The Korean Society Fishries And Sciences Education

[ Article ]

The Journal of the Korean Society for Fisheries and Marine Sciences Education - Vol. 33, No. 5, pp.1284-1293

ISSN: 1229-8999 (Print) 2288-2049 (Online)

Print publication date 31 Oct 2021

Received 09 Aug 2021 Revised 12 Oct 2021 Accepted 20 Oct 2021

DOI: https://doi.org/10.13000/JFMSE.2021.10.33.5.1284

한국의 재생가능한 에너지원에 대한 에머지 지도 작성

이동주 ; 김한비^* ; 이석모^†

광주과학기술원(연구원)
*부경대학교(연구원)
†부경대학교(교수)

Emergy Mapping of Renewable Energy Sources in Korea

Dong Joo LEE ; Han Bi KIM^* ; Suk Mo LEE^†

Gwangju Institute of Science and Technology(resercher)
*Pukyong National University(resercher)
†Pukyong National University(professor)

Correspondence to: ^†051-629-6541, leesm@pknu.ac.kr

Abstract

Emergy map of renewable energy sources in Korea was made by utilizing the spatial data from the latest satellite-based model to evaluate the emergy of individual energy sources and total renewable empower (emergy per time). Until now, emergy evaluations of nations were limited national total due to its aggregated source data from unevenly distributed weather stations. The sattellite-based spatial data not only improves the accuracy of the measurement but also gives new insight to compare the abundancy of renewable energy spatially. The results showed that the renewable energy with the highest emergy density and quantity was tidal emergy, followed by runoff emergy for density and rain emergy for quantity. These results will contribute to policy development that enables sustainable use of renewable energy sources.

Keywords:

Emergy, Renewable energy, Spatial data, Sustainable use

Ⅰ. 서 론

화석연료의 보유량에 기반을 둔 자유 자본주의의 괄목할 만한 성장은 오늘날 세계의 경이로운 모습 중의 하나이다. 그러나 지난 2세기 동안의 팽창 후 지구의 화석연료가 고갈되면서 경제적 성장은 새로운 단계에 도달하였다. 기업은 이윤 추구를 위하여 공공의 안녕에 대한 기초를 이루고 있는 환경시스템을 고갈시키고 있다. 이로 인해 자연 보호와 경제개발에 대한 갈등은 공공정책 토론과 정치 선거에서 중요성이 점점 증가하고 있으며 특히 환경과 에너지 문제 해결을 위하여 재생가능한 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다(Odum, 1996).

재생가능한 에너지원을 비롯한 자원관리에 있어 실질적인 가치를 평가하는 일은 오랜 과제였으며 오늘날 환경문제는 의사 결정 과정에 있어 반대, 투쟁 그리고 혼란으로 점철되고 있다. 그러나 이러한 갈등은 앞으로는 환경 가치와 경제 가치를 공통의 척도로 나타내는 과학에 근거한 평가 시스템으로 가능할 것으로 기대한다.

에머지 분석법은 자연의 역할 뿐만 아니라 상품과 서비스를 만드는 인간의 역할까지 모두를 에머지라는 한가지의 공통 척도로 측정한다. 에머지의 생산과 이용을 최대로 하기 위한 정책과 결정을 선택하는 것은 실질적인 부는 물론 전체 경제와 공공의 복리를 최대로 하는 선택이므로 에머지는 환경의사 결정의 중요한 척도이기도 하다(Odum et al., 1988).

국내에서 진행된 기존의 에머지 분석 연구에서 태양, 조석, 지열, 바람, 파도, 강수, 하천 등 재생가능한 에너지원을 분석할 경우 각 지역별로 설치된 관측소의 관측값을 평균하여 전체 유입 에머지 값을 계산하였다(Lee and Odum, 1994). 하지만, 관측소의 위치가 인구수, 지형 조건 등의 이유로 균일하게 분포되지 않아 그 값을 이용한 평균 값은 왜곡될 수 있다.

최근 인공위성 관측값에 기반한 공간 데이터를 이용하여 각 에너지원의 지구적 분포와 재생가능한 에머지의 총량을 산정하고 이를 GIS기반의 지도로 나타내는 연구가 진행되었다. 이를 이용하여 지구적 규모의 에머지 가치 평가(Lee and Brown, 2019)가 이루어졌으며 국가별 자연자원의 총량도 비교·분석이 가능하지만 국가 수준의 에머지 공간분포를 연구한 사실은 아직 없다. 따라서 본 연구에서는 대한민국의 영토와 영해를 대상으로 GIS 기반 자료를 사용하여 우리나라의 재생가능한 에너지원별 에머지 유입 분포를 나타내는 지도를 작성하여 재생가능 에너지원의 공간적 분포를 평가하였다.

