에너지효율화가 산업부문 에너지전환을 이끈다

에너지효율화가 산업부문 에너지전환을 이끈다

대학생신재생에너지기자단 17기 이명현 단원

 

   2019년 8월 국회예산정책처가 발표한 ‘2018 회계연도 결산 총괄분석’과 이에 대한 산업부의 언론 보도 해명자료에 따르면, 하루 24시간 1년 365일 가동을 가정할 때의 발전설비 이용률은 2013년 태양광 11.8%, 풍력 22.5%에서 2017년 태양광 13.8%, 풍력 21.7%로 소폭 증가하거나 감소하였고, 준공 및 가동 시점을 고려하더라도 2017년 태양광 16.0%, 풍력 22.1%, 2018년 태양광 15.3%, 풍력 22.3%의 이용률을 기록하였으며, 부생가스(2013년 27.9%, 2017년 71.8%)에 비해 이용률의 증가폭이 작았다. 태양광, 풍력의 발전설비 이용률이 15~20% 수준에 머무르고 있다는 것은 설비 보급으로 태양광, 풍력의 발전 가능량은 증가했지만, 기상조건 등으로 실제 발전량은 크게 늘어나지 않았다는 뜻이다.

   일부 언론 보도대로 이것이 정부의 에너지전환 정책에 대한 적신호라고 단정 지을 수 있을까? 재생에너지 비중을 늘리기 위해 발전효율을 높여 공급 안정성을 강화해야 한다는 지적은 많지만, 발전효율만이 공급 안정성을 결정짓는 유일한 변인은 아니다. 에너지효율화가 어떻게 전력 공급을 안정화하고, 궁극적으로 에너지전환에 기여할 수 있는지 알아봤다.

 

신재생에너지의 산업부문 공급지장효과

   재생에너지 발전 전력 공급 안정화 방안으로 ESS(에너지저장시스템)와 DR(수요반응)이 논의되어 왔지만 DR은 주로 즉각적인 전력 소비량 조절이 용이한 가정부문에 해당된다. 한편 에너지경제연구원의 2019년 에너지통계연보에 따르면 가정부문은 2018년 우리나라 최종에너지 소비(2억3274만TOE)의 17.8%를 차지하며, 산업부문이 61.4%로 가장 많은 비중을 차지하고, 산업부문의 최종에너지 소비량은 2010년부터 2018년 사이 연평균 증가율 2.6%로 꾸준히 증가하고 있다. 이는 관점은 다르지만 같은 의미의 두 가지 질문으로 이어진다. 첫째, 재생에너지 비중 확대에서 에너지 소비자로서 산업부문의 역할이 가장 중요하지 않은가? 둘째, 재생에너지 공급 변동으로 가장 큰 피해를 입는 것은 산업부문이 아닌가?

   경제학자 레온티예프(Wassily Leontief, 1936)와 고쉬(A. Ghosh, 1958)가 고안한 산업연관분석(Input-output analysis)과 한국은행이 매년 작성해 발표하는 '산업연관표'를 활용해 에너지산업의 '공급지장효과', 즉 개별 에너지산업 1원의 공급지장으로 인한 경제 전체의 생산 차질액을 구할 수 있다. 여기서 산업연관표란 한 산업의 산출물이 다른 산업에 중간재로 투입되는 물량을 금액 단위로 기록한 행렬표다. 임슬예, 박소연, 유승훈(2014)은 2012년 산업연관표에서 신재생에너지와 수력부문을 통합했을 때 공급지장효과가 1.6314원이라고 분석했고, 강지은, 이중호, 박중구(2017)는 2014년 산업연관표에서 화력의 공급지장효과가 1.5966원, 신재생에너지의 공급지장효과가 1.7860원이라고 분석했다. 현재 한국은행 경제통계시스템에서 33개 통합대분류와 381개 기본부문이 모두 공개된 2017년 산업연관표를 이용하여 화력, 원자력, 신재생에너지가 국내 산업에 미치는 공급지장효과를 직접 분석했다. 공급지장효과를 구하는 공식과 분석 결과는 다음과 같다.

 

산출계수 = j산업에 투입된 i산업의 산출물 / i산업 총산출

 

j산업 총산출 = ∑(산출계수 × i산업 총산출) + 부가가치

 

전체산업 산출 변화분 = i산업 산출계수 행벡터 × i산업 산출 변화분 × 산출역행렬

(i산업 산출계수 행벡터에서 i산업의 원소는 제거되며, 산출역행렬에서 i산업의 행과 열은 제거되는데 이것이 i산업의 '외생화' 과정이다.)

