Special Issue 02 지속가능개발 (Sustainable Development)과 식량확보 관점의 물-에너지-식량 넥서스의 개발 및 연구 동향 이 상 현 Visiting Scholar, Texas A & M University sanghyun@tamu.edu 최 진 용 서울대학교 교수 iamchoi@snu.ac.kr 1. 지속가능개발 목표 달성을 위한 물, 식 량, 에너지 안보의 중요성 현재 물, 식량 등의 자원 안보와 관련하여 지속가 능한 자원 관리를 위한 전 세계적인 협의가 이루어 지고 있으며, 물, 식량, 에너지 자원의 연계성을 해 석하고 통합적인 관리방안을 제시하기 위하여 넥서 스(Nexus) 개념이 제시되고 있다. World Economic Forum에서는 water security와 관련하여 기후, 인 구, 교역 등의 다양한 주제와 각 주제들을 통합적으 로 고려할 수 있는 새로운 의사결정지원 시스템으로 서 Water Food Energy Climate Nexus 를 제시하고 있다(WEF, 2011). 이에 따라 물, 식량, 에너지를 주요 요인으로 설정하고, 요인들 간의 상 호연관 및 관련 세부 요인들을 통합적으로 고려하는 넥서스 관련 연구가 선진국을 중심으로 전 세계적으 로 수행되고 있다 지속가능개발 목표는 2015년 9월 UN 총회에 서 지난 2000년에 발표되어 진행되어온 MDGs (Millenium Development Goals)를 평가하고 2030 목표로서 새롭게 제안한 것으로 SDGs (Sustainable Development Goals) 라도 지칭하며, 이를 진행 하기 위한 다양한 활동이 전개되고 있다. SDGs 에 는 총 17개의 목표가 포함되어 있는데, 이 중 2. Zero Hunger, 6. Clean Water and Sanitation, 7. Affordable and Clean Energy 는 물-에너지- 식량 넥서스와 직접적인 관련이 있으며, 이외에도 빈곤 (1. No Poverty), 책임있는 소비와 생산 (12. Responsible Consumption and Production), 그리 고 기후 실행 (13. Climate Action) 등 다른 SDGs 들도 직간접적으로 넥서스와 관련이 있다. 물-에너 지-식량 넥서스는 지구에서 가장 중요한 세 개의 핵 심 이슈인 물-에너지-식량의 상호관계를 해석하 여 물 확보, 에너지 확보, 식량 확보에 있어서 자원 의 효율적인 이용을 달성하고 궁극적으로는 지역- 유역-글로벌의 다양한 공간에서의 지속가능한 발전 을 이룩하자는 데서 출발하였다. SDGs의 각 목표의 달성은 기후변화의 실행이 물과 에너지, 식량 확보 에 영향을 주는 것을 보듯이 각 목표의 효율적인 실 행은 이와 같은 상호 관계를 해석해서 자원을 절약 32 물과 미래
지속가능개발 (Sustainable Development)과 식량확보 관점의 물-에너지-식량 넥서스의 개발 및 연구 동향 Special Issue 하고 효율을 높여 목표를 달성할 수 있는 도구가 필 요한데, 이것이 넥서스가 대안으로서 논의되는 이유 이다. 넥서스 개념을 자원 관리부분에 적용하기 위 하여 물 식량 에너지 자원 간의 연계해석 방 법 및 넥서스 플랫폼 구축 등에 대한 연구가 전 세 계적으로 진행 중에 있다. UN의 World Water Development Report (UN, 2014)에서는 농업분야 를 중심으로 식량수요가 물과 에너지에 미치는 영 향을 분석하고, 에너지 생산을 위해 사용되는 물과 식량 안보와의 관계를 분석하는 연구를 수행한 바 있다. International Renewable Energy Agency (IRENA)에서는 신재생에너지의 사용이 물과 식량 안보에 미치는 영향을 넥서스 개념을 적용하여 분 석한 바 있고(IRENA, 2015), FAO에서는 물-식 량-에너지-기후 넥서스 관련 요소들을 정립 및 정 량화하고, 요소 간의 연계성 분석과 정책적 대응 방 안을 순차적으로 제시할 필요가 있음을 제시하였다 (FAO, 2014). 