[논문이야기] 건축물 별 월간 전기/가스 사용량 예측:결합확률분포 모델 기반 예측 ①

대내외 경제 불확실성으로 올겨울 에너지 관련 원자재 가격 급등은 ‘예견’된 가운데, 전문가들은 지금부터라도 겨울철 에너지 사용량을 정확하게 예측하는 한편, 에너지 절약을 위한 대응 방안을 마련해야 한다고 당부했다. 그러나 정작 업계에서는 기존 에너지 사용량 추정에 사용됐던 방법론에 대해 의문을 제기하는 분위기다. 해당 연구들의 방법론이 현실을 제대로 대변하지 못한다는 이유에서다.

그렇다면 어떻게 정확하게 에너지 사용량을 예측할 수 있을까? 또한 정확하게 예측된 에너지 사용량은 이외에도 어떤 파급효과를 불러올 수 있을까? 이번 [논문 이야기]에서는 ‘결합확률분포’ 모델을 기반으로 보다 현실적으로 에너지 사용량을 예측할 수 있는 통계적 방법론을 대중들에게 쉽게 풀어보고자 한다.

러시아의 천연가스 ‘옥죄기’에 전 세계는 원자재 수급 비상사태

지난 8월 11일 미국 시카고상품거래소(CME)에 따르면 2일 유럽 LNG 현물가격이 MMBtu당 62.5달러까지 치솟은 것으로 집계됐다. 이는 지난 해 동월 8~10달러 대비 6~7배 높은 수준이며, 올해 3월 역대 최고가를 갱신한 63달러에 거의 근접한 수치다.

전문가들은 유럽 LNG 가격이 급등한 이유를 러시아의 천연가스 공급량 ‘옥죄기’에서 비롯됐다고 보는 분위기다. 러・우 전쟁이 한창인 가운데 미국을 비롯한 서방이 원자재 수입에 루블화 대금 지불을 거부하는 등 러시아를 압박하면서, 이에 대응하기 위해 러시아 또한 천연가스 공급을 현저하게 줄였다는 것이다.

실제 러시아는 루블화로 대금지급을 거부한 불가리아, 폴란드, 네덜란드, 필란드, 라트비아, 덴마크에 천연가스 공급을 일절 중단했고, 지난달 말에는 최대 수요처인 독일의 노드스트림1 가스관의 공급량도 20% 수준으로 대폭 낮췄다. 이에 따라 천연가스 수급이 부족해진 유럽은 대체재인 글로벌 LNG 현물을 모두 끌어당기면서 동북아 LNG 현물가도 지난 7월 27일 50달러를 기록하는 등 크게 오르게 됐다.

LNG 공급난에 ‘기름’을 붓는 격으로 6월 기준 1500만 톤의 LNG를 수출하는 미국 최대 규모 수출기지인 프리포트LNG에서 폭발사고가 발생해 연말까지 가동이 제한된 데다, 세계 1위 LNG 수출국인 호주는 원자재 가격 안정을 명목으로 천연가스 수출 제한을 검토하면서 업계에서는 올 하반기 원자재 수급의 ‘암흑기’가 도래할 것이라고 보고 있다.

문제는 위 언급한 지정학적 배경으로 인해 우리나라도 원자재 수급에 엄청난 타격을 받고 있다는 것이다. 천연가스 수요가 적은 여름・가을철에 벌써 LNG 현물가격이 사상 최고 수준에 근접하고 있는 실정이며, 난방 수요가 발생하는 겨울철의 LNG 가격은 상상하기도 어려울 정도로 오를 것이라는게 업계에서의 공통된 의견이다.

‘예견된’ 에너지 대란, 후폭풍 피하기 위해서는 지금부터 대비해야

이처럼 ‘예견된’ 에너지 대란에, 전문가들은 겨울철 LNG 현물가격이 올 3월 역대 최고치를 기록한 MMBtu당 63달러를 넘어 100달러 이상을 훌쩍 넘길 가능성을 점치며, 우리나라 또한 지금부터 겨울철 에너지 사용량을 정확하게 예측하고, 에너지절약을 통한 자원 비축에 나서야 한다고 지적했다. 그렇다면, 우리나라에서 에너지 사용량은 어떻게 추정되고 있으며, 얼마나 정확하게 추정되고 있을까. 이를 이해하기 위해 먼저 우리나라의 전기・가스 소비가 어떻게 이뤄지고 있는지 살펴보자.

