트랜드분석에서는미국 NIC, WEF, IPCC 등주요기관에서발행한메가트랜드분석보고서중 WEF Nexus와관련된주요메가트랜드를분석함 - 정책 / 시장 / 기술동향에서는국내외관련정책현황및기술동향, 물산업, 에너지산업, 식량산업에대한시장동향을분석하여기술개발의현황및향후추진방향성설정을위한근거자료로활용함 - 특허분석에서는 2000년이후출원된관련특허를대상으로특허활동도, 특허집중도, 특허시장력, 특허경쟁력, 특허영향력의 5개항목을분석 / 평가하였으며, 논문분석에서는 2000년이후게재된관련특허를대상으로논문활동도, 논문집중도, 논문영향력의 3개항목을분석 / 평가함 - 기술수요의경우 2016년 10월 10일 ~11월 4일 (4주간) 기획연구진, 분과별기획전문가, 수자원학회, 농공학회, 신재생에너지학회, 상하수도학회등 4개학회회원을대상으로수행하여기술개발이필요한분야, 기술 Item 조사를통해기술개발필요성및방향성수립에대한근거를확보하였음 물, 에너지, 식량 Nexus 사업추진방향설정을위해내외부환경분석을통한강점, 약점, 기회, 위협요인을분석및 SWOT분석을수행함을통해 8개사업추진방향을설정함 사업추진방향에따른사업추진시자원간수급분석및상호영향평가, 자원활용효율극대화, 넥서스운영최적화, 인문융합중심국민공감대형성의 4 가지 Issue를도출하고이를위한 9개의 R&D Needs를도출함 최종도출된사업구조는도출된기술개발추진방향, 국내유관계획과의연계성, 각기술분야연구의효과성제고및성과연계등을고려하여 3가지사업영역과 7가지세부사업영역을도출함 - 9개 R&D Needs에따라앞서조사되었던기술수요조사결과를토대로전문가위원회논의를거쳐관련기술아이템을매칭하였음 - 177 -
- 도출된세부사업간의선후관계를고려하여그려보고선행되어야할연구를우선추진하기위해단기적추진분야인 21C 形 WEF Nexus 플랫폼구축기술 을설정하고 4개세부과제를제시함 동사업의비전은국가물-에너지-식량연계를통한 21C 形新산업인프라기반구축으로이에대한목표를분명하게제시하였음 비전달성을위한목표는 물-에너지-식량분야상호연계를통한분야별 생산-가공-유통처리 효율 30% 개선, 20C SOC 시설산업기반에서 21C 사회인프라국민서비스산업으로전환을통한국가신산업기반구축, 4차산업혁명의 Data Technology 분야에서세계최초의공공기반 WEF 연계패키지기술개발 로제시함 동사업추진의위험요소및공헌요소등을고려하여추진전략을수립하였음 목표달성을위한추진전략으로는 WEF Nexus 기술적용의효율성검증을위한단기추진과제우선추진, 국민적공감대형성을위한정기적성과공유회개최, 부처간연계 협력네트워크구축을위한성과물의활용성제고 로제시함 사업구조의적절성 동사업에서도출한단기적과제는 4대세부과제로구성되어있으며, 각세부과제는넥서스기술이상용화되고운영되는데있어필수적으로선행되어야할 3개세부과제와최적화및실증을위한 1개세부과제로유기적으로구성됨 3개세부과제는 WEF 넥서스지식화인벤토리설계및개발, WEF Nexus Trade-off 평가툴개발, WEF 연계효율개선및운영최적화기술개발 로데이터베이스의구축, 평가 Tool, 효율개선기술개발이주내용이며, 이는 4번째세부과제인 WEF 연계운영검증및실증기술개발 을통해구현될수있도록과제가구성됨 WEF 넥서스지식화인벤토리설계및개발 은넥서스 DB를기반으로넥서스관련지식을생성하여국민들에게전달할수있는개량화된지식 DB 구축을목표로함 넥서스기술을평가하고자원간상호영향을평가하기위해서는반드시데이터구축이필요하므로이를위해가상수에기반한데이터들을어떠한형식으로무엇을수집하고관리해야하는지에대한연구수행하도록구성함 - 넥서스기술목표의핵심인물발자국을줄이기위하여물, 식량, 에너지발자국연계산정방안연구가선정되었음 - 넥서스관련데이터는양이너무방대하기때문에이를체계적으로구성하 - 178 -