넥서스 플랫폼 개발에 관한 연구로서 Howells et al. (2013)은 물, 식량, 에너지 문제에 초점을 맞추어 수문 모델과, 토지이용 모델, 에너지 모델을 통합할 수 있는 CLEW(기후, 토양, 에너지, 물) 모형을 개발하였고, Mohtar and Daher (2014) 는 물, 식량, 에너지 요소간의 상쇄작용(trade-off) 를 고려한 웹기반 WEF-Nexus 시스템을 개발하여 배포하고 있으며, 요인별 다양한 시나리오의 적용이 가능하도록 플랫폼을 설계하였다. 그러나 아직까지 우리나라에서는 물-에너지-식 량 넥서스 관련 연구는 개념적인 부분에 집중되어 있고, 요인들 간의 상호 연관성을 해석하는 기술적 인 부분은 부족한 실정이다. 자원들 간의 상호 연 계 관리의 필요성은 국내외에서 이미 충분히 제시되 어 있기 때문에 연계성을 해석할 수 있는 기술 개발 이 시급하다. 특히, 대부분의 국외 넥서스 모형에서 는 에너지의 측면이 강조되고 있으나 우리나라의 경 우 식량과 수자원, 그리고 기후영향에 보다 집중된 넥서스 시스템이 필요할 것으로 판단된다. 또한 넥 서스 시스템의 활용을 위해서는 미래 정책 의사결정 분야와 접목될 필요가 있으며, 이를 위하여 다양한 물, 식량, 에너지 자원 관리 시나리오를 적용할 수 있고, 자원간의 상쇄작용(trade-off)의 분석을 통하 여 자원관리의 지속가능성을 평가할 수 있는 한국형 그림 1. 2015 9월 UN에서 제시된 17개의 지속가능개발 목표 (Sustainable Development Goals: SDGs) Vol. 48 No 11. 2015. 11 33
Special Issue 물, 식량, 에너지 Nexus 물-에너지-식량 넥서스 시스템의 개발이 필요할 때 이다. 2. 시나리오 기반의 물-에너지-식량 넥서 스를 통한 지속가능한 자원관리 ( portfolio, trade-offs, sustainability index) 물-에너지-식량 넥서스(Water-Food-Energy Nexus)는 요소들 간의 연관성을 고려하여 요소별 변 화에 따른 요소간의 상호연계 해석(trade-offs) 분 석을 주요 기능으로 제시하고 있다. 넥서스를 통하 여 물-에너지-식량 통합 관리를 수행할 경우 먼저 다양한 물, 식량, 에너지 수요 시나리오가 적용되고, 다음으로 개별 시나리오에 따른 타 요소들과 상쇄작 용 분석을 통하여 물, 식량, 에너지의 지속 가능성 등 을 평가할 수 있다. 예를 들어 인구 증가에 의해 식량 수요가 증가하는 시나리오를 넥서스에 적용할 경우 단순히 식량 생산 필요량의 분석 뿐 아니라 식량 생 산을 위해 소비되는 수자원과 에너지 자원의 이용량 을 동시에 분석할 수 있다. 또한 식량 생산을 위한 요 소별 자원 이용량 증가에 따른 타 요소의 이용 제한 이 발생할 수 있으며 이를 종합적으로 고려하여 자원 별 지속가능성 및 안보 등을 평가할 수 있다. 물-에너지-식량 넥서스를 통한 지속가능한 자원 관리 연구의 흐름은 크게 3개의 파트로 구분할 수 있다. 먼저 다양한 기초자료의 수집 및 조사를 바탕 으로 1) 자원별 정량화를 통한 넥서스 포트폴리오 (portfolio)를 구축하고, 2) 시스템다이내믹스를 활용 하여 정량화된 자원간의 상호연계 해석(trade-offs) 을 수행하고, 3) 최종적으로 사용자 기반의 자원관리 시나리오, 기후 및 인구 등의 외부요인의 영향을 동 시에 적용할 수 있는 물-에너지-식량 넥서스 기반 의 자원관리 의사결정지원 시스템을 개발한다. 그림 2. 물-에너지-식량 넥서스 개념 모식도 (WEF, 2011) 34 물과 미래
