1. 서 론

지구온난화에 따른 기후변화에 적극적으로 대처하기 위하여 1992년 6월 기후변화협약(United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC)이 채택되었다. 그리고 2015년 기존 교토의정서를 대체하기 위해 지구온도를 1.5 ℃ 또는 최대 2 ℃상승 억제를 목표로 하는 파리협정이 채택되어, 2016년 발표되었으며 2021년 신기후체제에 진입하였다. 파리협정은 모든 당사국이 스스로 감축목표를 정하도록 하고(Nationally Determined Contributions, NDC), 파리협정 당사국총회(Conference of parties serving as the Meeting of the parties to Paris Agreement, CMA)는 5년마다 이행점검을 하게 된다. 주요국의 2030년 NDC를 살펴보면 미국은 2005년 대비 50~52 % 감축, 영국은 1990년대비 68 %감축, 일본은 1990년 대비 46 %감축이며, 우리나라의 경우에는 2018년대비 40 %감축이다^{(UN, 2022)}.

파리협정 제10조에 따라 당사국은 “당사자총회에서 합의된 모범 관행 방법론을 사용하여 작성된 온실가스 배출원에 의한 인위적 배출과 흡수원에 의한 제거에 관한 통계보고서 그리고 국가결정기여를 이행하고 달성하는데 있어서의 진전추적에 필요한 정보”를 제공해야할 의무가 있다. 여기서의 모범관행 방법론은 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) 국가인벤토리 작성 가이드라인(IPCC Guideline for National Greenhouse Gas Inventories)이며, 당사국은 이 IPCC 가이드라인에 따라 국가통계보고서를 발간할 의무가 있고, CMA는 본 통계자료를 근거로하여 NDC의 이행점검을 수행하게 된다^{(UN, 2015)}.

탄소중립의 달성은 일정 공간 범위 내에서 온실가스 배출량과 흡수량을 제로(Net Zero)로 만들어 대기 중 추가적인 온실가스의 증가를 막는 것을 의미한다. 따라서 공간 내부에서 직접적으로 온실가스가 배출된다면 이를 직접배출이라고 하며, 공간 내부에서 직접적인 온실가스 배출은 없으나 전기, 열 등의 에너지 소비로 유발되는 온실가스 배출을 간접배출이라 부른다. IPCC 가이드라인에 따르면 국가인벤토리 작성은 직접배출량에 대해서만 집계된다. 다시 말하자면, 국가 온실가스 통계보고서는 국가라는 공간 내부에서 직접적으로 발생되는 온실가스 배출량 통계를 산정한 것을 의미한다.

공간의 경계는 내부와 외부, 육지와 해양, 국가와 국가, 도시와 농어촌, 국가와 지자체 등으로 공간의 자연 환경적 특성, 공간의 활용 목적 등에 따라 다양하게 구분될 수 있다. 그리고 공간은 인구, 산업, 자연환경 등 여건에 따라 온실가스 배출 특성에서 많은 차이를 나타내므로 탄소중립 목표를 효과적으로 달성하기 위해서는 공간 특성에 적합한 경로 설계가 필요하다. 예를 들어 도시 인구는 2030년 60.4 %, 2050년 66 %^{(UN-Habitat, 2020)}까지 증가할 것으로 예측되므로, 도시 공간에서 배출되는 온실가스를 조속히 제어하는 것이 탄소중립 목표 달성에 핵심이라고 볼 수 있다. 특히, 도시의 에너지소비량이 연간 글로벌 온실가스 배출량에서 차지하는 비중은 70 %이며, 도시에서 탄소중립 정책을 수립하면 2050년까지 90 %의 온실가스 배출량이 줄어드는 것으로 예측된다^{(IEA, 2021)}. 우리나라 또한 7대 광역지자체(서울특별시, 부산·대구·인천·광주·대전·울산광역시)에 인구의 43 %가 살고 있으며, 공급되는 최종에너지가 국가 전체의 31 %를 차지한다. 향후에는 도시의 인구 증가에 따라 지구온난화에 더 많은 영향을 미칠 것으로 판단되므로, 집중적인 온실가스 배출 관리가 필요하다^{(BBC, 2021)}.