기위해서는인벤토리들과정보체계를구축하는것이필요하기때문에이에대하여상호간영향평가및정보를비교분석할수있도록컴포넌트별 ( 물, 에너지, 식량 ) DB 인벤토리와정보체계의구축이필요함 넥서스 DB를기반으로넥서스관련지식을생성하여국민들에게전달하기위한플랫폼개발단계에서 WEF 넥서스지식 DB 제공시스템과 WEF 넥서스지식컨텐츠발굴및표현기술을연구내용을포함함 - 구축된넥서스 DB를평가툴에바로연결하고사용하여지식화할수있는일종의모듈형태의시스템을개발을목표로함 WEF 넥서스 Trade-off 평가툴개발 은각자원간상호작용에대한생산-공급-소비단계에서의평가를수행하기위한평가툴을개발하며, 이를통해 Trade-off, 시너지, 기술영향등에대한다차원평가툴개발을목표로함 WEF 넥서스의성능이원활히이루어지도록하기위해자원의흐름분석을위한 WEF 분야간시공간적수급분석 평가 계획수립프로세스를개발및최적화된모듈개발을연구내용을포함함 - 자원의순환흐름분석을위하여물, 에너지, 식량의공급, 저장, 소비등에대해분석, 평가, 계획에대한프로세스개발하며용수 - 에너지 - 식량시공간적수급프로세스개발을목표로함 또한 WEF Nexus 넥서스평가툴개발을통해각자원간상호작용에대한영향평가 (Trade-off, Synergy, 넥서스기술영향 ), 넥서스 DB 연계기반다이내믹평가모델, 넥서스 DB에연계해자료가업데이트될때마다새롭게영향평가를할수있는다이내믹평가모델연구를포함함 - 자원간 Trade-off( 예. 물의사용을줄였을때식량과에너지의생산량 ) 를줄일수있는방안찾기위해서 Trade-off 평가기법이도입되며, 물, 에너지, 식량자원이인간에게주는생태서비스영향에대해서도평가기법의연구도연구내용에포함함 WEF 연계효율개선및운영최적화기술개발 은수자원인프라시설을활용한자원생산극대화및효율성을증진하고자립형에너지생산기술과식물공장및시설재배의수자원연계효율최적화를통한생산성증대를도모하는입체적기술개발을목표로함 수자원인프라활용효율개선기술은물분야에서수자원과수자원인프라를활용하여에너지와식량생산에서물의사용효율을개선시킬수있는기술임 - 다목적댐에되어있는에너지 ( 위치에너지및열에너지 ) 를활용하여에너지효율을높이고식량생산량을증대할수있는공급기술개발 - 댐보의연결을통하여계절별에너지및식량생산에대한지역특성을고려하여물을공급할수있는기술개발 - 179 -
- 댐및보의저류된물의활용도를높이며이러한수자원인프라주변의수변지역을활용하여식량생산및에너지생산을높일수있는기술개발 ( 예 data 센터, 시설재배 ) 에너지, 식량생산효율개선기술은물, 에너지, 식량연계자립형기술, 도시식물공장 / 시설재배의물, 에너지소비연계효율최적화, 쌀생산에서의물소비효율개선방안연구등으로구성함 WEF 연계검증및실증기술개발 은소규모 WEF Nexus 실증마을구축을위해기존기술및 WEF 넥서스기술을융합하여실현할수있는기술을도출하고기술의실증을통한 WEF Nexus 기반인문사회과학적제도및정책개선및정책적실용화를목표로함 도출된넥서스기술들을패키지화하여적용하고기술을실증하는방안으로한국형물, 에너지, 식량자립마을 (WEF3.0 Village) 구축을제시함 - 마을은물, 에너지, 식량자원순환에대한넥서스관계를규명하고넥서스기술을적용평가할수있는좋은장소이며, 물, 에너지, 식량넥서스기술을개발하여자립적으로마을주민이거주할수있는융합기술을개발하는것은우리나라의지형적, 환경적특성을고려하여최적의자원연계운용활용의예가될것임 - 신재생에너지를활용해물, 에너지, 식량생산이어려운지역에적용하여자립적으로자원확보를할수있는기술을개발하도록하고있음 신뢰성이담보된넥서스기술의파급을위하여민간기업참여유도를위해인증제도와인센티브지급등역시포함하고있음 - 180 -