지속가능개발 (Sustainable Development)과 식량확보 관점의 물-에너지-식량 넥서스의 개발 및 연구 동향 Special Issue 2.1 물-에너지-식량 넥서스 자원의 정량화를 통 한 포트폴리오 구축 (Resource Portfolio) 물-에너지-식량 넥서스 구축을 위해서 먼저 넥 서스 자원별 사용량에 대한 정량적인 분석이 필요하 다. 즉, 식량 생산을 위한 관련 요인들의 인벤토리 를 작성하고, 관련 자원들(수자원 또는 에너지 자원) 의 단위 사용량을 정량적으로 제시할 수 있는 food, water, energy portfolio를 구축할 필요가 있다. 물-식량 간의 관계의 경우 물발자국 개념의 적용이 가능할 것으로 판단되며, 물-에너지의 경우 수력발 전량과 물 사용량과의 정량적 관계, 식량-에너지의 경우 농업시설 이용과 에너지 사용량의 정량적 관계 등이 자원별 포트폴리오(portfolio)에 적용될 수 있 다. 그림 3은 물, 에너지, 식량 자원별 사용량과 자 원들 간의 이동을 나타낸 그림이다. 그림 3. 넥서스 자원별 정량화 예시 (Daher and Mohtar, 2015) 2.2 물-에너지-식량 넥서스 상호연계 해석 물-에너지-식량 넥서스의 개별 자원의 사용이 타 자원에 미치는 영향 및 기후, 인구 등의 외부요 인들의 변화가 전체 시스템에 미치는 영향을 파악 하기 위해서는 자원들 간의 상쇄작용의 분석이 필 요하다. 이를 위해서 요인들의 상호작용 연구에 주 로 활용되는 시스템다이내믹스 개념을 고려할 수 있다. 시스템다이내믹스를 이용할 경우 복잡한 요 인들의 단일방향의 연계성 뿐 아니라 피드백을 통 한 쌍방향의 연계까지 분석할 수 있다. 즉, 물, 식 량, 에너지, 기후와 관련된 다양한 요인들의 복잡한 연결을 시각화하고, 개별 요인들의 변화가 전체 시 스템에 미치는 영향을 평가할 수 있다. 또한 시스템 다이내믹스 모형은 개별 요소들의 임계치 및 변동 성을 설정할 수 있으며, 자원들의 관계를 수식으로 표현하여 적용할 수 있다 (그림 4). Vol. 48 No 11. 2015. 11 35
Special Issue 물, 식량, 에너지 Nexus 그림 4. 시스템다이내믹스를 이용한 상호 연계해석 모듈 구축 모식도 (http://vensim.co.kr) 2.3 농촌자원과 식량확보 (Food Security) 분야 에서 물-에너지-식량 자원 정책의 지속가능 성 평가 (Sustainability index) 넥서스 연계해석 플랫폼의 최종단계는 다양한 자 원 관리 시나리오를 적용하여 자원별 지속가능성을 평가, 비교하는 것이다. 넥서스 시스템을 적용할 경 우 식량 및 에너지, 수자원 관리 정책이 개별 자원 사용량 뿐 아니라, 탄소 배출, 경제적 효과 등에 미 칠 수 있는 영향을 정량적으로 제시하고, 이를 종합 하여 각 자원 관리 시나리오별 지속가능성 지수를 산출, 비교할 수 있다(그림 5). 또한 식량 및 수자원 정책은 내 외부 요인들에 의해 다양하게 수립될 수 있다. 따라서 넥서스 연계해석 기반의 자원관리 의 사결정지원 시스템은 기후 및 인구변화 등의 외부요 인을 고려한 다양한 식량, 수자원, 에너지 정책 시 나리오를 적용할 수 있으므로 정책 결정자들이 해당 자원 뿐 아니라 타 자원들의 변화를 고려한 종합적 인 자원관리 정책을 수립할 때 이용될 수 있다. 특히, 미래 기후변화는 가뭄 뿐 아니라 식량 생산 그림 5. 물-에너지-식량 넥서스를 통한 지속가능성 평가 (Mohtar and Daher, 2014) 36 물과 미래
