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에너지 잠재량의 정의에는 잠재량을 산정하는 기준과 실현가능 정도에 따라 다양한 정의가 존재한다. 각 연구마다 그 기준이 상이하거나 구분하는 레벨이 다르기도 하지만 크게 이론적 잠재량, 지리적 잠재량, 기술적 잠재량, 경제적 잠재량, 실현가능한 시장 잠재량으로 구분된다(Table 1).

가장 많이 언급되고 있는 잠재량은 이론적 잠재량과 지리적 잠재량이다. 이론적 잠재량은 부존되어 있는 에너지의 총량을 뜻하기 때문에, 에너지기술연구원의 강용혁(2013)의 연구에서는 이론적 잠재량을 부존 잠재량이라 칭하기도 하였다. 계산이 단순하고 그 값이 변화하지 않아 많은 연구에서 기본이 되는 잠재량이다. 이론적 잠재량 다음 레벨은 지리적 잠재량으로 토지이용이나 개발가능지역의 지리적 제약 요건을 적용한 잠재량이다. 태양광을 예를 들 경우, 이론적 잠재량은 수평면 전일사량에 면적을 곱한 값이 해당하며, 지리적 잠재량은 수평면 전 일사량에 임야 및 하천 등 개발 불가능한 면적을 제외한 거주지 면적을 곱한 값에 해당한다.

다음 레벨로는 지리적 잠재량에 기기의 효율을 고려한 기술적 잠재량이 있으며, 예상되는 기술의 비용과 같은 경제적 제약을 고려한 잠재량이 경제적 잠재량에 해당한다. 태양광의 기술적 잠재량은 임야 및 하천을 제외한 면적 중 남향에 해당하는 경사면 일사량과 시스템 변환 효율을 곱한 값에 해당한다. 이러한 기술적 잠재량은 정책 지원 등을 통한 현실화 이전에 가능한 다양한 잠재량을 비교하기 적합한 레벨로 판단된다. 잠재량 중 최종적 실현가능 잠재량은 현실적 제약을 고려하여 실현될 수 있는 에너지 량에 해당하는데 연구자에 따라 지원금 등 정책, 수요, 투자, 경제성, 안전 등을 고려한 레벨에 해당한다.

본 연구에서는 경제 및 정책 도입 가정이 어려우므로 최종 실현가능 잠재량이 아닌 지역 단위에서 현실적으로 보급 가능한 조건을 기준으로 가능한 기술적 잠재량을 산정하고자 하였다. 본 연구에 적용된 잠재량 기준은 기존 연구에서의 잠재량 레벨과 비교하면 Table 1과 같다.

지속가능성을 고려한 도시를 표현하는 다양한 개념이 존재하는데 미래세대에 환경을 물려주고 생태적 환경 및 사회적 목표를 강화한 개념의 녹색도시, 에코시티, 그린시티, 생태도시, 저에너지도시, 제로시티 등이 존재한다. 이들 개념은 각기 추구하는 내용에 차이를 보이지만 지속가능한 개발을 추구하는 도시(지역)를 의미하는 공통점을 가지며 다양한 용어가 혼용되어 사용되어진다.

본 연구에서 추구하는 에너지 자족도시와 가장 유사한 개념은 윤성환(2013)의 연구에서 제시된 ‘저에너지 에코시티’이다. “저에너지 에코시티”는 화석에너지 최소사용을 통한 탄소중립도시를 지향한다. 탄소중립도시란 석유나 석탄과 같은 화석에너지를 사용하지 않아 도시 전체가 배출하는 이산화탄소의 양이 다른 도시보다 현저하게 적거나, 그 도시가 배출하는 탄소량 이상으로 청정에너지를 생산해 내는 친환경도시를 말한다.

또한 ‘자족도시’란 모도시에 의존하지 않고 자기 유지적인 자립성을 가진 도시(박문서 외, 2011)를 의미하므로 단순히 탄소배출에 의한 의미보다 지역 내 소비를 충족하는 에너지 생산이 가능한 도시를 의미한다. 따라서 본 연구에서의 ‘에너지 자족도시’란 외부도시로 부터 에너지 유입을 받지 않고 도시 내 인간의 활동에 필요한 에너지를 소비하는 도시며, 동시에 화석에너지를 최소로 사용하는 친환경도시를 의미한다.

신재생에너지란 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나, 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지로 최근 미래세대의 화석연료 고갈로 인한 에너지 문제 해결책으로 주목받고 있다. 신재생에너지의 잠재량을 통해 지역별 에너지 자립을 분석하기 위해 먼저 에너지원 자료를 구축하고 신재생에너지잠재량을 산정하고 에너지 소비량과 비교하여 지역별 에너지 자립가능성을 분석하였다.

