다중 에너지 시스템에서 시간 가변 CO₂ 강도와 저장 고려 방법

본 논문은 재생에너지 비중이 급격히 증가하고 에너지 부문 간 연계(섹터 커플링)와 대규모 저장 설비가 도입되는 현대 에너지 시스템에서, 전통적인 연간 평균 CO₂ 강도 방식이 갖는 한계를 극복하고 시간·형태별 정확한 배출 강도를 산정하기 위한 두 가지 새로운 방법론을 제시한다. 1. 연구 배경 및 필요성 - 파리 협정 이행을 위한 CO₂ 감축 목표와 2030년까지 재생에너지 비중 확대 정책을 언급하며, 전력·열·가스 등 다중 에너지 형태가 상호 연계되는 복합 시스템이 필수적임을 강조한다. - 기존 연구는 주로 전력 부문에 국한되거나 연간 평균 배출 계수를 사용해, 재생에너지의 변동성, 저장 설비의 시간적 탈동조화, 부문 간 배출 전이 등을 반영하지 못한다는 점을 지적한다. 2. 모델링 프레임워크 - 에너지 형태를 ‘commodity(코모디티)’라 하고, 변환·저장·수입·수요 과정을 ‘conversion process(컨버전 프로세스)’라 정의한다. - 각 프로세스는 시간 t에서 입력 에너지 E_in(cp, co, t)와 출력 에너지 E_out(cp, co′, t)를 갖으며, 저장 프로세스는 내부 상태 변수 S_L(cp, t)로 에너지 저장량을 추적한다. - CO₂ 흐름 M_out, M_in, M_stor 등을 에너지 흐름과 연계해 선형 방정식 형태로 기술한다(식 1a~1g). 3. ‘as‑is’ 분석 방법 - 실제 운전 데이터 혹은 최적화된 에너지 흐름을 그대로 사용해, 각 변환 설비·저장 설비에 귀속되는 CO₂ 배출량을 계산한다. - 출력 에너지별 CO₂ 강도 I_as‑is(co, t)는 해당 설비의 총 CO₂ 배출을 해당 출력 에너지량으로 나눈 값이며, 저장 설비는 이전 시점의 CO₂ 강도와 방출 효율을 곱해 현재 방출량을 산정한다. - 모든 에너지 형태를 동등하게 취급하는 가정(출력 비율에 따라 배출을 균등 분배)으로, 복합열·전(Combined Heat and Power, CHP) 설비 등 다중 출력 시스템에서도 일관된 배출 할당이 가능하도록 설계한다. 4. ‘what‑if’ 분석 방법 - 디지털 트윈(LP 기반 최적화 모델)을 활용해, 특정 시간·형태의 수요 변화를 무한소 ε만큼 증가시켰을 때 전체 시스템이 재조정되는 과정을 민감도 분석으로 도출한다. - LP의 목적함수(운영 비용)와 제약조건에 대한 수요 변수의 편미분값을 구함으로써, 해당 수요 변화가 전체 CO₂ 배출에 미치는 한계 효과(마진 배출 계수)를 직접 계산한다. - 저장 설비가 충전·방전 시점에 따라 배출 책임이 어떻게 전이되는지를 정량화할 수 있으며, 별도의 재시뮬레이션 없이 기존 최적화 결과에서 바로 파생 가능해 계산 효율성이 높다. 5. 시뮬레이션 사례 - **사례 1: 소규모 다중 부문 모델** - 전력, 열, 가스 3부문과 배터리·열 저장을 포함한 시스템을 구축하고, 시간 해상도는 1시간으로 설정하였다. - ‘as‑is’ 결과는 재생전력(풍·태양) 충전 시점에 저장의 CO₂ 강도가 낮아지며, 방전 시점에는 이전에 저장된 낮은 강도가 그대로 적용돼 시간별 강도 변동이 크게 나타난다. - ‘what‑if’ 민감도는 전력 수요 1 % 증가가 주로 풍력에 의해 충당되어 마진 CO₂가 거의 0에 가깝지만, 동일 비율의 열 수요 증가는 가스 보일러 가동을 촉발해 높은 마진 CO₂를 초래한다는 차이를 보여준다. - **사례 2: 국가 수준 섹터 커플링 모델** - 전력·열·가스·수소 4부문을 포함하고, 대규모 배터리·수소 저장을 모델링하였다. - 저장 규모를 확대하면 전체 평균 CO₂ 강도가 크게 감소하지만, ‘what‑if’ 분석은 저장이 충분히 충전된 경우 추가 수요에 대한 배출 증가가 거의 없음을 시사한다. 즉, 저장이 마진 배출을 완화하는 “완충 역할”을 수행한다는 점을 정량화하였다. 6. 논의 및 시사점 - ‘as‑is’ 강도는 현재 시스템 운영 상태에서 각 에너지 형태가 차지하는 배출 비중을 파악하는 데 유용하며, 정책 입안자가 현재 구조의 탄소 발자국을 평가하고, 특정 형태의 에너지 사용 억제 목표를 설정하는 데 활용될 수 있다. - ‘what‑if’ 강도는 수요 변화에 대한 한계 배출 효과를 직접 제공하므로, 새로운 설비 투자, 탄소세·배출권 가격 설계, 부문 연계 전략 등 marginal emission 기반 의사결정에 적합하다. - 두 방법을 병행하면 “현재 배출 구조”와 “수요 변화에 대한 배출 반응”을 구분해 각각에 맞는 전략을 수립할 수 있다. 특히, 저장 설비가 큰 비중을 차지하는 시스템에서는 ‘what‑if’ 분석을 통해 저장이 마진 배출을 어떻게 완화하는지 명확히 파악함으로써, 저장 투자 타당성을 보다 정밀하게 평가할 수 있다. 7. 결론 - 논문은 다중 에너지 시스템에서 시간·형태별 CO₂ 강도를 정확히 산정하기 위한 두 가지 새로운 방법론을 제시하고, 선형계획 기반 디지털 트윈에 적용 가능한 수식과 계산 절차를 제공한다. - 실증 사례를 통해 두 방법이 서로 다른 정보를 제공함을 확인했으며, 정책·산업계가 시스템 전반의 탄소 배출을 효과적으로 관리하기 위해서는 두 접근법을 상황에 맞게 선택·조합해야 함을 강조한다.