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학술/기술기사

Water for Future

Water-Energy-Food Nexus 기술이란?

1. 서론

전 세계적으로 현재, 약 11억에 달하는 인구가

물 부족에 시달리고, 13억의 인구가 현대 에너지

의 혜택을 받지 못하고 있으며, 10억에 달하는 인

구는 여전히 굶주림에 고통 받고 있다. 그러나, 세

계 인구는 여전히 증가추세를 유지하고 있으며 이

는 전 지구적인 물(Water), 에너지(Energy), 식량

(Food) 자원의 부족현상을 가중시킨다. 또한, 부

존자원의 고갈과 기후 변화로 인한 가용수자원의

감소 현상이 나타나면서 자원의 효율적인 관리 및

활용에 대한 관심이 점차 높아지게 되었다.

지금까지는 통상 물, 에너지, 식량을 별개의 자

원으로 관리하고 사용해 왔으나, 최근 들어 세

자원간의 상호 연계성이 부각되고 있다. 즉, 어

느 한 자원의 수요/공급량의 변화가 나머지 자

원에 미치는 영향을 분석하여 세 가지 자원을 통

합, 관리할 수 있는 물-에너지-식량 연계해석

(Water-Energy-Food Nexus, 이하 W-E-F

Nexus) 기법에 대한 필요성이 제기되었다. Bonn

Conference(2011)를 기점으로, 세계 각국의 연구

기관에서는 W-E-F Nexus 기술에 대한 개념을

정립하고, 각 자원간의 데이터베이스를 연계·통

합하여 관리하려는 움직임을 보이고 있으며, 일부

W-E-F Nexus 기술을 선도하는 국가 및 기관에

서는 W-E-F Nexus Model & Tool을 개발하여

도입하는 과정을 거치고 있다. 모형을 이용하여

인구증가, 기후변화, 자원고갈 등의 시나리오를

대상으로 물, 에너지, 식량 자원의 수요 및 공급이

어떻게 변화될 것인지를 예측하고, 정책 또는 대

체 기술 도입을 통해 발생 가능한 자원 부족 현상

을 대응하고 완화시킬 수 있는 의사결정시스템을

개발하는 것이 W-E-F Nexus 기술 개발의 목적

이라고 할 수 있다.

정 기 문 ●●●

경희대학교 사회기반시스템공학과 석·박사 통합과정gimoon1118@gmail.com

Albert Wicaksono ●●●

경희대학교 사회기반시스템공학과박사과정albert.wcso@gmail.com

강 두 선 ●●●

경희대학교 사회기반시스템공학과교수doosunkang@gmail.com

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Water for Future

2. W-E-F Nexus 기술의 정의와 필요성

2.1 W-E-F Nexus 기술의 정의

연계(Nexus)라는 용어의 사전적 의미는 “상

호 유대, 연계 혹은 관계”를 의미한다. 따라서,

W-E-F Nexus 기술이란, 인류가 필요로 하는 여

러 가지 자원 중, 물(Water), 에너지(Energy), 식

량(Food) 자원의 연계성을 파악하고, 자원을 효

율적으로 이용하기 위한 통합 관리 기술을 의미한

다. 예를 들어, 물과 에너지 자원간의 연계를 설명

하자면, 에너지를 생산하기 위하여 냉각수, 플랜

트 설비 운용 등의 목적으로 물 자원이 소모되며,

반대로 용수를 처리하고 수요지로 공급하기 위해

서는 에너지가 소모된다. 한편, 식량을 재배, 생

산, 공급하기 위해서는 물과 에너지 자원이 소모

되고, 반대로 작물을 이용해서 에너지를 생산(바

이오연료 등) 하는 경우도 존재한다. 이렇게 각각

의 자원을 생산, 공급함에 있어서 다른 자원들이

밀접하게 연관되어 있음을 알 수 있다. 따라서, 실

제로 각각의 자원을 생산, 공급하기까지 소모되는

타 자원의 현황을 정량화하여 파악할 수 있다면,

세 가지 자원의 생산, 공급, 소비를 한눈에 분석하

여 효율적인 관리가 가능할 것이다. 이러한 해석

결과를 통해 국가별, 지역별 정책 시나리오, 그리

고 더 나아가서 전 지구적인 자원의 이용 및 분배

전략을 결정하기 위한 기초 자료로 활용하여 각각

의 자원을 효율적으로 관리할 수 있도록 한다.