연구 범위로는 230개 시군구를 대상으로 하였으며, 신재생에너지 중 본 연구에서는 태양광, 풍력, 소수력, 바이오매스를 이용한 바이오에너지를 대상으로 하였다. 바이오에너지는 대표적인 자원인 벼 부산물인 볏짚과 축산 분뇨, 음식물쓰레기로 대상을 한정하였다. 목재펠릿을 이용한 신재생에너지가 존재하지만 임목 부산물을 통한 바이오에너지 계측을 위한 실제 활용자료 및 지역별 통계자료의 부재로 제외하였다. 또한 잠재력이 높은 지열의 경우, 심도에 따라 분포지역의 편차가 크고 설치 한계가 높은 특성으로 본 연구에서는 제외하였다.

자연적 잠재량이 아닌 기술적 잠재량을 고려한 지역 단위에서 보급 가능한 에너지 잠재량을 산정하기 위해 각 신재생에너지 자원에 대한 범위를 한정하였다. 태양에너지의 경우 지붕 태양광 패널로 한정하였으며, 풍력은 대규모 풍력단지가 아닌 소규모 풍력을 기준으로 도로 및 교량에 설치하는 것을 가정하였다. 소수력의 경우 유역면적이 15km² 이상의 저수지를 대상으로 하였으며, 바이오에너지의 경우에는 볏짚과 축산분뇨가 타 용도로 활용되고 있는 것을 고려하여 가용 자원량을 정하였다.

지역별 에너지 소비를 살펴보기 위해서 도별 최종에너지 소비량과 시군구별로 판매된 전력량을 기준으로 분석하였으며, 용도에 따라 구분된 에너지 소비량 자료를 이용하였다(Table 2).

각 각의 신재생에너지원의 기술적 잠재량을 산정하기 위해 먼저 자원의 총량을 계산하고 자원의 에너지로 활용 가능한 자원량, 그리고 에너지 전환 및 에너지 발생 효율을 고려하여 에너지화 가능성 단계를 고려하였다(Figure 1).

Figure 1. 
Evaluation process

현재 적용 가능한 기술적 잠재량을 산정하기 위해 각 에너지원별 적용한 단계별 가정과 가정에 대한 값과 근거를 정리하였다. 각 가정과 값은 관련 법률, 통계, 연구 문헌 등을 참고하였다(Table 3).

태양광의 경우, 건물지붕에 설치가능 면적을 산정하기 위해 먼저 시군구별 용도지역별 면적에 건폐율을 적용하여 건축면적을 산정하였다. 건폐율은 2014년 기준 각 지자체별 조례에서 정한 값의 평균값을 이용하였다. 산정된 건축면적은 실제 건축면적과는 차이가 있을 수 있을 것으로 판단된다. 건축면적에서 지붕면적을 산정하기 위해서는 NREL 보고서(Lopez, A. et al, 2012)에서 제시한 주거지역, 상업 및 공업지역의 지붕면적 비율을 참고하였다. 또한 이 보고서에서 제시한 모듈 효율을 적용하여 지붕태양광 기술 잠재량을 산정하였다. 국내 지붕형태가 미국과 달라 미국의 지붕면적 비율을 적용하여 잠재량이 과다 산정될 수 있으나 모듈 효율이 지속적으로 향상하고 있어 보정계수를 두지 않았다.

풍력의 경우, 대규모 풍력단지는 설치 가능한 지리적 제약이 크며, 지역계획에 포함하는 에너지원으로 적합하지 않을 수 있어 소규모 풍력기기를 대상으로 산정하였다. 소규모 풍속이란 6W에서 300kW 급의 정격용량을 가진 풍력터빈으로 정의된다(박종규, 2012). 이러한 소규모 풍력시설은 아파트 단지, 도로변, 공원 등에 적용되고 있으며, 국내에서 현재 판매 설치되고 있는 기기를 기준으로 도로변에 일정한 간격으로 설치 시 얻을 수 있는 잠재량을 산정하였다. 200W, 3kW 두 종류의 기기설치를 가정으로, 각각의 날개길이(1.2m, 2m), 회전자 면적, 도로 가로등 설치 간격 등을 고려하여 설치 간격을 결정하였으며, NREL의 보고서(Lopez, A. et al, 2012)를 참고하여 효율은 30%을 적용하였다.

