Water-Energy-Food Nexus 기술이란? 1. 서론 정기문 경희대학교사회기반시스템공학과석 박사통합과정 gimoon1118@gmail.com Albert Wicaksono 경희대학교사회기반시스템공학과박사과정 albert.wcso@gmail.com 강두선 경희대학교사회기반시스템공학과교수 doosunkang@gmail.com 전세계적으로현재, 약 11 억에달하는인구가 물부족에시달리고, 13 억의인구가현대에너지 의혜택을받지못하고있으며, 10 억에달하는인 구는여전히굶주림에고통받고있다. 그러나, 세 계인구는여전히증가추세를유지하고있으며이 는전지구적인물 (Water), 에너지 (Energy), 식량 (Food) 자원의부족현상을가중시킨다. 또한, 부 존자원의고갈과기후변화로인한가용수자원의감소현상이나타나면서자원의효율적인관리및활용에대한관심이점차높아지게되었다. 지금까지는통상물, 에너지, 식량을별개의자원으로관리하고사용해왔으나, 최근들어세자원간의상호연계성이부각되고있다. 즉, 어느한자원의수요 / 공급량의변화가나머지자원에미치는영향을분석하여세가지자원을통합, 관리할수있는물-에너지-식량연계해석 (Water-Energy-Food Nexus, 이하 W-E-F Nexus) 기법에대한필요성이제기되었다. Bonn Conference(2011) 를기점으로, 세계각국의연구기관에서는 W-E-F Nexus 기술에대한개념을정립하고, 각자원간의데이터베이스를연계 통합하여관리하려는움직임을보이고있으며, 일부 W-E-F Nexus 기술을선도하는국가및기관에서는 W-E-F Nexus Model & Tool을개발하여도입하는과정을거치고있다. 모형을이용하여인구증가, 기후변화, 자원고갈등의시나리오를대상으로물, 에너지, 식량자원의수요및공급이어떻게변화될것인지를예측하고, 정책또는대체기술도입을통해발생가능한자원부족현상을대응하고완화시킬수있는의사결정시스템을개발하는것이 W-E-F Nexus 기술개발의목적이라고할수있다. Vol. 48 No 4. 2015. 4 45
2. W-E-F Nexus 기술의정의와필요성 2.1 W-E-F Nexus 기술의정의연계 (Nexus) 라는용어의사전적의미는 상호유대, 연계혹은관계 를의미한다. 따라서, W-E-F Nexus 기술이란, 인류가필요로하는여러가지자원중, 물 (Water), 에너지 (Energy), 식량 (Food) 자원의연계성을파악하고, 자원을효율적으로이용하기위한통합관리기술을의미한다. 예를들어, 물과에너지자원간의연계를설명하자면, 에너지를생산하기위하여냉각수, 플랜트설비운용등의목적으로물자원이소모되며, 반대로용수를처리하고수요지로공급하기위해서는에너지가소모된다. 한편, 식량을재배, 생산, 공급하기위해서는물과에너지자원이소모되고, 반대로작물을이용해서에너지를생산 ( 바이오연료등 ) 하는경우도존재한다. 이렇게각각의자원을생산, 공급함에있어서다른자원들이밀접하게연관되어있음을알수있다. 따라서, 실제로각각의자원을생산, 공급하기까지소모되는타자원의현황을정량화하여파악할수있다면, 세가지자원의생산, 공급, 소비를한눈에분석하여효율적인관리가가능할것이다. 이러한해석결과를통해국가별, 지역별정책시나리오, 그리고더나아가서전지구적인자원의이용및분배전략을결정하기위한기초자료로활용하여각각의자원을효율적으로관리할수있도록한다. 2.2 W-E-F Nexus 기술의필요성최근들어, 급격한도시화, 산업화및인구증가에따라자원의사용량이증가하면서자원부족에대한우려의목소리가높아지고있다. 이에따라, Stanford Woods Institute for the Environment, Bill Lane Center for the American West, Water Resources Research Center of the University of Arizona 등일부국가및연구기관에서는세자원의연계해석을통한통합관리기술을개발하려는움직임이나타나고있다. 이러한통합연계해석기술개발의배경으로는최근대두되고있는인구증가, 자원고갈, 도시화, 기후변화등의전지구적문제가대표적이라고할수있다. 아래에서는이들각각의문제점과 W-E-F Nexus를통한이들문제점의해결가능성에대해서술하였다. 