2.2 W-E-F Nexus 기술의 필요성

최근 들어, 급격한 도시화, 산업화 및 인구

증가에 따라 자원의 사용량이 증가하면서 자

원부족에 대한 우려의 목소리가 높아지고 있

다. 이에 따라, Stanford Woods Institute for

the Environment, Bill Lane Center for the

American West, Water Resources Research

Center of the University of Arizona 등 일부 국

가 및 연구기관에서는 세 자원의 연계해석을 통한

통합 관리 기술을 개발하려는 움직임이 나타나고

있다. 이러한 통합 연계해석 기술개발의 배경으로

는 최근 대두되고 있는 인구증가, 자원고갈, 도시

화, 기후변화 등의 전 지구적 문제가 대표적이라

고 할 수 있다. 아래에서는 이들 각각의 문제점과

W-E-F Nexus를 통한 이들 문제점의 해결 가능

성에 대해 서술하였다.

1) 인구증가

세계 인구는 지속적으로 증가하고 있으나 사용

가능한 자원은 한정되어 있어, 수요자의 부담이

가중되고 있다. US Dept. of Energy는 1980년부

터 2010년에 걸쳐, 세계 인구가 45억 명에서 68

억 명 가까이 증가 했으며, 이와 함께 1980년 대비

전기에너지 사용량은 약 2.6배, 원유 사용량은 약

1.4배, 석탄 연료 사용량은 약 2배 증가 하였다고

보고하였다. 이러한 에너지 자원 뿐만 아니라 같

은 기간 물 사용량 역시 약 1.4배가량 증가한 것으

로 조사 되었고, 인구 증가 추세가 지속됨에 따라

상대적인 자원 부족량 역시 계속해서 증가할 전망

이므로, 자원의 낭비를 막고, 이용 효율을 증대시

키기 위한 방안이 필요하다.

2) 도시화

인구의 증가뿐만 아니라 대부분의 인구가 도시

지역에 주거하기 시작한 것 역시 자원 사용량 변

화에 큰 영향을 미친다. 과거에는 자원의 생산과

소비가 비교적 근거리에서 이루어졌다면, 현재

는 자원의 생산지와 수요지가 점차 명확히 구분

되어 지면서, 운반과 공급에 소모되는 자원의 사

용량이 증가하였다. 또한, 도시인구의 생활수준

이 향상되면서 동일 인구 대비 물, 에너지, 식량

자원의 사용량 역시 증가하게 되었다. FAO(Food

and Agriculture Organization of the United

Nations)는 인구 증가와 함께 도시지역에 거주하

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는 인구의 비율이 점차 증가해 왔으며, 도시화 현

상이 앞으로도 지속될 것으로 분석했다. 이러한

도시화 현상은 각 자원의 단순 이용량 증가뿐만

아니라 각 자원을 이용하기 위해 다른 자원을 간

접적으로 소비하는 간접 이용량의 증가를 야기하

기 때문에 자원 통합 관리 기술의 필요성을 대변

하는 사회적 현상이라고 할 수 있다.

3) 자원고갈

현대 인류가 주 에너지 자원으로 사용하는 화석

연료는 그 매장량이 한정되어 있기 때문에 이미

오래전부터 이러한 자원고갈에 대비해야 한다는

주장이 제기되어 왔다. 또한, 전 세계적으로 다양

한 지역에서 기후적, 경제적, 환경적인 요인으로

인해 물 부족현상이 발생하고 있다. UN 및 여러

환경단체에서 경고하듯이, 확장되어가는 물 부족

지역과 이용 가능한 수자원량의 감소 또한 에너지

자원 고갈과 함께 주요 자원에 대한 체계적인 관

리의 필요성을 역설하는 요인으로 볼 수 있다. 에

너지 자원의 고갈 및 물 부족 현상은 인구 증가와

더불어 세계 식량 부족 현상을 야기하고 있다. [그

림 1]은 비교적 인구밀도가 높은 아시아, 아프리

카, 남아메리카 대륙에서 이미 식량부족 현상이

심각하게 발생하고 있음을 나타내며, 이러한 기근

발생 지역이 물 부족 지역과 밀접한 연관성이 있

음을 알 수 있다.