에머지 지도는 국가는 물론 지역별 에머지 흐름과 밀도를 산정하고 재생가능한 에너지원의 실질적인 가치를 공간적으로 평가할 수 있다. 이러한 결과는 화석연료 고갈에 따른 자원부족을 최소화하기 위하여 재생가능한 생태자원의 보존과 복원 및 생태계 조성의 중요성을 인식하는 계기를 마련하고, 자연자원의 지속가능한 이용에 기여하게 될 것이다.

Ⅱ. 연구 방법

1. 자료 수집과 통합

한국의 재생가능한 에너지원의 공간적 범위는 육역과 12 해리의 해양영역을 경계로 설정하였다. 재생가능한 1차 에너지원은 태양, 지열, 조력 에너지이며, 1차 에너지원에 의하여 바람, 비와 증발산량의 2차 에너지가 생성되고, 2차 에너지원에 의하여 파도, 강우 유출 에너지의 3차 에너지가 생성된다(Brown and Ulgiati, 2016b). 재생가능한 에너지의 분포를 파악하기 위한 자료는 표 1과 같이 지열을 제외하고는 1 arc degree의 셀 크기와 같거나 작은 해상도로 관측된다. 사용 가능한 데이터의 해상도와 계산 능력의 한계를 고려하여 지열을 제외하고 모든 데이터를 1 arc degree 해상도로 통합하였다(<Table 1> 참조).

Sources and specification for spatical datasets

2. 일차 에너지원의 계산

본 연구에서는 Lee and Brown(2019)의 GIS 자료에서 한국의 육역과 12해리 해역을 추출하여 공간별 에너지 수치를 분석하고, 합산하여 에너지원별 전체 에너지값을 계산하였다. Lee and Brown(2019)의 전세계 에너지별 자료 수집과 계산은 다음과 같다.

가. 태양 에너지

NASA 데이터 세트는 지구 수평 복사, 확산 복사, 정상적인 직접 복사 및 위도에 따른 경사 복사 형태의 위성관측에서 유도한 22년(1983년 7월~2005년 6월) 동안의 연간 및 월 평균 태양 복사 데이터를 1 arc degree 해상도로 제공한다. Lee and Brown(2019)은 데이터 세트의 22년 연간 평균 수평 복사 데이터를 사용하여 전 세계 연간 태양 에너지 흡수량 3.7E+24 J/yr을 산출하였으며 전세계 연간 태양 에너지 흡수량을 1 arc degree 셀의 크기로 GIS 상에 지도화하여 표현하였다.

나. 지열 에너지

Davies(2013)는 38,374개의 전 지구의 열 흐름 측정 지점을 기반으로 지구 내부로부터 지표면 전체의 열 흐름양을 44 TW(terawatt)로 추정하는 지구 표면 열 흐름 지도를 개발했다.

Lee and Brown(2019)은 열 유동 에너지는 평균 69%의 카르노 효율을 이용하여 엑서지로 전환하여(지각, 맨틀 및 지구 중심 에너지원에 대한 카르노 효율의 가중 평균에 기초함) 9.5E+20 J/yr의 전세계 지열 에너지를 도출하였다.

다. 조력 에너지

지구상에서 흡수된 조력 에너지는 Topex/Poseidon의 위성 고도계 데이터에 기초한 모델을 사용하여 계산되었다. 모든 조석을 정확하게 측정하거나 모델링할 수 없으므로 전세계 조력 에너지의 약 75%를 차지하며 가장 정확한 모델링이 가능한 M₂분조를 사용하여 전세계 조력 에너지 1.2E+20 J/yr를 산출하였다.

3. 이차 에너지원의 계산

가. 바람 에너지

Brown and Ulgiati(2016a)는 지표면 풍속(0 m/s)과 평균 지균풍 속도의 차이를 이용해 육지와 바다에 흡수되는 풍력의 가용 에너지를 계산하는 절차를 개발했다. 이 절차에 따라 지균풍의 속도를 계산하기 위해서는 풍속과 표면 거칠기 지수가 필요하다. 본 연구에서는 NASA 버전 1 Goddard 지구관측 System(GEOS-1) 위성의 자료를 기반으로 하는 NASA의 지표기상 및 태양 에너지(SSE) 데이터 중 50m 연평균 풍속자료와 NASA의 MODIS 지표면 피복 데이터에 Chandler 등 (2005)의 피복유형별 표면거칠기 지수를 대입하여 구한 표면 거칠기 지수를 사용하여 방정식 2-1에 따라 지균풍 속도를 계산하였다. 또한, 연구범위 내 각 셀 내에서 흡수되는 바람의 에너지를 구하기 위해 방적식 2-2를 사용하였다.