해외 주요국은 온실가스 배출량 지도를 통해 공간별 탄소배출량 현황을 제공하고 있다. 미국은 환경보호청의 온실가스 보고 프로그램을 통해 지역별 주요 배출원 온실가스 배출정보를 공간화하여 제공하며, 웹 기반 시스템인 Facility Level Information on Green House Gases Tool (FLIGHT)을 통해 대규모 배출시설의 온실가스 배출정보를 가시화하여 제공하고 있다^{(US EPA, 2021)}. 영국은 기업 에너지산업 전략부에서 지역 단위의 온실가스 배출량 추정 통계자료를 지도화하여 국경 내에서 발생하는 배출량(Territorial emissions)을 에너지 공급자·사용자 등의 기준으로 제공하고 있다^{(UK NAEI, 2022)}. 한편, 일본 정부는 도시구조와 교통정책실시 등에 따른 탄소저감 효과를 포괄적으로 진단·평가할 수 있는 공간 분석 도구인 CO$_{2}$ Reduction Effect Simulation Tool (CREST)를 개발 및 사용하고 있다^{(MLIT, 2014)}.

해외 선진국에서의 사례에서 조차 공간단위 탄소중립 기술적용 분석 도구나, 다양한 공간 단위에서 복합적인 기후기술도입에 따른 탄소중립 기여도를 평가하거나, 기술의 발전을 고려한 기술경로를 도출하는 등의 기능을 제공하는 프로그램 등이 부재한 상황이다. 또한 국가 단위 에너지 모형은 지역·도시 단위의 에너지 시스템 운영 측면에서 한계가 존재하며, 프로젝트 단위 모형은 경제성평가 중심으로 기술 및 시스템 단위에서 전과정평가 분석이 불충분하다. 그리고 해외 소프트웨어의 경우, 우리나라의 기상 현황, 에너지공급·수요현황 등을 반영하지 못하고, IPCC 가이드라인에서 제공하는 TIER1 배출계수를 사용하기 때문에 국내 실정반영이 미흡하다.

따라서 본 연구는 탄소중립 기술 시나리오 모형(Carbon-neutral Assessment based on Technology Application Scenario, 이하 CATAS) 개발을 통하여 공간단위에서 탄소중립 관련 기술을 적용했을 경우의 온실가스 감축량을 분석을 하고자 한다. 방법론에서는 모형의 범위와 방법론을 설명하고, 모형시범적용에서는 서울시 온실가스 감축 계획을 CATAS에 적용하여 정책을 진단해보고자 하며, 마지막 결론에서는 결론 및 향후과제를 나타내고 있다.

2. 방법론

2.1 모형 범위

온실가스 배출원은 배출형태에 따라서 직접배출원과 간접배출원으로 구분할 수 있다. 직접배출원은 해당 공간(경계) 내에서 직접적으로 온실가스 배출하는 것을 뜻하며, 간접배출원은 해당 공간(경계) 외에서 운반된 전기, 열 등을 사용하여 배출하는 것을 의미한다. UN에 제출하는 국가 온실가스 배출량 보고서는 직접배출량 만을 대상으로 하며, 온실가스종합정보센터(Greenhouse Gas Inventory and Research Center, GIR)에서 제공하는 지역 온실가스 배출통계 또한 직접 배출량만을 고려하고 있다. 따라서 본 연구의 온실가스 배출원 범위 또한 직접배출량만 고려하여 분석하고자 한다.