 

[자료1. 2017년 화력, 원자력, 신재생에너지의 공급지장효과]

원자료 출처: 한국은행 경제통계시스템

 

   신재생에너지 1원의 공급 지장이 초래하는 경제 전체의 생산 차질액은 2017년 약 1.6570원으로, 이는 화력(1.6204원)보다 크고 원자력(1.6716원)보다 작다. 강지은, 이중호, 박중구(2017)는 2014년 산업연관표에서 신재생에너지가 화력보다 공급지장효과가 크게 나타난 이유를 예비율의 차이로 분석했다. 기상조건에 발전량이 좌우되는 특성 때문에 신재생에너지의 공급 지장이 발생할 가능성이 다른 발전원보다 높다는 점을 고려할 때, 충분한 예비율을 확보하지 않는 이상 신재생에너지가 초래하는 실질적인 생산 차질액은 다른 발전원에 비해 클 수 있다.

   한편 공급지장효과를 계산하는 공식을 살펴보면 또 다른 변인이 공급 지장에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 바로 에너지산업 산출계수의 ‘분자’인데, 이는 에너지산업의 총 산출 중 얼마만큼이 개별 산업에 투입되는지를 나타낸다. 화력, 원자력, 신재생에너지의 공급지장효과는 화학제품 1위, 전문, 과학 및 기술 서비스 2위, 1차 금속제품 3위 순으로 높았는데, 이들은 소위 ‘에너지 집약산업’에 해당하며 에너지산업 산출계수 역시 전문, 과학 및 기술 서비스 1위, 화학제품 2위, 1차 금속제품 3위로 가장 높았다. 반면 공급지장효과가 가장 작은 기타 부문은 에너지산업 산출계수 역시 가장 작았다. 이를 산업 전반에 적용하면, 총 에너지 중 산업부문의 소비량이 적을수록 산출계수가 작아지며 공급지장효과가 작아질 것이라고 예상할 수 있다. 2017년 화력, 원자력, 신재생에너지의 산출계수 행벡터 원소의 합계는 각각 약 0.86으로, 이는 화력, 원자력, 신재생에너지의 약 86%가 (공공부문을 포함한) 국내 산업활동에 투입된다는 것을 의미한다. 이 86% 중에서 화학제품과 1차 금속 제품이 19~20%를 차지한다. (산업 활동에 중간재로 투입되지 않는 나머지는 최종재로 민간이 소비하거나 수출된다.)

 

재생에너지 보급에 있어서 에너지효율화의 역할

   국제재생에너지기구(IRENA)가 파리협정 온실가스 감축 방안의 일환으로 2017년에 발표한 “재생에너지와 에너지 효 율화의 시너지효과(Synergies between renewable energy and energy efficiency)” 에 따르면 재생에너지 보급과 에너지 효율화 사이에는 시너지효과가 있으며, 이는 에너지전환과 에너지 효율화라는 두 가지 목표의 달성률을 높이고 에너지 시스템 비용과 부정적 외부효과(Externalities)로 인한 비용을 감소시킨다.

   국제재생에너지기구 연구진들은 G20 국가 중 에너지 소비량이 가장 많은 중국, 독일, 인도, 일본, 미국을 대상으로 기준연도인 2010년도 에너지 정책에 재생에너지 확대 정책, 에너지 효율화 정책 둘 중 하나만 추가적으로 시행하는 경우와, 두 가지 정책을 통합적으로 추가 시행하는 경우 예상되는 2030년 재생에너지 보급 비율과 에너지 효율 개선율을 비교했다. 그 결과 두 가지 정책을 통합적으로 시행하는 경우 개별 정책의 목표 달성률이 눈에 띄게 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 재생에너지는 에너지효율화에, 에너지효율화는 재생에너지 비중 확대에 기여한다는 것이다. 통합 정책 시나리오에서 2010년과 2030년 사이 최종에너지 소비(TFEC) 대비 재생에너지 비중 증가에 대한 에너지효율화의 기여율은 미국 26%, 독일 32%, 중국 34%, 일본과 인도는 36%이며, 1차에너지 공급(TPES) 대비 재생에너지 비중 증가에 대한 에너지효율화의 기여율은 선진국인 미국은 31%, 개발도상국인 인도는 48%에 달한다.