지속가능개발 (Sustainable Development)과 식량확보 관점의 물-에너지-식량 넥서스의 개발 및 연구 동향 Special Issue 에도 영향을 미칠 수 있으며, 인구변화는 식량 소비, 에너지 수급에도 영향을 미칠 수 있다. 특히, 기후변 화에 따라 수자원의 이용 가능량의 변동성이 증가하 게 되고, 인구 증가로 인하여 식량 및 에너지 소비가 증가할 경우 추가적인 수자원의 이용이 필요할 수 있다. 이와 같이 식량과 물 안보는 상당한 연관성을 지니고 있고, 자원 안보를 위한 에너지의 필요성 역 시 증가하게 된다. 따라서 기후변화 대응형 자원관 리를 위해서는 물-에너지-식량 넥서스를 통한 자 원 간 연계해석이 필요하며, 넥서스 시스템을 자원 관리에 활용할 경우 자원별 변동 요인에 따른 지속 가능한 자원 관리 의사결정 지원이 가능해 질 수 있 다. 이와 같은 넥서스 이용의 장점을 고려하여 넥서 스 기반의 농촌자원관리와 기존의 농촌자원관리의 차이점을 표 2에 나타내었다. 표 1. 농촌자원관리에 있어서 기존의 물-에너지-식량 자원 관리 시스템과 넥서스 시스템 적용의 차이 비교 구 분 기존의 자원관리 넥서스 시스템 기반의 자원 관리 수자원 수요/공급 식량 수급 변화 에너지 수급 변화 기후 요소 적용 자원간 연계 단위면적 당 필요수량 산정 작물별 재배면적 활용 용수공급원 중심의 평가 (저수지, 지표수, 지하수) 작물 재배면적을 통한 총 수요량 산정 산업중심 에너지 수요 위주의 관리 정책 빈도별 가뭄에 따른 수자원 수요 및 공급량 분석 기후변화에 따른 식량 생산기능 저하 분석 개별 자원 단위의 분석 가뭄-수자원 가뭄-생산량 식량 수요변화에 따른 수자원 사용량 - 식량 소비 패턴 및 식량 자급률 적용 - 물발자국을 통한 수자원 사용 평가 작물 이용 중심의 공급량 평가 토양수분 이용 가능 평가 (Green water) 추가 관개용수 공급 평가 (Blue water) Green water와 Blue water 연계해석 식량 소비패턴에 따른 식량소비량 적용 식량 자급율 변화에 따른 Green/Blue water 필요량 산정 농촌자원관리를 위한 에너지 정량적인 사용량 관계 적용 자원관리 정책을 위한 에너지 필요량 고려 가능 수자원 공급과 수력발전의 유기적 연계 기후변화 적응을 위한 자원별의 기후변화 영향의 연계 가능 기후변화에 따른 수자원의 효율적 분배 분석 가능 시스템다이내믹스를 이용한 물-식량- 에너지 및 기후영향의 동시 적용 및 상호 피드백, 제한요소 기능 적용 3. 텍사스의 물-에너지-식량 넥서스 연구 동향 (Nexus initiative, Texas A&M) 텍사스 수자원 개발 기관(Texas Water Development Board: TWDB)은 미래 인구증가에 따라 수자원 수요량이 증가하는 반면 기후변화 등 에 따라 수자원 이용가능량은 감소할 것으로 예상 하고 있다. 이에 따라 텍사스 지역의 수자원 부족현 상이 발생하게 되고, 2060년에는 약 82억 톤의 수 자원이 부족할 것으로 전망하고 있다(그림 6). 특히 Vol. 48 No 11. 2015. 11 37
Special Issue 물, 식량, 에너지 Nexus 수자원 이용의 40% 이상이 농업부분에 사용될 것으 로 예측하였다(그림 6). 또한 현재 Shall 가스 추출 에 따른 지하수의 사용이 급증하고 있으므로 수자원 부족현상이 가속화 될 것으로 예상되고 있다. 그림 7에서 볼 수 있듯이 텍사스의 대표적인 농 업지역인 Lubbock, 대도시 지역인 San Antonio, Shall 가스 채취지역인 남부 텍사스 지역에서 모두 심각한 지하수위 저하가 나타나고 있다. 지하수는 농업 및 에너지 분야에도 이용되고 있고, 따라서 수 자원의 관리는 식량 및 에너지 안보에도 영향을 미 칠 수 있으므로 넥서스를 기반으로 한 텍사스 지역 의 자원관리가 필요하다. 그림 6. 미래 텍사스 지역의 수자원 수요, 공급에 따른 수자원 부족량 및 용도별 수자원 이용량 그림 7. Lubbock, San Antonio, South Texas의 주요 용수 이용 및 지하수위 변화 38 물과 미래