V = V r e f * Z/ Z ref a

(2-1)

V_ref = 기준고도에서의 연평균풍속
Z_ref = 기준고도 = 50 m
Z = 지균풍 속도의 높이 = 1,000 m
a = 표면거칠기 지수

E w i n d = 12 ρ * K GN * V 3 *A*T

(2-2)

ρ = 공기밀도 = 1.23 kg/m³
K_GN = 항력계수 1.26 E-03 (해상), 1.64 E-03 (육지)
A = 각 셀의 면적
T = 시간, 3.15 E+7 sec/year
V = 지균풍 속도

나. 강우 에너지

연평균 강수량 데이터는 WorldClim 버전 2에서 10 arc min 해상도로 수집하였다. 총 강수량은 식물이 사용하는 증발산량(AET)과 지표 유출량으로 나뉘며, 강수량과 증발산량의 차이를 유출량으로 산정하였다. 증발산량 데이터는 국제농업연구 컨소시엄, 공간정보 컨소시엄이 제작한 Global High-Resolution Soil-Water Balance 데이터 세트에서 1950년부터 2000년까지 10 arc min 해상도로 연평균 AET 자료를 이용하여 전세계 강우 에너지를 계산하였다.

다. 강우의 화학적 잠재 에너지

강우의 화학적 잠재 에너지는 화학 반응 중에 방출될 수 있는 에너지이며 깁스 자유 에너지의 일부로 해석될 수 있다. 강우의 담수에 대한 깁스 자유 에너지는 바닷물과 비교하여 빗물의 담수 농도를 이용하여 계산한다. 강수의 평균 총용해고형물(TDS)은 10ppm이기 때문에 담수 농도는 99만9990ppm, 바닷물 농도는 35ppt TDS이므로 담수 농도는 96만5000ppm이다. 깁스 에너지는 다음과 같은 담수 농도를 사용하여 계산한다.

Δ G d = R T / w l n 999,990 / 965,000 = 4.72 J/g

(2-3)

각각의 셀에서 지상식물에 의해 사용된 물의 화학 잠재 에너지는 AET 데이터 세트로부터 얻어진 증발된 물을 이용하고, 해양에서 비의 화학적 잠재력은 강우량 전체를 이용한다. 두 가지 모두 깁스 자유 에너지를 곱한 후, 방정식 2-4를 이용해 각 셀에 사용되는 담수의 화학적 잠재력을 얻는다.

E c h e m = m*G

(2-4)

E_chem = 화학적 잠재 에너지
m = 물의 질량
G = 비의 깁스 자유 에너지

4. 삼차 에너지원의 계산

가. 지표 유출에서의 화학적 잠재 에너지

유출은 강우와 AET의 차이로 각 10 arc min 셀에 대해 계산되었다. 표면 유출은 화학적 잠재 에너지와 위치 에너지를 모두 가지고 있다. 유출의 화학적 잠재 에너지는 방정식 2-3과 2-4에 기초하여 계산되었다. 흐름 경로의 총 화학적 잠재에너지는 각 셀에서 사용된 화학적 잠재 에너지의 합이다.

나. 유출수의 위치 에너지

유출수의 위치 에너지를 계산하기 위해서는 각 셀의 유출량과 높이가 필요하다. 각 셀의 유출량은 강우량과 AET의 차이와 ArcGIS의 유량 축적 함수로 계산되었다. 유로의 각 셀과 그 인접 셀의 높이 차이를 구한 다음 방정식 2-5를 사용하며 위치 에너지는 흐름 경로의 각 셀에 대해 계산되었다.

흐름 경로를 따라 각 셀에서 사용된 위치 에너지는 경로의 총 위치 에너지를 얻기 위해 합산하였다.

E g e o p o t e n t i a l = m * g * h

(2-5)

m = 축적된 물의 질량
g = 중력 (9.8 m/s²)
h = 인접 셀에 대한 표고 차이

다. 파도 에너지

한국의 파도 에너지는 Brown and Ulgiati(2016b)의 파도 에너지 계산식에 따라 계산한다. 해안선 길이는 1 arc degree 셀 당 거리인 16.67km를 대입하고, 해수의 밀도와 중력가속도는 국제 표준값인 1.03E+3 kg/m³과 9.8m/sec²을 사용한다. 파고는 국립해양조사원에서 관리하는 해양부이의 위치에 따라 지점별로 2019년도 유의파고 값을 평균하여 계산하였으며, 수심 또한 해양부이의 위치별로 국립해양조사원의 해양공간정보 위성자료에 기반하여 1 arc degree의 해상도로 계산하였다.