본 연구의 공간적 범위는 직접 및 간접배출량으로 건물, 마을, 지자체 등 온실가스 배출원에 대한 구역/경계가 식별되는 공간이다. 예를 들어 ｢국토의 계획 및 이용에 관한 법률｣의 제6조에 따라 우리나라는 토지의 이용실태 및 특성, 장래의 토지이용 방향, 지역 간 균형발전 등을 고려하여 도시지역, 관리지역, 농림지역, 자연환경보전지역 4개의 용도지역으로 구분한다. 또한 국토교통부의 ｢지적통계연보｣는 우리나라 국토면적을 행정구역별, 소유자별, 지목별로 나누어 토지이용현황에 대한 현황통계를 제공하여 국토개발, 보전계획 수립 등에 활용되고 있다. 행정구역은 시·도 및 시·군·구로 구분되며, 소유자는 민유지, 국유지, 도유지, 군유지, 법인, 비법인, 기타로 구분하며, 지목별은 토지의 주된 용도에 따라 토지의 종류를 과수원, 임야, 학교, 도로 등 28개로 구분한다. 탄소중립 정책의 실질적 이행주체로서 탄소중립 기본법 상에서 행정구역 단위의 광역 및 기초지방자치단체에게 탄소중립 기본계획 수립, 녹색성장위원회 구성 및 운영, 온실가스 종합정보관리체계구축, 탄소중립지원센터의 설립 등 탄소중립 역할을 부여하고 있다. 또한 GIR의 지자체 온실가스 배출통계 또한 지방자치단체단위로 생산하고 있다.

Table 1과 같이 2050 탄소중립 시나리오^{(Joint Ministries of South Korea, 2021)}는 크게 온실가스 “배출”과 “흡수 및 제거”로 구분된다. 부문은 탄소중립 목표 설정을 위한 단위이며, “배출”에 대한 부문은 전환, 산업, 건물, 수송, 농축수산, 폐기물, 수소, 탈루이며, “흡수 및 제거”에 대한 부문은 흡수원, 이산화탄소 포집 및 활용저장(CCUS), 직접공기포집(DAC)로 분류된다. 이 중 온실가스 배출량이 가장 큰 전환 부문에 대한 기술을 범위로 고려하고자 한다. 따라서 에너지전환기술로서 ①태양광, ②풍력, ③바이오에너지, ④수력, ⑤해양에너지, ⑥수소연료전지, ⑦태양열, ⑧지열을 포함하였고, 추가로 지열과 같은 히트펌프를 공유할 수 있는 ⑨수열 및 ⑩산림흡수원을 기술적 범위에 포함시키고자 한다(Table 2).

Table 1. South Korea 2050 Carbon Neutral Scenario

(Unit: mtCO$_{2}$eq)
		Emssions								Absorption and Elimination
Sector		Transition	Industry	Building	Transport	Agriculture, livestock, fisheries industry	Waste	Hydrogen	Evasion	Sink	CCUS	DAC
2018		686.3
		269.6	260.5	52.1	98.1	24.7	17.1	–	5.6	-41.3	–	–
2050	A	0	0	51.1	6.2	2.8	15.4	4.4	0	0.5	-25.3	-55.1
	B	0	20.7	51.1	6.2	9.2	15.4	4.4	9	1.3	-25.3	-84.6

Table 2. Research Scope

2.2 모형 방법론

CATAS에 적용한 탄소중립률 산정 방법론을 개발하였다(Table 3). 우선 ①온실가스 배출현황 분석하고, ②기술도입에 따른 에너지생산량 예측 후 ③온실가스 감축량 산정하고, ④탄소중립률 산정한다. ①온실가스 배출량은 직접배출량만 고려하였으며, ⓐ활동자료는 GIR 협조를 통한 에너지 전환 부문에서 열과 전기가 분리된 비공개자료를 활용하였으며 및 ⓑ배출/흡수계수는 2021년 국가 승인 배출계수를 활용하였다. ⓒ지구온난화지수(Global Warming Potential, GWP)는 온실가스별 지구온난화 기여정도를 나타내는 지수이며 GIR로부터 온난화지수를 고려한 이산화탄소환산량(CO$_{2}$eq) 단위의 온실가스 배출 통계를 수집하였다.