그림 1. 세계 물 부족 및 기아 현황 (UN, 2011-2012)

4) 기후변화

현대화에 따른 이산화탄소 발생량의 급격

한 증가로 인해 기후변화가 뚜렷하게 발생

하고 있다. 세계 기후변화 시나리오(COP15,

COPENHAGEN)에 의하면, 지구온난화로 인한

이상 고온 현상이 지속적으로 나타나고 있으며,

극한 홍수 및 가뭄, 사막화 등의 재난 발생 빈도가

전 세계적으로 증가하고 있는 것으로 조사되었다.

또한, 이상기후 보고서(국토교통부, 환경부, 기상

청, 국립환경과학원 등, 2014)에 의하면 국내의 경

우 장마 시기가 늦춰지고, 증가 추세를 보이던 연

강수량이 급격히 평년에 못 미치는 강수량을 기록

하는 등의 뚜렷한 이상 기후가 발생했다고 분석했

다. 즉, 강우량, 강우강도, 빈도, 지속기간 등 현재

수문량 산정의 주요 지표로 활용되고 있는 다양한

요인들이 변화하고 있으며, 극단적인 기후현상이

더 잦은 빈도로 발생하게 되면서 수자원의 확보

및 효율적인 활용이 더욱 어려워지게 되었다. 기

후 변화에 의한 가용 수자원의 감소는 각 자원간

의 상호 관계에 의해 에너지 및 식량 부족 문제를

초래한다.

위에서 살펴본 네 가지 요인은 수많은 문제점

중에서 특히 파급효과가 클 것으로 예상되는 대표

적인 것들을 언급한 것으로, 결과적으로 이들 요

인들로 인해 물, 에너지, 식량 자원이 부족해질 것

이라는 예측으로 수렴한다. 따라서, W-E-F 연계

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해석을 통해 자원의 통합 관리 시스템을 구축하여

다양한 자원부족 시나리오에 대비할 필요가 있다.

3. W-E-F 자원간의 연계성

3.1 자원 연계성의 구체화

W-E-F 자원간의 연계성을 구체적으로 구분

한다면, 식량 자원과 에너지 자원의 생산 및 처리

를 위한 물 자원, 물 자원과 식량 자원의 생산 및

공급을 위한 에너지 자원, 그리고 에너지 생산을

위한 식량 자원 등 6가지 방향의 Activity로 구분

할 수 있다([그림 2] 참조). 앞서 언급한 Pumping

Energy의 경우 물 자원의 공급을 위한 에너지 자

원의 사용으로 볼 수 있으며, 식량을 생산하거나

운반하기 위해 소모되는 에너지 사용량을 식량 자

원을 위한 에너지 자원의 사용으로 볼 수 있다. 실

제로, 단위 물 자원을 생산, 공급하기 위해 소모되

는 에너지 자원의 양을 뜻하는 Energy Intensity

(Unit : kWh/ton), 반대로 단위 에너지 자원을 생

산하기 위해 소모되는 물 자원을 뜻하는 Water

Intensity (Unit : ton/kWh) 등의 지표가 이러한

자원 간의 상호 연관성을 정량적으로 나타낸다.

그림 2. 국내·외 자원 간 상호 연관성 (출처: 에너지경제연구원, 2014)

3.2 각 자원의 수요와 공급 형태 분류

W-E-F Nexus에서, 자원의 연계성은 크게 수

요(사용)와 공급(확보)의 두 가지 형태로 구분할 수

있으며, 더 나아가 자원의 수요는 직접적인 수요와

간접적인 수요로 구분할 수 있다. 물, 에너지, 식량

자원을 이용자가 직접적으로 소비하였거나, Bio-

Energy처럼 타 자원의 양적 확보에 사용된 경우를

자원의 직접 수요로 분류하였고, 물 자원을 수요지

까지 공급하기 위해 전기에너지를 소모하거나, 생

산지의 식량을 수요지까지 수송하기 위해 연료를

소모하는 것과 같이 타 자원의 이용에 필수적이지

만 양적 확보에는 영향을 주지 않는 경우를 간접

수요로 분류하였다. [그림 3]은 W-E-F 자원의 확

보와 직·간접 수요로 분류되는 형태 중의 일부를

세분화하여 나타내고 있다. 여기서 파란색의 수요

영향선 중 점선은 간접적인 수요를 의미하고, 실선

은 직접적인 수요를 의미한다.