Energy = shore length * seawater density * wave height² * gravity * wave velocity
wave velocity = ( gravity * depth)^½

5. 단위 에머지(UEVs)

본 연구에서 사용된 단위 에머지 값은 Lee and Brown(2019)의 글로벌 1차 에너지의 총합(12.0E+24 sej/yr)에 기초한다. 1차 에너지원의 태양 당량비(SERs)는 Brown and Ulgiati(2016a)에 의하여 계산하였다. 지구에서 흡수된 태양열 에너지는 1 seJ/J의 SER을 가지고 있으며, 한국 에머지 기준에 기초하여 지열 에너지와 조력 에너지의 SER은 각각 4,900 seJ/J와 30,900 seJ/J이다. 2차 및 3차 재생가능한 에너지의 단위 에머지 값은 위에서 설명한 대로 공간 범위에서 도출된 가용 에너지를 사용하여 계산하였다.

바람에 대한 지구 평균 UEV는 지구 에머지 기준선(GEB; 12.0E+24 sej/yr)을 풍력 에너지로 나누어 계산하였다. 지상 비의 UEV는 GEB를 지상 강우량의 에너지로 나누는 Odum(2000)의 방법에 따라 계산되었다. 실제 증발산(AET)의 UEV는 Odum(2000)의 방법에 따라 강우의 UEV와 동일하다고 가정하였다. 유출수의 화학적 잠재 에너지의 UEV는 강우량과 증발산량의 차이가 유출량이라고 가정하여 계산되었다. 따라서 유출수를 생성시키는 에머지는 증발산되지 않은 부분이므로 UEV는 유출의 에머지를 총 화학적 잠재 에너지로 나누어 계산하였다. 유출수 위치 에너지의 UEV는 유출수의 화학적 잠재 에너지와 같은 방식으로 유출수를 유발하는 에머지(강우량 에머지 - AET 에머지)를 적용범위의 각 셀에서 위치 에너지의 합으로 나누어 계산하였다. 파도 UEV는 지구의 연간 총 파도 에너지가 바람 에너지에 의한 작용임을 바탕으로 바람 에머지의 값과 곱하여 계산하였다(<Table 2> 참조).

Renewable exergy, global SERs and emergy of the geobiosphere (Lee and Brown, 2019)

6. 에머지 계산

각 에너지원별 에머지는 다음과 같이 에너지량(J)에 단위 에머지(sej/J)를 곱하여 산정한다. 한국의 에너지원 별 에머지는 육역과 12해리 영역의 모든 격자 에너지 값을 더한 후 Solar Transformity를 곱하여 산정하였다.

Emergy(solar emjour, sej) = energy(J) * Solar Transfomity(sej/J)

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 에너지원별 에머지 흐름 밀도

위성 관측 값을 바탕으로 한국의 1 arc도 셀의 개별 에너지원 자료를 GIS프로그램을 이용하여 지도화함으로써 구역별 국내 재생가능한 에너지 유입량을 보기 쉽게 이해할 수 있고, 구체화된 수치를 확인할 수 있다.

가. 1차 에너지원

12 해리의 해양 영역과 국토 면적의 공간적 범위 내에서 단위 면적당 에머지 측정값의 최고치는 세 가지 일차 에너지원 중 서해안의 조력 에너지가 가장 크게 나타났다. 서해 중부는 인천의 23.6E+11 sej/m2/yr에서 당진의 1.79E+11 sej/m2/yr 범위로 남쪽으로 갈수룩 내만으로 갈수록 조석 에머지의 밀도가 낮아짐을 알 수 있다. 서해 남부는 군산의 4.19E+11 sej/m2/yr에서 해남의 3.07E+11 sej/m2/yr 범위이었으며 남쪽으로 갈수록 조석 에머지의 밀도가 낮아짐을 알 수 있다. 동해안의 경우에는 해안의 가파른 지형적 영향으로 인해 파도 에너지가 높게 산정되었고, 지열 에너지도 산맥이 있는 동쪽이 비교적 높은 수치로 관측되었다. 태양 에너지는 가장 밀도가 낮으며 지역별 차이도 크지 않았다. 한국의 실정에서 가장 에머지 밀도가 높은 재생 가능한 에너지원은 서해안의 조력 에너지임을 알 수 있다.