기술적 범위는 2.1 모형의 범위에서 선정한 에너지 전환 부문의 10개 기술로서 기후정보와 기술정보를 활용하여 Table 4^{(Lee et al., 2022)}과 같이 ⓕ산정식을 기술별로 개발하여 ②기술도입에 따른 에너지생산량 예측을 하였다. ⒞기후정보는 국립기상과학원, 기상청 해양수산부, 국립해상조사원이 제공하는 데이터를 활용하였으며, 기후정보와 연계된 기술은 태양광, 풍력, 수력, 해양에너지, 태양열, 지열, 수열이다. ⒟기술정보는 한국에너지공단의 기술별 KS인증 제품정보를 활용하였다. 수열은 지열과 같이 히트펌프를 사용하기 때문에 같은 기술정보를 활용하였다. 개발 중인 기술로서 해양에너지 및 수력과 같은 경우는 기술정보를 수집하는데 한계가 있어 기술자문을 통해 이용률 정도만 산정식에 반영하였다.

③온실가스 감축량은 에너지전환 부문 탄소중립 기술도입에 따른 에너지생산량이 연료별 온실가스 배출계수가 높은 온실가스부터 대체한다고 가정하여 산정하였다. 온실가스 배출계수는 2021년 국가승인통계에서 공고한 배출 및 흡수계수를 사용하였다. 단, 연료의 종류가 다양하기 때문에 프로그램에서는 성상별(석탄, 석유, 가스)로 온실가스 감축량을 나타낸다. 마지막으로 탄소중립률은 해당공간이 기술도입 후 얼마나 탄소중립화가 되었는지 보여지는 지표로서 2018년 ⓗCO$_{2}$ 배출량 대비 기술도입 후 온실가스 감축량으로 계산된다. 이 때 2018년을 기준으로 삼은 이유는 국가 온실가스 감축목표(Nationally Determined Contributions, NDC)가 2018년 대비 온실가스 감축량이기 때문에 지자체의 목표와 연계하고자 정하였다.

Table 3. Data Construction of Carbon Neutrality Estimation Process

Table 4. Calculation Formula for Annual Power Generation (kWh/yr) and Absorption by Technology (tCO$_{2}$eq./yr)

Tech.	Formula
PV	Solar radiation (average) × solar module area × module efficiency × 365 days
Wind	∑ Wind speed frequency distribution (Weibull distribution) × turbine power curve
Bioenergy	Biogas plant power generation (yearly): rated output × number of installed units × number of days per month × 24 hours
	Biogas plant fuel consumption: fuel consumption per hour rated output × number of installed units × number of days per month × 24 hours
Hydro-energy	Fluid density × gravitational acceleration × flow rate × effective free fall × system efficiency × operation rate × 8,760 hours
Ocean energy	1/2×seawater density×tidal flow rate$^{3}$×𝜋/60×facility occupied area×equipment efficiency×8,760 hours
	1/2 × fluid density × gravitational acceleration × george area × maximum tier$^{2}$ × turbine efficiency × 8,760 hours
	Fluid density × gravitational acceleration$^{2}$ ÷ 64𝜋 × energy cycle$^{2}$ × significant wave height × 1000÷(7×7×equipment length) × equipment occupied area × number of generators × utilization rate × 8,760 hours
Hydrogen fuel cell	System output × utilization rate × number of installations × 8,760 hours
Solar thermal	Solar radiation × solar heat penetration area × number of installed units × number of days per month × 0.004186 (MJ/Kcal)
Geo/hydrothermal	Rated capacity (kW) x (1-1/COP (coefficient of performance)) x 3.6 MJ/kWh x monthly heating and cooling energy production time (h)
LULUCF	CO$_{2}$ absorption (annual): planting amount of trees by tree species × CO$_{2}$ absorption per tree by tree species

3. 모형 시범적용

서울시는 국내 도시 최초로 2050년 탄소중립 계획을 수립하고, C40도시기후리더십그룹(C40)에 ｢2050 Seoul Climate Action Plan｣을 제출한 바 있다. 서울시가 발표한 ｢2050 온실가스 감축 추진계획｣에서는 ①그린 빌딩, ②그린 모빌리티, ③그린 숲, ④그린 에너지, ⑤그린 사이클에 해당하는 5대 부문의 74개 세부과제를 담고 있다. 이를 통해 서울시는 2030년까지 2005년 대비 온실가스 배출량의 40 %를 감축하고, 2050년 탄소중립 달성 목표를 수립하였다. 본 연구에서는 해당연도에 에너지 전환부문만을 다루고 있으므로, 서울시의 에너지 전환분야의 내용을 중점적으로 검토하고, 개발된 CATAS 모형 적용을 통해 해당 계획 추진에 따른 온실가스 감축량 및 탄소중립률 달성 평가를 수행하였다.