전기와 가스 소비는 일반 가정 뿐만 아니라 업무시설, 상업시설 등의 비주거용 건물들에서도 마찬가지로 다양한 형태로 이뤄진다. 특히 비주거용 건물들 내 에너지 사용량은 건물의 용도에 따라 상당한 차이를 보인다. 실제 한국에너지공단 신재생에너지센터가 발표한 ‘용도별 단위에너지사용량[kWh/y]'(아래 표)에 따르면, 각 건물의 용도별로 에너지 사용량의 편차가 상당 부분 존재하는 것을 확인할 수 있다.

아울러 아래 표의 ‘단위 면적 당 에너지 사용량의 평균값’을 활용해 1년 간 특정 건물이 사용할 에너지 총량의 추정값을 구해볼 수 있다. 이는 아래 표에서 용도에 맞는 연간 평균적 사용량 수치를 대상 건물의 연면적에 곱하는 방식으로 계산된다. 이를테면 연면적이 1,000 제곱미터인 업무시설의 연간 에너지 사용량의 추정치는 371,660 kWh이 되는 것이다.

광범위하게 활용되는 에너지 사용량 추정치

이러한 개별 건물의 에너지 사용량 추정치는 광범위하게 사용될 수 있다. 앞서 살펴봤듯 에너지 원자재 가격이 최고치를 달성할 것이라는 전망이 지배적인 현 시점에서, ‘비싼’ 에너지가 낭비되지 않고 효율적으로 분배될 수 있도록 하는데 에너지 사용량 추정치가 활용될 수 있다.

또한 위 통계자료를 공개한 한국에너지공단은 해당 자료를 공공건축물의 신재생에너지 의무량 산정에 적극 활용하고 있다. 예컨대 어떤 신축/증축 예정 공공건물에 신재생에너지를 도입해 일정량의 에너지를 자체 생산할 계획이라고 하자. 만약 신재생에너지의 생산량이 많은지 부족한지를 판단하기 위해서는 해당 건물의 예상 에너지 사용량과 비교해야하는데, 이 때 위 통계자료를 이용해 해당 건물의 예상 에너지 사용량을 추정하고 그 추정치 대비 상대비율로 신재생에너지 생산량을 판단한다.

아울러 건물 에너지 사용량 추정치의 용도는 개별 건물에 국한되지 않고 구역/지역 단위로 확장될 수도 있다. 도시 내 특정 구역 내 대규모의 건물 신/증축 혹은 특정 지역 내 신도시 건설 계획이 추진된다고 하자. 해당 계획대로 건물들이 건설되면 지역적 에너지 수요도 증가할 것이다.

그러나 위 자료를 이용한 추정은 종속변수를 에너지 사용량, 독립변수를 연면적으로 하는 단변량 회귀분석(one-variable regression)에 불과하다는 단점이 있다. 다시 말해 건물의 에너지 사용량은 각 건물 내의 냉난방 및 공조시설, 건축 재질 및 구조, 단열 상태 등의 다양한 요소가 복합적으로 영향을 미치기 때문에, 이를 ‘연면적’이라는 하나의 변수로만 설명하는 것은 그 정확도를 담보하기 어렵다는 것이다.

그러므로 에너지 관련 업무를 담당하는 정부 부처 및 공기업에서는 해당 신/증축 건물들로 인한 에너지 수요 증가가 어느 정도일지를 가능한 한 정확히 추정해야 한다. 그래야 에너지원 수급, 에너지 생산 및 수송 설비 투자 등에 관한 효율적 의사결정이 가능하기 때문이다. 이러한 추정을 위해서 개별 건물의 에너지 사용량 추정 모델이 필요함은 자명하다.

[논문이야기] 건축물 별 월간 전기/가스 사용량 예측:결합확률분포 모델 기반 예측 ②로 이어집니다.