3 절. 경제적기대효과분석 개요 동기획에서는사업영역설정이후단기적추진분야로 4개세부과제를선정하였으며, 경제적타당성의산정과기대효과를함께분석하였음 동기획에서는 WEF 넥서스지식화인벤토리설계및개발, WEF Nexus Trade-off 평가툴개발, WEF 연계효율개선및운영최적화기술개발, WEF 연계검증및실증기술개발 의 4가지세부과제를도출함 WEF 넥서스지식화인벤토리설계및개발, WEF Nexus Trade-off 평가툴개발, WEF 연계효율개선및운영최적화기술개발 세부과제는데이터베이스의구축, 평가 Tool, 효율개선기술로 3가지세부과제에서연구하는기술들은 4번째세부과제인 WEF 연계검증및실증기술개발 을통해구현될수있음 [ 그림 7.1] 단기적추진분야 4대세부과제 따라서, 동기획에서제시한단기적추진분야중실증을통해구현되는 WEF 연계운영검증및실증기술개발 세부과제를통해구현되는효과분석및기존유사사례를통해동기획사업을통한경제적효과를개략적으로제시함 단기적과제인 21C 形 WEF Nexus 플랫폼구축기술 의 4대세부과제는개별기술로서도경제적효과가기대되나, DB, 평가 Tool, 효율개선기술에대한정량적인경제적효과분석을위해서는구체적인적용대상및규모, 성능수준등이제시되어야함 1, 2, 3세부과제에서개발된기술이실증을통해구현되는과제는 4세부과제인 WEF 연계검증및실증기술개발 으로, 유사실증및적용사례에대한경제적효과분석을통해단기적과제에대한개략적인경제적효과를확인할수있음 - 181 -
이에따라 4세부과제의세세부과제인 한국형물, 에너지, 식량자립마을 (WEF3.0 Village) 구축을위한융합기술, WEF Nexus 기반인문사회과학적제도및정책개선 에대한유사사례의경제적효과를분석하고, 해당사례를토대로넥서스플랫폼이구축되었을경우경제적효과를분석함 플랫폼구축기술의경제적효과 가 넥서스기반수자원인프라운영최적화기술 넥서스기반수자원인프라운영최적화기술은댐통합관리를통한추가용수확보및건설비용절감, 식량및에너지생산에필요한용수절감및하폐수처리에소요되는전력사용량절감등의경제적효과를기대할수있음 수자원사용용도별맞춤형수원활용및연계체계구축 연구결과를댐관리에적용할경우추가용수확보및댐건설비용절감등의경제적효과를기대할수있음 식량, 에너지생산의공간적분포에따른물확보방안수립 연구를통해서는식량및에너지생산에필요한용수절감을통한경제적효과를기대할수있음 도시 ( 지역 ) 단위물-에너지순환 ( 이용 ) 과제자원 (Resource) 실시간감시및관리시스템개발 연구를통해서는하수처리장등에적용될경우하폐수처리에소요되는전력사용량절감을통한경제적효과를기대할수있음 수자원사용용도별맞춤형수원활용및연계체계구축기술의경우, 기건설되어운영중인수력발전댐과다목적댐의통합관리를통한수자원관리및효율성을증대시킬수있음 37) 국내에는 79개의댐이존재하며, 다목적댐, 양수발전댐, 상공용댐, 방조제, 관개용수댐, 하구둑, 수력발전댐, 농업전용댐, 홍수조절댐등다양한댐이존재함 한강수계에있는수력발전댐을다목적화해실시간통합연계운영하게되면약 2.4억m3의홍수조절용량및 5.4억 ~8.8억m3의용수공급능력을추가로확보가능함 - 이는최근건설중인영주댐 ( 저수용량 1.8억m3, 1조1,000억원 ) 을 3~4개정도추가로건설하는효과와동일함 따라서수자원의사용용도별연계체계구축기술이전국적인수자원활용에적용되면상당한분량의용수확보및경제적으로댐건설비용을절감을통한경제적효과가기대됨 37) 절실한다목적댐 관리일원화, 서울경제, 2016.04.03. - 182 -