지속가능개발 (Sustainable Development)과 식량확보 관점의 물-에너지-식량 넥서스의 개발 및 연구 동향 텍사스 A&M 대학교에서는 Rabi H. Mohtar 교 물, 식량, 에너지 자원 및 연관 제품들의 Life-cycle 수를 필두로 물-에너지-식량 넥서스 기관 (Texas footprint를 이해하고, 과학적 이해를 근거로 최적 A&M University Water-Energy-Food Nexus 화된 자원관리를 위한 효율적인 정책 의사결정 지원 Initiative)을 지난 10월에 설립하였고, 넥서스를 이 을 제공하고자 한다. 따라서 본 연구기관은 농업 및 용한 텍사스 지역의 수자원 부족 현상 극복 및 안 에너지 분야의 연구기관 뿐 아니라 정책관련 연구기 정적인 자원 안보를 확보하기 위한 지속가능한 자 관과도 파트너쉽을 유지하고 있다(그림 8). 원 관리 방안을 모색 중에 있다. 또한 본 연구기관은 그림 8. Texas A&M University Nexus initiative TIGER team 그림 9. 텍사스 지역의 물-에너지-식량 넥서스를 이용한 수자원 관리 방안 평가 Vol. 48 No 11. 2015. 11 39 Special Issue
Special Issue 물, 식량, 에너지 Nexus Nexus Initiative는 텍사스 지역의 미래 수자원 부족현상을 극복하기 위한 다양한 수자원 관리 정책 을 고려하고 있고, 개별 관리 정책이 식량 및 에너지 안보에 미치는 영향을 동시에 고려한 지속가능한 관 리 방안을 도출하고자 한다. 이에 따라 텍사스 지역 의 수자원 이용과 식량 생산, 에너지 수급을 고려한 넥서스 시스템을 구축하고, 다양한 수자원 이용 시 나리오를 적용하여, 개별 시나리오의 지속가능성을 평가하고자 한다(그림 9). 샌안토니오 인근 농업지역의 용수공급을 위하여 대도시의 재이용수를 이용하거나 빗물 저류장치를 이용할 경우 기존 수자원을 절약할 수 있지만 재이 용수 및 저류된 빗물의 공급을 위한 송수 시설이 필 요하며, 송수를 위한 에너지 사용 역시 수반된다. 이 에 따라 물-에너지-식량 넥서스 시스템은 수자원 절약, 용수시설 비용, 용수 공급을 위한 에너지 이 용, 탄소 배출 등을 복합적으로 고려하여 자원관리 시나리오의 지속가능성을 평가하고, 합리적이고 효 율적인 자원관리 정책을 제시하고자 한다. 텍사스 남부의 Eagle ford는 미국의 대표적인 에 너지 (Shall gas) 추출지역으로서 수자원과 에너지 자원을 연계한 자원관리 정책이 필요하다. 따라서 물-에너지 넥서스를 통하여 가스 추출을 위한 수자 원의 이용량을 정량화하고, 에너지 수급 안보와 수 자원 안보의 상쇄작용 분석을 통하여 지속가능한 에 너지 및 수자원 관리를 제시하고자 한다. 5. 결론 본 소고에서는 물-에너지-식량 넥서스 개념 도 입의 필요성과 SDGs 해석 도구로서 중요성을 제시 하였다. 또한 넥서스 해석을 위하여 시나리오를 기 반으로 한 물-에너지-식량 넥서스 자원의 정량화 를 통한 포트폴리오 구축 (Resource Portfolio), 물-에너지-식량 넥서스 상호연계 해석 (Tradeoffs) 그리고 물-에너지-식량 자원 정책의 지속가 능성 평가 (Sustainability index) 에 대하여 설명 하였다. 이를 통하여 농촌자원과 식량확보 관점에서 시스템 다이내믹스 기법 도입과 물발자국 해석 기법 에 대하여 언급하였다. 물-에너지-식량 상호 연계 시스템은 서로 깊게 연관되어 있고 이슈간 연결 관계도 매우 복잡하다. 이는 기후적 요인 뿐 만 아니라, 사회경제적 요인, 인 구, 관련 기술 등이 지속가능하고 평등한 자원 배분 에 영향을 주고 이의 상호 관계를 시스템적으로 해석 을 해야 하기 때문이다. 물-에너지-식량 넥서스는 지속가능한 자원 관리를 위한 하나의 해결책을 제시 하기 보다는 다양한 자원 관리 시나리오의 적용에 따 른 자원별 영향을 전체적인 시각으로 살펴볼 수 있는 도구이다. 