 

[자료3. 정책 시나리오별 2030년 최종에너지소비에서 재생에너지 비중]

출처: 국제재생에너지기구(IRENA)

 

   그래프 범례의 ‘에너지효율화1(EE, energy efficiency)’는 산업부문 기기 교체 및 히트펌프 도입, 발전 부문 석탄에서 가스로의 연료 전환, 건물부문 발광 다이오드(LED) 전등 확대, 건물 외벽 강화 등 에너지효율개선 핵심항목 10가지만을 반영하며, ‘에너지효율화2(TECH Case)’는 경제 전반의 잠재적인 에너지효율 개선 가능치를 탑다운(Top-down approach) 방식으로 예측한 결과다. 인도는 2010년도 정책을 유지할 때 2010년에 비해 2030년 재생에너지 비중이 감소하는데, 이는 개발도상국으로서 산업 성장과 함께 화석연료 소비량이 큰 폭으로 증가하기 때문이다.

   에너지 효율화가 재생에너지 비중을 높이는 메커니즘은 두 가지로 구분된다. 첫째, 에너지 효율화 기술 중 일부는 재생에너지 기술과 교집합을 형성한다. 에너지효율화의 주요 수단으로 채택되는 에너지 소비의 전력화(Electrification), 히트펌프, 전기자동차 등은 석탄, 보일러, 내연기관차보다 높은 에너지효율을 달성하는 동시에 해당 분야에 재생에너지의 도입을 가능하게 한다. 예를 들어 가스 보일러의 4~5배 효율을 자랑하는 히트펌프는 압축기로 열에너지를 저온부에서 고온부로 전달하여 냉방과 난방을 공급하는데, 이때 공기열, 지열, 수열 등 재생에너지를 열원으로 이용한다. 또한 내연기관차의 2~3배의 연료 효율을 지닌 전기자동차의 확대는 석유를 재생에너지 발전 전력으로 대체할 수 있게 해준다.

 

[자료4. 히트펌프 개념도]

출처: 대한설비공학회

 

   둘째, 에너지효율화로 최종에너지 소비량이 감소하면 재생에너지 설비를 추가로 도입하지 않아도 여유 전력을 확보할 수 있고, 재생에너지로 최종에너지 소비의 보다 많은 비중을 충당할 수 있다. 산업 생산공정 내 작업 유체들을 온류(Hot stream)와 냉류(Cold stream)로 구분하고 최적 지점에 열 교환기를 설치해 외부에서 투입해야 하는 에너지를 최소화하는 열 통합(Process and heat integration)이 여기에 해당된다(이재효·안재성, 1999). 연구에서 제외된 전환교통정책(Modal shift: 트럭 대신 철도, 오토바이 대신 자전거 이용률을 높이는 정책), 도시의 지역난방(District heating) 등을 추가로 고려하면 에너지 효율화는 재생에너지 소비 및 발전 비중을 늘리는 데에 상당한 역할을 할 수 있다고 볼 수 있다.

   한편 국제에너지기구(IEA)는 태양의 광량이나 바람의 역학적 에너지가 아닌 태양광과 풍력으로 생산된 전력을 태양광과 풍력의 1차 에너지로 간주하는데, 이는 태양광과 풍력의 통계상의 변환효율(Conversion efficiency)이 100%라는 뜻이다. 반면에 지열, 태양열 및 원자력에는 10~33%의 변환효율을 적용하는데, 이는 재생에너지 확대가 에너지 효율화에 기여하는 이유 중 하나다.

   국제재생에너지기구에 따르면 에너지 효율화는 재생에너지 설비의 규모의 경제를 위축시키고 전통에너지는 물론 재생에너지에 대한 수요마저 줄일 수 있으며, 재생에너지 확대로 에너지 효율이 높아지면 에너지 효율화 목표가 하향 조정될 가능성이 있다. 따라서 에너지 효율화와 재생에너지가 서로를 상쇄하지 않고 시너지효과를 내기 위해서는 두 정책을 통합적으로 계획해야 한다.

 

에너지원단위 결정요인

   공급 지장 효과에 대한 분석과 IRENA의 보고서를 종합하여 에너지 효율화가 신재생에너지 수요에 영향을 미치는 경로를 다음과 같이 도출해볼 수 있다.

 

에너지효율화 → 에너지소비 감소 → 재생에너지 공급안정화 → 재생에너지 수요 증가

 

   이는 양방향으로 해석될 수 있다. 에너지 효율화는 에너지의 공급, 발전 및 소비에서 재생에너지 비중의 추가적인 증대를 가능케 하고, 반대로 에너지 효율의 정체나 악화는 재생에너지 비중을 늘리기 위한 보조금이나 발전효율 향상의 노력을 상쇄할 수 있는 것이다. 에너지 효율화는 재생에너지 비중을 변화시키는 부가적인 경로가 아니라 오히려 근본적이고 핵심적인 경로일 수도 있다.