[ 그림 7.2] 우리나라주요댐의분포 ( 한국대댐회 ) 에너지생산의공간적분포에따른물확보방안수립기술은농업용저수지에적용할경우용수절감효과등의경제적효과를기대할수있음 38) 기존농업용저수지관개지구의물이용에대한불확실성을줄이고수요 / 공급량의정량화를위하여경제적가치를고려한최적의수문계측망구축기술의경제성분석결과 20% 이상의용수절감효과가발생함 - 동기술을충청북도진천군내의무수저수지 ( 舊구암저수지 ) 와그관개지구인금곡간선, 회죽간선을대상지구에적용했을경우경제성평가를수행하였음 손실수량 ( 수로손실및관리손실등 ) 및회귀수량의절감을통하여용수절감효과를분석한결과, 연도별총공급량에대하여 2011년도에는 23.4%, 2012 년도에는 21.5%, 2013년도에는 23.3% 의용수절감율이산정됨 - 이에따라평균공급량 7백 44만톤중약 23% 인 1백 69만톤의용수절감효과가도출되었음 해당용수절감량을생활용수및공업용수로전환할경우발생하는경제적인가치를대체비용법으로산정한결과, 연평균용수절감량인 1백 69만톤을생활용수로전환할경우약 8억 4천 5백만원 / 년의경제적가치를가지고있으며, 공업용수로전환할경우약 17억 7천 5백만원 / 년의경제적가치를가지고있는것으로평가되었음 38) 농업용수정량화를위한경제적수위계측망설계, 김선주외, 2016-183 -
국내농업용저수지에동기술을적용할경우저수지관개지구의농업용수를 20% 가량절감하고추가수자원의확보가가능할경우높은용수절감효과 등의경제적파급효과를기대할수있음 [ 그림 7.3] Monitoring network construction 도시 ( 지역 ) 단위물-에너지-순환 ( 이용 ) 자원실시간감시및관리시스템기술을통해하수처리장의감시및에너지절감이가능함 39) 티에스케이워터는 2011년 11월부터 2013년 11월까지 2년여간환경부가추진중인 글로벌탑환경기술개발사업 을통해하 폐수고도처리기술개발사업단과함께총연구비용 13억 9천만원을지원받아개발을주도함 - 에너지절감시스템은하수처리장전력사용량의 60% 를사용하는송풍기와펌프의전력을절감하는기술로본시스템에서는 하수처리장전력모니터링시스템구축 송풍량산정 OUR 기기설치 송풍기제어프로그램개발 송풍기개발및테스트베드설치 펌프개발및테스트베드설치 송풍기제어프로그램테스트베드설치등이수행되었음 이시스템을 2011년 12월도양하수처리장에적용하였으며, 2013년평균전력사용량이 2011년평균전력사용량 (6만4천352kWh) 보다 17.6% 줄어든 5만 3천80kWh를기록했고 2013년전력요금은월평균 147만원, 연간 1천770만원절감효과를보였음 39) 워터저널, 2014.01.08.(http://www.waterjournal.co.kr/news/articleView.html?idxno=18854) - 184 -
하폐수처리비용부담이높은공업지역에넥서스플랫폼을적용한시스템을구축하여하폐수처리효율을높일경우환경적편익뿐아니라해당공장에도상당한크기의전력사용절감효과가있을것으로보임 국내하폐수처리전력사용량을일괄적으로 17.6% 절감한다면전력수요의큰감소효과가있을것으로예상됨 [ 그림 7.4] TSK- 에너지절감형기기 나 그리드기반 넥서스운영최적화기술 그리드기반 WEF 넥서스운영최적화기술은에너지절감효과, 온실가스저감효과및용수절감효과등의경제적효과를기대할수있음 W-E-F를연계한마이크로그리드단위의최적기술을상용화 연구결과가농업지역에적용될경우에너지비용절감, 온실가스배출저감, 농업용수절감등의경제적효과를기대할수있음 도심친환경열에너지의공급을위한 Water Heat Grid 시스템개발 연구를통해서는수열에너지냉난방시스템에적용될경우기존냉난방시스템대비에너지절감효과등의경제적효과를기대할수있음 W-E-F를연계한마이크로그리드단위의최적기술상용화기술을농업지역에적용할경우물-에너지의사용량절감의경제적효과가발생함 시설원예난방으로활용된화석에너지대신지열에너지로대체할경우상당한에너지사용량절감효과를기대할수있음 - 시설원예의총경영비중난방에지출되는비용은재배작물에따라약 19~58% 로난방에너지원의약 92% 가유류인화석에너지이며, 경유난방설 - 185 -