서울시 ｢2050 온실가스 감축 추진계획｣의 에너지 부문에서는 ① 태양광 보급확대, ② 연료전지 보급확대, ③ 소수력, 수열 등 신재생에너지 발굴·이용 등에 대한 계획을 수립하고 있다. 계획별 주요 계획으로는, ① 태양광 보급확대를 위해 서울시와 국토교통부, 한국철도공사가 협력하여 ‘22년까지 코레일 역사와 차량기지 및 주차장에 25 MW 설치, 한전 변전소 등에 500 MW 설치를 목표로 하며, 이외에도 보조금 지원과 태양광 설치 의무화제도, 컬러유리와 같은 태양광 신기술(서울시는 2021년 서울에너지공사에 ‘태양광 신기술 실증 단지’를 조성했다. 다양한 형태의 건물 일체형 태양광발전시스템(Building Integrated Photovoltaic, BIPV),도로,보도블록형 태양광시스템, 울타리펜스형 태양광모듈 등의 실증기술을 적용했다.) 지원, K서울햇빛발전(서울에너지공사가 태양광 발전소 건설 사업을 추진하기 위하여 특수목적법인인 케이(K) 서울햇빛발전사업을 설립하였으며, 서울에너지공사 열병합발전소 상부, 서울교통공사 차량기지, K2코리아(주) 물류챵고 등 태양광 발전사업 발굴을 추진하고 있다.) 등 태양광 발전사업 추진 등의 계획을 수립하고 있다. 이를 통해 최종적으로 ‘22년까지 500 MW, ‘50년까지 5 GW의 태양광 설비 보급을 목표로 하고 있다. ②연료전지 보급확대 계획의 경우, 천왕차량기지, 중랑물재생센터 및 서울도시가스 부지 등 도시기반시설 유휴부지에 연료전지 발전소 도입을 추진하고, 신축 건물 전력용량의 5 % 이상을 연료전지로 설치하는 것을 의무화하는 등의 확대계획을 포함한다. ③ 광역 상수도 등 하천 수열을 이용한 냉난방 공급을 확대 계획을 가지고 있다(Table 5). 해당 계획 중 태양광, 연료전지, 수열에 대한 신규 발전설비 설치·확대 계획을 반영하여, 기술별 도입에 따른 에너지생산량을 Table 6의 산정식이 활용하여 예측하였으며, 이를 바탕으로 온실가스 감축량 및 탄소중립률 기여도 평가를 수행하였다.

4. 결 론

본 연구는 공간단위 탄소중립 기술시나리오 모형(CATAS) 개발을 통하여 탄소중립 실현을 위한 기술의 온실가스 감축효과를 정량적으로 평가하고자 한다. 연구의 범위는 직접배출량을 대상으로 공간적 범위는 직접 및 간접배출의 경계로 정하였다. 그리고 적용 기술은 에너지 전환 관련 10개 기술(①태양광, ②풍력, ③바이오에너지, ④수력, ⑤해양에너지(조류, 조력, 파력), ⑥수소연료전지, ⑦태양열, ⑧지열, ⑨수열 및 ⑩산림 흡수원)이다. 탄소중립률 평가 방법론은 ①온실가스 배출현황 분석, ②기술도입에 따른 에너지생산량 예측, ③온실가스 감축량 산정, ④탄소중립률 산정까지 4단계로 이루어져있다. 우선 ①온실가스 배출현황 분석은 GIR과 협력을 통해 지자체별 활동자료를 구축을 통해 지자체별·에너지원별 2018년 온실가스 배출현황 분석하여 현 지자체 탄소중립률 진단하였다. ②기술도입에 따른 에너지생산량 예측은 지자체별·월별 기상정보를 수집·가공하고, KS 인증제품 기술정보 데이터베이스 구축하여 기후정보와 기술정보 연계를 통한 기술별 에너지 산정 방법론 구축하였다. ③온실가스 감축량 산정은 기술도입에 따른 기존 화석연료 대체효과와 전과정평가(LCA) 기반의 온실가스 배출량 분석을 통해 기술도입에 따른 온실가스 감축량 산정하였다. ④탄소중립률 산정은 2018년 온실가스 배출량 대비 기술도입에 따른 감축량 비율로 탄소중립률 도출하였다.