   에너지원단위란 에너지 효율을 측정하는 지표로, ‘에너지 집약도(Energy intensity)’라고도 하며 1단위의 부가가치를 생산하기 위해 투입되는 에너지의 양으로 정의된다. 에너지원단위는 에너지 사용량을 부가가치 생산량으로 나누어 구하며, 에너지원단위가 높다는 것은 1단위 부가가치를 생산하기 위해 많은 에너지를 소모한다는 것을 의미한다. 따라서 에너지효율화의 목표는 에너지원단위를 낮추는 것이라고 할 수 있다.

 

[자료5. 주요국 제조업 에너지원단위 추이]

출처: 국제에너지기구(IEA)

 

   에너지원단위의 결정요인(Determinants)을 찾기 위해 국내외에서 많은 연구가 수행되었다. Cao와 Karplus(2014)는 중국 800개 기업에 대한 2005~2009년 데이터로 전력 가격 상승, 임금 하락, 자본재 가격 상승, 기업 규모 증가가 에너지원단위를 낮춘다(=에너지효율을 높인다)고 분석했다. Sahu와 Mehta(2018)는 인도 기업에 대한 2000~2014년 5,436개 관측치로 자본집약도 하락, 노동집약도 상승, 원자재 비중 증가, R&D(연구개발) 투자 증가, 수리비 감소, 석탄 대비 천연가스 사용량 증가가 에너지원단위를 낮춘다고 분석했다.

   국내에서는 정용훈(2012)이 국내 234,393개 사업체에 대한 1990~1999년 관측치로 자본집약도 하락, 전력 사용 비중 상승이 에너지원단위를 낮춘다고 분석했다. 이규환과 전봉걸(2016)은 국내 기업에 대한 2000~2012년 670,812개 관측치로 자본집약도 하락과 설비투자 증가가 에너지원단위를 낮추며, 종사자 수로 나타낸 기업 규모에 따른 에너지원단위 변화는 U자 형태를 지니는 것을 확인했다. 즉 에너지원단위는 기업 규모가 증가함에 따라 감소하다가 특정 시점(연구 표본에서 종사자 수 약 1,662명) 이후 증가한다는 것이다.

   석탄 대비 천연가스 사용량의 증가와 전력 사용비중의 증가(Electrification)가 에너지원단위를 낮춘다는 연구결과는 앞서 소개한 국제재생에너지기구 보고서의 에너지 효율화 수단으로 등장했던 내용이다. 또한 연구결과들은 공통적으로 자본집약도가 낮을 때, R&D, 설비투자 등 기술 개발이 이루어질 때 에너지 효율이 높아진다는 분석을 제시하고 있다. 산업구조적인 조건 이외에 기업들이 에너지 효율화를 위해 선택할 수 있는 방안들은 이처럼 다양하다. 기업이 경영목표로 이윤 극대화 뿐만 아니라 에너지 효율화를 고려하도록 장려하는 정책이 필요한 이유다.

 

기업을 위한 에너지효율 개선책

   2019년 8월 21일 산업통상자원부가 경제활력대책회의에서 발표한 “에너지효율 혁신전략”에 따르면 독일, 미국, 일본은 기업이 자발적으로 에너지효율을 높이도록 장려하는 인센티브 기반의 정책을 시행하고 있다. 독일은 정부와 산업계가 에너지원단위 개선목표(연간 약 1.3%)를 설정하고 목표를 달성한 기업에 에너지세를 90% 감면해 준다. 미국은 정부가 기업과 에너지원단위 개선 파트너쉽을 체결하고 우수기업을 홍보한다. 일본은 기업에 연간 1% 원단위 개선 혹은 업종 내 비교가 가능한 벤치마크 지표 개선 의무를 부과하고, 우수사업자에게 절약시설 투자 세제혜택을 제공한다.

   독일, 미국, 일본은 2000년부터 2017년 사이에 GDP는 증가하고 1차에너지 소비는 감소하는 탈동조화(Decoupling)에 성공한 국가들이다. 해당 기간 동안 이들 국가에서 GDP 1단위에 투입되는 에너지양으로 표현된 에너지원단위가 획기적으로 감소한 것이다. 반면 한국의 에너지원단위는 2017년 0.159TOE(석유환산톤)/1,000$로 OECD 35개국 중 33위 수준이며, 2010년 이후 개선율이 둔화되고 있다.