비만 100% 가동했을때보다지열을 90%~50% 로가동했을때의에너지사용료가 2/3가량절약되는것으로나타남 40) - 온실생애주기기간 (20년) 동안지열 (70% 부하부담 ) 냉 난방시스템을사용했을경우, 초기투자비를각각 5년 (1,050m2비닐온실 ), 7년 (2,376m2비닐온실 ), 4년 (4,140m2유리온실 ), 2년 (9,384m2유리온실 ) 차에회수하게됨 경운을행하지않고토양의지력을유지할경우상당한토양침식및관리비용을절감할수있음 - 무경운농법이란경운을통한토양의교란없이해마다작물을재배하는방법으로서미국내무경운재배와같은보존형경운재배의증가로토양침식약 10억톤감소및침전물관리비용이 35억달러절감됨 41) - 그외에미국기준에이커당 3.9갤런의연료가절감되어농기계관리비용이감소하며연간 15.6억톤 /892천ha의관개용수가절약됨 - 또한농약유출 70% 및용수유출 69% 감소등의효과가있고탄소배출이줄어들면서온실가스배출이감소하여환경적편익도상승하게됨 비담수화를통하여벼의관개를이행하면농업용수를절감할수있음 - 벼비담수화관개는논의농업 ( 관개 ) 용수절감및생산성향상을위한벼재배방법으로농업용수 10% 줄이면 12.7억톤확보가능함 - 만약모든논에 SRI방법을적용하여약 40% 의농업용수가절감된다면약 51억톤용수가확보됨 위사례로볼때 W-E-F를연계한마이크로그리드단위의최적기술이상용화된다면에너지비용절감, 온실가스저감, 용수절감등다양한경제적효과를기대할수있음 도심친환경열에너지의공급을위한 Water Heat Grid 시스템은냉난방에소요되는에너지비용을절감할수있음 수열에너지는하천수, 호수, 해수등에포함되어있는물의온도에너지를직접또는열펌프로회수하여건물의냉난방및급탕에이용하는시스템으로기존냉난방시스템에비해 20~40% 에너지절감효과가있음 - 현재선진국에서는바다, 강, 하천, 호수등의온도차를이용하는대규모신재생에너지의개술개발 보급이확대되고있으나, 국내는지하열의온도차를이용하는소규모형태가대부분인실정으로, 해당기술을개발하여냉난방에소요되는에너지를획기적으로절감가능할것임 40) 류연수등, 시설원예의지열냉 난방시스템경제성분석, 한국태양에너지학회논문집 Vol. 64 32, No. 6, 2012 41) The Conservation Technology Information Center, 2002-186 -
[ 그림 7.5] 수열에너지냉난방의원리 도심친환경열에너지의공급을위한 Water Heat Grid 시스템은위사례에서도볼수있듯이열에너지효율성극대화를통한경제적효과를기대할수있으며, 기존 Smart grid, Smart water grid와연계될경우에너지절감, 용수절감등의경제적파급효과를기대할수있음 다 넥서스기술검증 WEF 넥서스기술검증기술은자립섬구현을통한에너지절감효과, 온실가스저감효과및담수기술과의결합을통한경제적효과를기대할수있음 한국형물, 에너지, 식량자립섬 (WEF3.0 Island) 구축을위한융합기술 연구를통해서는에너지소비절감효과, 신재생에너지활용을통한온실가스저감효과등다양한경제적효과를기대할수있음 신재생에너지를활용한에너지자립형담수기술 연구를통해서는에너지절감효과및기존담수화기술력과의결합을통한해외시장선점을통한경제적효과를기대할수있음 넥서스인증제와인센티브방안연구 는직접적인경제적효과를산정하기는한계가있으나, 동기획에서다루고자하는모든기술의적용활성화에기여하므로타기술의경제적효과달성에기반이되는연구로서의의미가있음 - 187 -