1) 인구증가세계인구는지속적으로증가하고있으나사용가능한자원은한정되어있어, 수요자의부담이가중되고있다. US Dept. of Energy는 1980년부터 2010년에걸쳐, 세계인구가 45억명에서 68 억명가까이증가했으며, 이와함께 1980년대비전기에너지사용량은약 2.6배, 원유사용량은약 1.4배, 석탄연료사용량은약 2배증가하였다고보고하였다. 이러한에너지자원뿐만아니라같은기간물사용량역시약 1.4배가량증가한것으로조사되었고, 인구증가추세가지속됨에따라상대적인자원부족량역시계속해서증가할전망이므로, 자원의낭비를막고, 이용효율을증대시키기위한방안이필요하다. 2) 도시화인구의증가뿐만아니라대부분의인구가도시지역에주거하기시작한것역시자원사용량변화에큰영향을미친다. 과거에는자원의생산과소비가비교적근거리에서이루어졌다면, 현재는자원의생산지와수요지가점차명확히구분되어지면서, 운반과공급에소모되는자원의사용량이증가하였다. 또한, 도시인구의생활수준이향상되면서동일인구대비물, 에너지, 식량자원의사용량역시증가하게되었다. FAO(Food and Agriculture Organization of the United Nations) 는인구증가와함께도시지역에거주하 46 물과미래
Water-Energy-Food Nexus 기술이란? 는인구의비율이점차증가해왔으며, 도시화현상이앞으로도지속될것으로분석했다. 이러한도시화현상은각자원의단순이용량증가뿐만아니라각자원을이용하기위해다른자원을간접적으로소비하는간접이용량의증가를야기하기때문에자원통합관리기술의필요성을대변하는사회적현상이라고할수있다. 3) 자원고갈현대인류가주에너지자원으로사용하는화석연료는그매장량이한정되어있기때문에이미오래전부터이러한자원고갈에대비해야한다는주장이제기되어왔다. 또한, 전세계적으로다양 한지역에서기후적, 경제적, 환경적인요인으로인해물부족현상이발생하고있다. UN 및여러환경단체에서경고하듯이, 확장되어가는물부족지역과이용가능한수자원량의감소또한에너지자원고갈과함께주요자원에대한체계적인관리의필요성을역설하는요인으로볼수있다. 에너지자원의고갈및물부족현상은인구증가와더불어세계식량부족현상을야기하고있다. [ 그림 1] 은비교적인구밀도가높은아시아, 아프리카, 남아메리카대륙에서이미식량부족현상이심각하게발생하고있음을나타내며, 이러한기근발생지역이물부족지역과밀접한연관성이있음을알수있다. 그림 1. 세계물부족및기아현황 (UN, 2011-2012) 4) 기후변화현대화에따른이산화탄소발생량의급격한증가로인해기후변화가뚜렷하게발생하고있다. 세계기후변화시나리오 (COP15, COPENHAGEN) 에의하면, 지구온난화로인한이상고온현상이지속적으로나타나고있으며, 극한홍수및가뭄, 사막화등의재난발생빈도가전세계적으로증가하고있는것으로조사되었다. 또한, 이상기후보고서 ( 국토교통부, 환경부, 기상청, 국립환경과학원등, 2014) 에의하면국내의경우장마시기가늦춰지고, 증가추세를보이던연강수량이급격히평년에못미치는강수량을기록하는등의뚜렷한이상기후가발생했다고분석했 다. 즉, 강우량, 강우강도, 빈도, 지속기간등현재수문량산정의주요지표로활용되고있는다양한요인들이변화하고있으며, 극단적인기후현상이더잦은빈도로발생하게되면서수자원의확보및효율적인활용이더욱어려워지게되었다. 기후변화에의한가용수자원의감소는각자원간의상호관계에의해에너지및식량부족문제를초래한다. 위에서살펴본네가지요인은수많은문제점중에서특히파급효과가클것으로예상되는대표적인것들을언급한것으로, 결과적으로이들요인들로인해물, 에너지, 식량자원이부족해질것이라는예측으로수렴한다. 따라서, W-E-F 연계 Vol. 48 No 4. 2015. 4 47