4. 시나리오 적용에 따른 W-E-F 자원의

지속가능성 예측

W-E-F Nexus 기술의 필요성에서 언급되었던

4가지 주요 문제점은 곧 W-E-F 자원의 지속가

능성을 검토하기 위한 시나리오로 활용할 수 있으

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그림 3. 자원의 다양한 수요와 공급 형태

그림 4. 시나리오에 따른 자원의 공급, 수요 영향 및 지속가능성 판단

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며, 각 시나리오 별로 자원의 확보와 사용 중 어떤

형태에 지배적인 영향을 미치는지 간단히 분류할

수 있다. 예를 들어, 인구증가, 도시화로 인한 자

원의 지속가능성 저하 문제는 W-E-F 자원의 사

용량을 증대시키는 시나리오이므로 곧 자원의 사

용에 영향을 미치는 배경으로 볼 수 있다. 반대로,

자원고갈로 인한 자원의 지속가능성 저하 문제는

W-E-F 자원의 확보 가능량을 감소시키는 시나

리오 상황이므로 자원의 확보에 영향을 미치는 배

경이다. 마지막으로, 기후변화는 다양한 환경적

인 영향으로 자원의 확보에 영향을 미칠 수도 있

고, 인간의 생활패턴을 변화시킬 수 있기 때문에

자원의 사용에 영향을 미칠 수도 있으므로 자원의

지속가능성 예측에 있어서, 특히 주목해야 할 시

나리오이다. [그림 4]는 앞서 언급한 자원 별 수요

와 공급 형태를 각 자원의 수요와 공급에 대해 할

당하여 자원 사용의 지속 가능성을 판단하는 과정

을 간단히 표현한 모식도이다. 자원의 공급과 수

요 활동에 유효한 시나리오 별로 자원의 공급량과

수요량을 정량화한 후, 이를 비교하여 해당 자원

의 공급량이 수요량보다 큰 경우 자원의 지속가능

성이 안정적이라고 판단하고, 해당 자원의 수요량

이 공급량보다 큰 경우 자원의 지속가능성이 불안

정적인 것으로 판단할 수 있다.

5. 결론

W-E-F Nexus 기술은 기후변화, 인구증가, 자

원고갈, 도시화 등으로 인해 발생하는 물, 에너지,

식량 자원의 부족 문제를 해결할 수 있는 방안의

하나로써, 여러 국가 및 연구기관에서 다양한 연

구가 진행되고 있다. 오늘날, W-E-F Nexus 기

술의 발전 방향으로 고려되고 있는 기능적인 요소

는 다음과 같다.

• W-E-F 연계해석을 통한 평가 대상지역 내부

의 자원 이용효율 평가

• 자원 생산-분배 계획의 최적화를 통한 자원 이

용효율 극대화

• 시나리오 기반 시뮬레이션을 통한 자원 수급상

황 변동에 따른 사회-경제적 영향 평가

• 주요 정책 결정을 위한 기초자료 제공 및 의사

결정 지원 시스템 개발

최근 두드러진 연구 성과에도 불구하고,

W-E-F Nexus 기술은 아직 걸음마 단계로써 향

후 연구가 진행됨에 따라 적용범위는 더욱 넓어

질 것으로 기대한다. 우리나라는 자연자원이 부

족하고 국토면적이 작아 자원의 해외의존도가 높

다. 그에 반해 인구밀도는 높고, 고령화 및 도시화

가 빠르게 진행되고 있어 자원의 생산은 줄고, 소

비는 늘어나는 자원부족 현상이 심화될 것으로 우

려된다. 따라서, 물-에너지-식량 자원의 통합적

연계해석을 통한 국가차원의 효율적 자원안보 확

보 및 자원분야 신규시장 발굴을 위해 W-E-F

Nexus 관련 기술 개발을 서둘러야 할 것이다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 물관리사업의 연구비지원

(14AWMP-B082564-01)에 의해 수행되었습니다.

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Water for Future

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