한국형물, 에너지, 식량자립섬 (WEF3.0 Island) 구축을위한융합기술의경우최근구축되고있는자립섬과같이에너지절감효과뿐만아니라, 용수확보및식량생산에필요한자원절감효과등의경제적효과가발생할것으로예상됨 국내최대자립섬구축프로젝트인울릉도에서는자립섬구축이 2020년까지 2단계로추진될예정으로, 우선 1단계사업으로 2017년까지태양광, 풍력, 소수력발전설비및 ESS, EMS를활용하여울릉도전체전력의 30% 를신재생에너지로공급할예정임 42) - 울릉도신재생에너지 SPC설립을통한사업파급효과는 3.1조원, 계통운영편익으로 1.7조원 ( 정전회피비용, 발전설비투자회피, 경제급전, 신재생이용률향상 ) 이추정되며신재생발전구축효과가 1.4조원 ( 에너지소비절감, 생산유발, 고용 / 부가가치창출, CO2 절감 ) 발생할것으로기대되고있음 - 그외국내외도서지역확산효과가총 19.9조원이발생될것으로추정됨 - 울릉도자립섬사업은세계최초 ICT가결합된 Microgrid Global Track Record 달성을통해해외진출의기반이마련될것으로기대하고있음 [ 그림 7.6] 울릉도자립섬구축의경제적파급효과추정 제주가파도자립섬은하루약 3,000kWh 의전력을소비하는작은섬으로태양광과풍력의신재생에너지를활용하여에너지자립시스템을구축하고있음 43) - 가파도가정집에는독거노인이사는집을제외하고거의빠짐없이태양광모듈이설치되어 48가구에설치된 3kW급태양광발전설비와 30kW급 2개소를포함해태양광발전총용량은 174kW, 풍력발전기는 250kW급 2대가가동되어 500kW의전력을생산함 42) 한전, 세계최대규모친환경에너지자립섬조성시동, KEPCO 보도자료, 2015.09.11 43) 전자신문, 2016.07.12.(http://www.etnews.com/20160712000291) - 188 -
- 가파도의하루평균전력소비량은약 3,000kWh으로총발전량의약 84% 를풍력이담당하고, 나머지는태양광발전이담당함 - 주민들은가구당발전설비설치비용 800만원중 10% 정도를부담하여신재생에너지로섬에전기를공급하기전 12만원이넘었던전기요금이 2~2.3만수준으로절감되었음 - 또한가파도연간관광객수는 2011년 6,900명에서 2015년에는 9,400명으로 36% 증가하여경제적으로직접편익도발생함 [ 그림 7.7] 제주가파도자립섬개념도 전남가사도에서는디젤발전기를신재생에너지로대체하여연료비용을획기적으로절감하고있음 44) - 한국전력은가사도에 92억원을투자해풍력발전소 4곳과태양광발전소 8곳을설치하여풍력은최대 400kW, 태양광은 314kW의전기를생산하도록함 - 2014년 10월부터기존디젤발전으로생산하던전력의 81% 를풍력과태양광이대체되었으며, 기존에디젤발전기를사용했을때는발전연료비및유지보수비로 8억 6,000만원소요, 연간 7억원적자에서마이크로그리드구축이후엔발전연료비가절반이상줄어연간 3억 2,000만원가량을절감이가능함 에너지자립섬의구축은초기투자비용에대한빠른회수가실증되었을뿐아니라, 환경적인편익도고려할경우섬이많아전력수급에불안을겪는국내지형에매우적합한대안이될수있음 44) 이데일리, 2015.06.02.(http://www.etnews.com/20160712000291) - 189 -
[ 그림 7.8] 전남가사도자립섬개념도 신재생에너지를활용한에너지자립담수화기술은정삼투와역삼투를융합한플랜트기술과같이물생산에필요한에너지비용절감효과가발생함 45) - 1톤의물을생산하는데사용되는에너지는 3kWh 수준으로, 현재중심기술인역삼투공정에서의에너지절감기술은성숙기에들어가기존의방식으로는더이상의감소를기대하기어려운실정임 - 정 역삼투융합공정연구를통하여 1,000m3 /day 규모의실증파일럿플랜트를구축하였으며소요전력량을톤당 2.5 kwh/ m3으로저감할경우세계담수화플랜트시장을주도할수있는탈추격형정삼투-역삼투융합공정기술력을확보할수있을것으로기대됨 [ 그림 7.9] 정삼투 - 역삼투기본개념도 45) 기술선도형정삼투 - 역삼투융합플랜트기술개발, 손진식, 2016-190 -