최근 농업용 보 등에 설치되고 있는 소수력 에너지는 2006년 산업자원부에서 시행한 소수력 자원조사 자료를 기반으로 예상 설비용량을 산정하고 시스템효율과 가동률을 고려하여 산정하였다. 수차와 발전기 효율이 0.84~0.92로 보고되고 있으며(브리태니커 온라인) 일본의 경우 수차의 효율을 88%, 발전기 효율 97%까지 적용하고 있어(김경남과 김범수, 2010), 본 연구에서는 84%의 시스템 효율과 35%의 가동률을 가정하여 발전량을 산정하였다.

바이오매스 에너지원으로는 볏짚과 축산분뇨 그리고 음식물쓰레기를 대상으로 하였다. 먼저 재배 면적, 가축수, 인구수에 발생원단위를 곱하여 자원의 양을 산정하고 논벼와 축산분뇨의 타 용도 활용을 고려하여 활용 가능한 자원 양을 대상으로 하였다. 이들 자원들은 에너지화, 자원화시설 설치가 이뤄지고 있고 실제 발전량에 대한 자료를 얻을 수 있어 잠재량산정에 이를 사용하였다.

논벼 부산물인 볏짚은 2007년 자료에 의하면 60%가 퇴비에 이용되며, 25%는 사료에 이용되고 있어(박현태 외, 2007) 이를 제외한 활용가능 비율은 15%로 적용하였으며(농림수산식품기술기획평가원, 2010), 농부산물 바이오매스를 이용한 연료물질의 생성 연구에서 나타난 에너지 수율인 69% 적용하여(이종집, 2007) 에너지 잠재량을 산정하였다.

축산분뇨는 2009년 기준 85%가 퇴비 혹은 액비로 활용되고 있어 이를 에너지화 가능 비율로 보았으며, 바이오가스화 수율계수는 6개소의 2008년부터 2012년까지의 실제 시설데이터를 활용하였다(환경부, 2012).

선정한 에너지원의 자원량과 기술적 잠재량 산정 가정을 통해 지역단위 기술적 신재생에너지 잠재량을 계산한 결과 333,817 GWh/year로 나타났다. 이 중 가장 큰 비중을 차지하는 것은 태양광에너지로 98.21%에 해당하였다. 그 다음으로 큰 에너지원은 볏짚과 음식물쓰레기로 나타났다(Table 4).

이러한 잠재량은 도시 지역인 구와 중소도시인 시 지역, 농촌 지역인 군 지역에 따른 중심이 되는 에너지원에 차이가 있을 것으로 판단하여 시군구 구분에 따른 각 에너지원 평균 잠재량과 각 에너지원에 얼마만큼의 비중을 가지는 지 살펴보았다. 시군구의 에너지원별 평균 잠재량을 비교한 결과 태양광은 시지역이 가장 큰 것으로 나타났으며, 구 지역은 음식물쓰레기, 군 지역은 농부산물이 주요 에너지원으로 나타났으며, 시 지역은 태양광, 농부산물, 음식물쓰레기, 도로풍력이 높게 나타나 다양한 에너지원이 개발 가능한 것으로 나타났다(Figure 2).

각 에너지원을 시군구에서의 비중을 살펴보면 도시지역인 구지역의 경우 음식물쓰레기로 얻을 수 있는 에너지원이 총 에너지원의 55%로 가장 큰 비중을 차지하였으며, 농촌지역인 군 지역의 경우 볏짚을 통한 에너지 비중이 54%를 차지하였다. 중소도시인 시 지역은 도로, 태양광, 가축분뇨, 소수력에서 모두 가장 큰 비중을 차지하는 것으로 나타나 신재생에너지 도입에 유리한 지역으로 판단되었다(Figure 3).

에너지원별 지역 분포를 도별로 살펴보면 태양광과 풍력의 경우 면적에 비례하여 경상북도, 경기도, 전라남도가 높은 값을 보였으며, 소수력은 경상북도와 충청남도, 농부산물은 농산물 발생량에 비례하여 충청남도와 전라남도가 높은 값을 보였다. 축산폐기물의 경우 경기도가 가장 높게 나타났으며 충청남도와 경상북도도 비슷한 값을 보였다. 음식물 쓰레기의 경우 인구수에 비례하여 경기도가 두드러지게 큰 값을 보였다(Table 5).