해석을통해자원의통합관리시스템을구축하여다양한자원부족시나리오에대비할필요가있다. 3. W-E-F 자원간의연계성 3.1 자원연계성의구체화 W-E-F 자원간의연계성을구체적으로구분한다면, 식량자원과에너지자원의생산및처리를위한물자원, 물자원과식량자원의생산및공급을위한에너지자원, 그리고에너지생산을 위한식량자원등 6가지방향의 Activity로구분할수있다 ([ 그림 2] 참조 ). 앞서언급한 Pumping Energy의경우물자원의공급을위한에너지자원의사용으로볼수있으며, 식량을생산하거나운반하기위해소모되는에너지사용량을식량자원을위한에너지자원의사용으로볼수있다. 실제로, 단위물자원을생산, 공급하기위해소모되는에너지자원의양을뜻하는 Energy Intensity (Unit : kwh/ton), 반대로단위에너지자원을생산하기위해소모되는물자원을뜻하는 Water Intensity (Unit : ton/kwh) 등의지표가이러한자원간의상호연관성을정량적으로나타낸다. 그림 2. 국내 외자원간상호연관성 ( 출처 : 에너지경제연구원, 2014) 3.2 각자원의수요와공급형태분류 W-E-F Nexus에서, 자원의연계성은크게수요 ( 사용 ) 와공급 ( 확보 ) 의두가지형태로구분할수있으며, 더나아가자원의수요는직접적인수요와간접적인수요로구분할수있다. 물, 에너지, 식량자원을이용자가직접적으로소비하였거나, Bio- Energy처럼타자원의양적확보에사용된경우를자원의직접수요로분류하였고, 물자원을수요지까지공급하기위해전기에너지를소모하거나, 생산지의식량을수요지까지수송하기위해연료를소모하는것과같이타자원의이용에필수적이지만양적확보에는영향을주지않는경우를간접 수요로분류하였다. [ 그림 3] 은 W-E-F 자원의확 보와직 간접수요로분류되는형태중의일부를 세분화하여나타내고있다. 여기서파란색의수요 영향선중점선은간접적인수요를의미하고, 실선 은직접적인수요를의미한다. 4. 시나리오적용에따른 W-E-F 자원의지속가능성예측 W-E-F Nexus 기술의필요성에서언급되었던 4 가지주요문제점은곧 W-E-F 자원의지속가 능성을검토하기위한시나리오로활용할수있으 48 물과미래
Water-Energy-Food Nexus 기술이란? 그림 3. 자원의다양한수요와공급형태 그림 4. 시나리오에따른자원의공급, 수요영향및지속가능성판단 Vol. 48 No 4. 2015. 4 49
며, 각시나리오별로자원의확보와사용중어떤형태에지배적인영향을미치는지간단히분류할수있다. 예를들어, 인구증가, 도시화로인한자원의지속가능성저하문제는 W-E-F 자원의사용량을증대시키는시나리오이므로곧자원의사용에영향을미치는배경으로볼수있다. 반대로, 자원고갈로인한자원의지속가능성저하문제는 W-E-F 자원의확보가능량을감소시키는시나리오상황이므로자원의확보에영향을미치는배경이다. 마지막으로, 기후변화는다양한환경적인영향으로자원의확보에영향을미칠수도있고, 인간의생활패턴을변화시킬수있기때문에자원의사용에영향을미칠수도있으므로자원의지속가능성예측에있어서, 특히주목해야할시나리오이다. [ 그림 4] 는앞서언급한자원별수요와공급형태를각자원의수요와공급에대해할당하여자원사용의지속가능성을판단하는과정을간단히표현한모식도이다. 자원의공급과수요활동에유효한시나리오별로자원의공급량과수요량을정량화한후, 이를비교하여해당자원의공급량이수요량보다큰경우자원의지속가능성이안정적이라고판단하고, 해당자원의수요량이공급량보다큰경우자원의지속가능성이불안정적인것으로판단할수있다. 구가진행되고있다. 오늘날, W-E-F Nexus 기술의발전방향으로고려되고있는기능적인요소는다음과같다. W-E-F 연계해석을통한평가대상지역내부의자원이용효율평가 자원생산-분배계획의최적화를통한자원이용효율극대화 시나리오기반시뮬레이션을통한자원수급상황변동에따른사회-경제적영향평가 주요정책결정을위한기초자료제공및의사결정지원시스템개발최근두드러진연구성과에도불구하고, W-E-F Nexus 기술은아직걸음마단계로써향후연구가진행됨에따라적용범위는더욱넓어질것으로기대한다. 우리나라는자연자원이부족하고국토면적이작아자원의해외의존도가높다. 그에반해인구밀도는높고, 고령화및도시화가빠르게진행되고있어자원의생산은줄고, 소비는늘어나는자원부족현상이심화될것으로우려된다. 따라서, 물-에너지-식량자원의통합적연계해석을통한국가차원의효율적자원안보확보및자원분야신규시장발굴을위해 W-E-F Nexus 관련기술개발을서둘러야할것이다. 5. 결론 W-E-F Nexus 기술은기후변화, 인구증가, 자원고갈, 도시화등으로인해발생하는물, 에너지, 식량자원의부족문제를해결할수있는방안의하나로써, 여러국가및연구기관에서다양한연 감사의글 본연구는국토교통부물관리사업의연구비지원 (14AWMP-B082564-01) 에의해수행되었습니다. 50 물과미래
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