 

[자료6. 주요국 에너지 소비 지수 추세]

출처: 에너지경제연구원

 

   한국에너지공단의 ‘2018년도 에너지사용량 통계’에 따르면 연간 2천TOE 이상의 에너지를 사용하는 산업부문 2,919개 신고업체의 에너지 사용량은 102,718천TOE로, 국내 최종에너지 소비(237,930천TOE)의 43%를 차지했다. 산업부문 에너지 사용량을 용도별로 분류했을 때 금속(38.3%), 에너지산업(27.8%), 화공(24.5%)이 가장 많은 비중을 차지했다.

   산업부문 신고업체 중에서 에너지사용량이 2만TOE 미만인 사업체는 81.3%(2,373개)인데, 이들은 신고업체 에너지사용량의 단 6.7%(6,899천TOE)만을 소비했다. 반면 에너지 사용량이 10만TOE 이상인 사업체는 5.5%(162개)인데 이들은 신고업체 에너지 사용량의 85.8%(88,181천TOE)를 소비하여, 산업부문에서 에너지 사용량이 소수 사업체에 치우쳐 있음을 알 수 있다. 기업 규모에 따른 사업체 수와 에너지 사용량을 비교했을 때 산업부문에서는 신고업체의 16.4%를 차지하는 대기업이 신고업체 에너지 사용량의 71.0%를 소비하는 것으로 드러나, 에너지 다소비 대기업에 초점을 둔 에너지 효율화 인센티브 정책이 필요할 것으로 보인다.

 

[자료7. 기업규모별 사업체 수 및 에너지사용량 비중]

출처: 한국에너지공단

 

   2019년 8월 30일 에너지경제연구원 세미나에서 소진영 선임연구위원(에너지수요관리연구팀)은 에너지 효율향상을 위한 투자비용 부담과 투자회수 불확실성, 사후관리 역량 부족 등으로 산업부문에서 에너지 효율화가 자발적으로 확산되는 데에는 한계가 있기에 인센티브 기반의 에너지원단위 관리제도가 필요하다고 설명했다. 우리나라는 향후 산업부문에 자발적 에너지 효율 목표제를 도입하여 목표 달성시 제도적, 경제적 인센티브를 제공하고, 공장 에너지관리시스템(FEMS)의 도입을 지원할 예정이다. 또한 건물부문은 건물 효율 평가체계를 확립하고 고효율 가전제품 보급 지원체계를 강화하며, 수송부문은 차량 연비 기준을 강화하고 지능형 교통시스템 인프라를 구축할 예정이다.

 

에필로그: 재생에너지 발전 ‘비중’의 재해석

   국제재생에너지기구(IRENA)의 2017년 ‘재생에너지와 에너지 효율화의 시너지효과’ 보고서에는 도시의 고밀도 에너지 수요(High density of energy demand in cities)는 동일한 에너지 생산을 위해 보다 넓은 면적을 필요로 하는 저밀도의 재생에너지 공급(Low energy density)으로 충당하기에 한계가 있으며 재생에너지 비중 확대를 위해 도시지역 에너지 절감이 필요하다고 명시되어 있다.

   2017년 12월 우리나라 정부가 2030년까지 재생에너지 발전 비중을 20%로 높인다는 ‘재생에너지 3020 이행계획’을 발표한 이후 지금까지 재생에너지 정책은 주로 설비 보급과 전력 공급 측면에서 논의되어 왔다. 재생에너지 발전 비중의 ‘분모’에 영향을 미치는 에너지 소비를 줄이는 것보다는 ‘분자’를 늘리는 것에 집중해왔던 것이다. 그러나 지금처럼 늘어나는 에너지 소비에 재생에너지 공급을 맞추는 것은 불가능할지도 모른다. 재생에너지 발전비중을 확대하는 데 있어 재생에너지 공급을 늘리는 동시에 에너지 절약, 섹터 커플링(Sector coupling) 등 에너지효율화를 통해 분모인 총 에너지 발전량을 줄이기 위한 노력을 함께 해야 하지 않을까?

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참고문헌

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4. 박성룡, “히트펌프기술동향 및 전망”, 설비저널, 39(6), 4-13, 2010.06.

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(http://www.korea.kr/news/pressReleaseView.do?newsId=156345195&call_from=naver_news)

6. 소진영, “에너지수급 현황과 에너지효율 정책 방향”, 에너지경제연구원 개원 33주년 기념 세미나, 2019.08.30.
(http://www.keei.re.kr/keei/download/seminar/190830/DI190830_c02.pdf)

7. 송명규, “[신년기획] 재생E 3020 3년차 어디까지 왔나”, 투데이에너지, 2019.01.03.
(http://www.todayenergy.kr/news/articleView.html?idxno=210193)

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