시군구별로 에너지 잠재량을 살펴보면 태양광의 경우 충남당진군, 도로 풍력의 경우, 제주 제주시, 소수력의 경우 충남 서산시, 농부산물은 전북 김제시, 축산폐기물의 경우 충남 홍성군, 음식물쓰레기의 경우 서울 송파구가 가장 높게 나타났다. 또한 지역별 분포를 살펴보기 위해 Figure 4와 같이 도시화하였다. 태양광과 풍력의 경우, 면적으로 정규화 하였으며, 10단계 등간격으로 표현하였다. 지붕 태양광의 경우 도시화된 서울과 대구, 부산, 울산지역이 면적에 비해 높게 잠재된 것으로 나타났으며, 도로변 풍력은 도로가 밀집한 수도권 이외의 지역만 면적대비 높게 나타났으나 전국적으로 분포에 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 소수력의 경우 일부 지역 이외에는 잠재량이 미비한 것으로 나타났다. 태양, 바람, 물은 공간적 분포에 큰 차이가 없는데 반하여 바이오매스의 경우 그 차이가 크게 나타났다. 농부산물의 경우 서해안 쪽 지역에서 높은 잠재량을 보였으며, 축산분뇨의 경우 수도권 남쪽지역이 높게 분포함을 확인할 수 있었다. 또한 음식물쓰레기의 경우 도시지역이 높은 값을 보이고 있으나 많은 수의 지역이 높은 잠재량을 보이고 있었다.

Figure 2. 
Average potential of regional groups

Figure 3. 
Proportions of renewable energy potentials

Figure 4. 
Distribution of renewable energy potential by Si, Gun, Gu

산정된 신재생에너지 잠재량이 지역별 에너지 자립에 미치는 영향 정도를 살펴보기 위해 먼저 지역별 최종 에너지 소비량을 살펴보았다. 우리나라는 총 210×10⁶ TOE를 소비하는 것으로 나타났으며, 이 중 62.3%가 산업용으로 사용되며, 수송용 17.8%, 가정 및 상업용 17.8% 사용되는 것으로 나타났다(에너지경제연구원, 2014). 이러한 최종 에너지 소비량은 시도별로 제공되어 신재생에너지 잠재량이 지역에너지 자립에 미치는 영향을 시도단위에서 살펴보았다.

시도별 최종에너지 소비량과 본 연구에서 산정된 신재생에너지의 기술적 잠재량을 비교한 결과(Table 6) 전국 총에너지 소비량의 14%를 감당할 수 있는 것으로 나타났다. 지역적으로는 제주도가 현재 소비되는 에너지의 83%가 신재생에너지로 대체가능한 것으로 나타났으며 강원도가 41%로 두 번째로 에너지 자립가능성이 높게 나타났다. 반면 서울, 인천, 부산, 대구, 대전과 같은 대도시 지역은 신재생에너지로 대체가능한 에너지소비량 비율이 10%내외로 낮게 나타나 에너지자립이 어려울 것으로 예상되었다. 대도시 이외 지역 중 울산, 전남, 충남, 경북지역이 신재생에너지의 대체가능한 에너지 비율이 낮게 나타났는데 이들 지역의 경우 총 소비량 중 산업용 비중이 76~92%로 나타나 산업용 이외 지역사회 에너지 자립은 가능할 것으로 판단되었다.

에너지 자족도시 가능성을 판단하기 위해 시도단위보다 세분화된 시군구별 에너지 자립가능성에 대해 살펴보고자 전력 소비량을 기준으로 비교해 보았다. 2011년 기준 전력소비 자료²⁾를 사용하여 시군구별 산정된 에너지 잠재량과 비교하였다. 2011년 연간 전국 전력 소비량은 454,911GWh이며, 용도별 전력소비량 중 산업용은 251,338GWh로 55.25%를 차지하며, 그 다음으로 일반용이 21.87%, 주택용은 13.96%를 차지하였다. 지역별로 살펴보면 가장 많은 전력을 소비하는 지역은 울산 남구로 산업용 전력이 지역 총 소비 전력량 중 90% 이상을 차지하고 있었다. 시군구별 인구 및 산업 분포에 따라 용도별 전력사용량에 차이가 큰 것을 알 수 있었으며, 특히 산업용 전력의 경우 그 특징이 두드러지게 나타나고 있었다.

이러한 용도별 전력사용량을 기준으로 본 연구에서 산정된 신재생에너지 잠재량으로 전력 에너지 자급이 가능한 지역을 살펴보았다. 그 결과, 230개 시군구 중 102개 지역(44.35%)이 신재생에너지원으로 전력 자급이 가능하였으며, 주택용 전력사용량으로 한정하여 비교할 경우 198개 시군구(86.09%)가 자급이 가능한 것으로 나타났다.