즉, 넥서스는 모든 지역에 동일하게 적용 되는 단 하나의 도구가 아니라 물, 에너지, 식량자원 과 관련된 다양한 요인들의 상호작용을 한눈에 들여 다 볼 수 있는 렌즈 역할을 한다. 이에 본 소고에서는 넥서스 개념의 현실 적용 예로서 현재 Texas A & M 에서 진행되고 있는 연구를 소개하였다. 현재 넥서스 연구를 위한 최적의 해석기법은 제시 되지 않았으나 다양한 시도가 이루어지고 있다. 결 국 넥서스 개념의 적용은 큰 틀로서 1. 인벤토리 작 성 (본 소고에서는 포트폴리오로 설명됨)과 2. 시스 템 다이나믹스 해석 기법에 의한 상호 연관 및 상쇄 해석, 그리고 3. 평가 도구로서 지속가능성 지표 제 시로 진행될 것이다. 인류 생존에 물과 식량은 매우 중요하며, 서로 깊 은 관련성이 있다. 물-에너지-식량 넥서스 측면에 서 농촌자원은 지속가능하게 확보, 유지, 그리고 관 리 되어야 한다. 지속가능한 자원관리를 위한 넥서 스의 연구가 중요한 이유이다. 40 물과 미래
지속가능개발 (Sustainable Development)과 식량확보 관점의 물-에너지-식량 넥서스의 개발 및 연구 동향 Special Issue 참고문헌 1. Daher, B. and Mohtar, R.H., 2015. Water-energy-food (WEF) Nexus Tool 2.0: guiding integrative resource planning and decision-making, Water International, DOI:10.1080/ 02508060.2015.1074148 2. Dai, A., 2013. Increasing drought under global warming in observations and models, Nature Climate Change, Vol. 3: 52-58. 3. FAO, 2014. Walking the Nexus Talk: Assessing the Water-Energy-Food Nexus in the Context of the Sustainable Energy for All Initiative 4. Howells, M., Hermann, S., Welsch1, M., Bazilian, M., Segerstrom1 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 Climate Change, Vol. 3: 621-626. 5. International Renewable Energy Agency(IRENA), 2015. Renewable Energy in the Water, Energy & Food Nexus. 6. Mohtar, R. and Daher, B., 2012. Water, energy, and food: The ultimate nexus. In Heldman, D.R. and Moraru, C.I.(Eds), Encyclopedia of agricultural, food, and biological engineering. CRC Press, Taylor and Francis Group 7. 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. 8. OECD-FAO, 2012. OECD FAO Agricultural Outlook 2013-2022, OECD, Paris. 9. World Economic Forum(WEF), 2014. Global Risks 2014 Report. 10. World Economic Forum(WEF), 2011. Water security: The water-energy-foodclimate nexus: The world economic forum water initiative ed. by D. Waughray. Washington, DC: Island Press. Vol. 48 No 11. 2015. 11 41