모형에 대한 시범적용으로 서울시의 ｢2050 온실가스 감축추진계획｣상 제시된 신재생에너지 보급목표를 적용하여 분석을 실시하였다. 서울시 계획상에 태양광· 연료전지·수열·소수력 부문에서 목표치를 제시하고 있다. 태양광의 경우 현재 시장 잠재량 고려 시 목표치(`22년까지 500 MW, `50년까지 5 GW) 보급 반영이 불가능하며, 최대 43.38 GWh 전력량 생산 가능하다. 수소연료전지의 경우 보급목표(‘22년까지 3000 MW, `50년까지 1 GW) 달성 시,`22년에 약 2,417 GWh(서울시 전력소비량의 약 5.06 %), ‘50년에는 8,760 GWh의 전력(전력소비량의 약 18.32 %) 생산 예측되었다. 수열 시설 공급확대 계획(한강홍수통제소 350 kW, 강남삼성병원 40 MW, 영동대로 복합환승센터 14 MW 등 신규 수열 시설 설치) 달성 시 연간 577,150,068 MJ의 냉난방 에너지(서울시 열에너지 가정·상업부문 열에너지 소비량(332,000 toe)의 약 4.15 %) 생산 예측되었다. 소수력 목표(잠실수중보 소수력 발전시설 2.5 MW 설치)의 경우, 지자체별 강수량과 낙차, 유역면적을 이용하여 이론적 발전량을 산정하는 본 시뮬레이터에 직접 반영하여 평가하기 어려운 측면이 존재하여, 향후 고도화시 개선이 요구되었다. 태양광·수소연료전지·수열을 적용한 결과, 서울시의 전환부문 배출량인 1.49백만 tCO$_{2}$eq 중 기술도입으로 0.43백만 tCO$_{2}$eq 감축하여 전환부문 탄소중립률은 28.94 %로 분석되었다. 경제성 분석 결과, 태양광의 LCOE (Levelized cost of electricity)는 142원/kWh(수명 30년 가정), 수소연료전지는 431원/kWh(수명 10년 가정)로 산정되었다.

향후과제로 ①간접배출량 분석, ②에너지산정식의 고도화, ③기술 범위 확장, ④공간단위 기술 최적화 모형 개발이 있다. ①간접배출량 분석은 우선 공간의 온실가스 배출량을 제대로 이해하기 위해서는 공간 내에 직접배출되는 온실가스뿐 만 아니라 전기 및 열 등 간접배출량을 동시에 비교·분석하는 것이 중요하기 때문이다. ②에너지 산정식의 고도화는 본 연구의 기술별로 현재 개발된 산정식의 에너지 생산량 예측 분석 결과에 대한 신뢰도를 제고할 것이다. ③기술 범위 확장은 에너지 전환 뿐만 아니라 건물, 수송도 많은 온실가스를 배출하고 있는 부문으로서 기술적용을 통한 온실가스 감축량 산정이 필요하다. 마지막으로 ④공간단위 기술 최적화 모형 개발은 비용 최소화, 신재생에너지를 활용한 전력생산량 최대화, 온실가스 배출량 최소화 등을 최적화 조건으로 반영하여 공간별 최적 에너지믹스 경로를 제안하는 연구를 수행할 필요가 있다.