나. 2차 에너지원

2차 에너지원은 바람과 강우 그리고 강우의 증발산양으로 강우와 증발산양의 에머지 밀도가 높게 나타났으며 1차 에너지원인 조석의 밀도와 같은 수준이었다. 바람의 에머지 밀도는 강우보다는 낮지만 1차 에너지원인 태양과 지열보다는 높게 나타났으며 한반도의 서쪽보다는 동쪽이 높게 산정되었다.

다. 3차 에너지원

주요 하천인 한강, 낙동강, 금강, 섬진강의 상류에는 위치 에머지 밀도가 하구에는 화학적 잠재 에머지의 밀도가 상당히 높게 관측된다. 전체적으로 화학적 잠재 에너지보다는 위치 에너지가 다소 높음을 알 수 있다. 파도 에머지의 밀도는 바람과 유사한 수준이었으며 동해안에서 높게 산정되었다.

Emergy density of renewable energy sources in Korea

2. 에너지원별 에머지 계산

Lee and Brown(2019) 방식으로 산출한 Transformity를 이용하여 산정한 한국의 에너지원별 에머지는 <Table 4>와 같다. 기존 연구(Lee and Odum, 1994)의 1차 에너지원인 태양, 9.47E+20 J/yr, 지열, 9.93E+16 J/yr, 조석, 2.54E+17 J/yr과 2차 에너지원인 바람, 1.63E+17 J/yr과 비교해 볼 때 각 격자의 값을 합산한 이번 연구의 에너지 측정치가 관측소 평균값을 이용한 기존 연구보다 높게 나타났으며 강수, 2.18E+18 J/yr의 경우는 오히려 낮게 나타났다. 이러한 현상은 전체 격자를 합산한 이번 연구가 기상 예보와 재해방지를 위한 관측소의 값을 평균한 지역 불균형을 다소 해결한 것으로 판단된다. 한국의 에너지원별로 합산한 전체 에머지는 1차 에너지원으로서 조석 에머지가 1.82E+22 sej/yr로 가장 높게 산정되었고 2차 에너지원은 강수 에머지가 1.37E+22 sej/yr로 가장 높게 산정되었다. 이러한 결과는 한국의 지속가능한 재생가능 에너지원은 밀도나 총량으로 볼 때 조석과 강수임을 알 수 있으며 이의 지속가능한 이용을 위한 보존과 복원 정책이 필요함을 알 수 있다.

[Fig. 1]

GIS analysis of Primary Emergy.

[Fig. 2]

GIS analysis of Secondary Emergy.

[Fig. 3]

GIS analysis of Tertiary Emergy.

Emergy of renewable energy sources in Korea

Ⅳ. 결 론

GIS 기반의 인공위성 자료를 이용하여 한국의 재생가능 에너지원에 대한 에머지 지도를 작성하였다. 기존의 관측소 자료를 평균하여 산정할 경우 발생되는 오차를 보완하였고 공간분석이 가능해진 점이 본 연구의 가장 특징이다. 관측소의 관측값을 평균하여 에머지를 계산하던 방식은 지역별 설치 위치와 개수에 따라 지역 불균형을 초래하였으나, 위성 자료를 활용하여 해상도를 높임으로써 에너지 측정의 지역 오차를 해결한 것으로 해석할 수 있다.

여섯 가지 재생가능한 에너지원에 대한 에머지 밀도와 한국 전체의 에머지에 대한 실질적인 가치를 평가한 결과 1차 에너지원인 조석 에머지와 2차 에너지원인 강우 에머지가 가장 크게 기여하고 있으며 공간적으로는 서해안의 조석과 주요 하천의 유출 에머지의 기여가 가장 큰 것으로 나타났다. 이러한 결과는 에머지 밀도가 낮은 현재의 태양광과 풍력을 이용한 대체 에너지개발 정책보다는 에머지 밀도가 높은 조석 에너지와 하구의 담수 에너지를 지속적으로 이용할 수 있는 정책의 개발이 필요함을 의미한다. 또한, 그동안 방조제와 매립을 통해 사라진 갯벌에 대하여 시화호와 같이 해수유통을 통한 조력 발전과 갯벌 복원을 동시에 얻을 수 있는 생태복원 정책이 필요하다.

또한, GIS 기반의 공간 분석을 통해 거시적인 관점에서 자원의 가치를 파악하여 재생가능 자원의 지속가능한 이용을 가능하게 함으로써 미래의 생태사회를 준비하는 국가와 지역의 정책개발을 위한 자료로 활용되기를 기대한다.

Acknowledgments

이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비(2019년)에 의해 연구되었음.

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<Table 1>