대기, 기후, 에너지 정책의 공편익을 분석한 다수의 선행 연구에서 공편익의 개념은 연구자에 따라 다양하게 정의되고 있다(표 1 참조). Kim (2019)과 Kim and Choi(2017)는 공편익을 하나의 목표를 가진 정책 혹은 방안이 다른 목표에 미칠 수 있는 긍정적 효과로 정의하였다. Karlsson et al. (2020)은 공편익의 차원을 상승효과(synergy)의 방향성에 따라 기후정책의 타분야 공편익, 타정책의 기후 관련 공편익, 다중 목표를 가진 정책 간 시너지효과로 구분한다. 이와 유사한 접근으로 Mayrhofer and Gupta (2016)는 공편익을 하나의 정책 수단으로 두 가지 이상의 목표를 이루는 win-win 전략으로 정의하고 기후변화 관련 공편익을 정책의 우선순위와 기대효과에 따라 세 가지 유형으로 구분하였다. 기후 공편익(climate co-benefit)은 기후변화와 직접적 관련이 없는 정책 시행의 부수적 이익으로 기후변화 대응(온실가스 감축 및 기후변화 적응) 효과가 나타난 유형이며, 개발 공편익(development co-benefit)은 기후변화 대응 과정에서 사회·경제에 기여하는 유형을 의미한다. 두 개의 유형은 기후변화 대응정책과 다른 부문의 정책 중 무엇을 우선순위로 두었는지에 따라 구분된다. 세 번째 유형은 기후변화 대응과 다른 부문의 목표를 동시에 고려하여 정책을 수립 및 시행함에 따라 발생하는 상보적 공편익(climate and other goal co-benefit)이다. 정책의 우선순위 없이 두 가지 이상의 목표를 동시에 달성하고자 하는 유형으로 상호작용에 따라 발생하는 시너지효과를 추구한다.

한편, Deng et al. (2018)은 공편익을 특정 정책 수단에 의해 다른 분야에 미친 긍정적 영향만이 아니라 부정적 영향을 포괄하는 개념으로 정의하였다. 보다 구체적으로 Bollen et al. (2009)은 기후변화 완화정책의 공편익을 3가지 창(windows)으로 분석할 수 있으며, 분석 시 정책 간 길항효과(trade-off)와 공동 비용(co-cost)을 고려할 필요가 있다고 제시한다(그림 1 참조). 첫 번째 유형은 기후변화 완화 정책의 편익(온실가스 감축에 따른 편익과 다른 정책에의 부수적 편익)과 비용을 고려하는 유형이며, 두 번째 유형은 다른 정책의 편익(다른 부문의 정책에 따른 편익과 온실가스 감축의 부수적 편익)과 비용을 반영하는 유형이다. 세 번째는 기후변화 완화정책과 다른 정책의 외부효과를 모두 고려하여 통합적으로 접근하는 유형으로 세 번째 유형으로 공편익 분석 시, 최적의 정책 수단을 탐색할 수 있다고 제시한다.

Fig. 1. 
Three windows in the analysis of co-effects.

본 연구에서는 공편익을 특정 분야의 정책이 다른 분야에 미친 긍정적 및 부정적 영향으로 정의한다. 또한, Bollen et al. (2009)이 제시한 공편익에 대한 접근 방식 중 첫 번째 유형인 기후변화 온실가스 감축정책에 따른 편익과 다른 정책에의 부수적 편익과 비용에 초점을 맞추어 대기·기후·에너지의 공편익을 검토한다.

대기·기후·에너지 공편익에 대한 연구를 수행한 국외 연구로 Deng et al. (2017)은 온실가스 감축으로 인한 대기오염, 생태계, 경제, 건강 등의 공편익을 주제로 한 출판물(학술논문, 발표논문, 서평 등)에 대한 서지분석을 진행하고 분석 결과에 기반하여 활발한 연구가 필요한 분야를 제시하였다. 이와 유사하게 Karlsson et al. (2020)은 기후정책을 중심으로 타분야의 공편익을 분석한 선행 연구를 종합 분석한 후 학문 분야 간 연계를 통한 다양한 공편익 연구가 필요하며, 이와 같은 연구 결과를 정책입안 시 반영할 수 있는 정책 프로세스를 구축할 필요가 있음을 제언하였다. 한편, 정량적 연구로 Rao et al. (2016)은 6개의 통합평가모형(IAM)을 활용한 다모형 비교연구를 통해, 기후변화 대응 시나리오에 따른 PM_2.5 노출 감소 효과를 평가하였다. 연구에서 기후정책과 대기오염 저감 정책이 상호보완적으로 작용할 수 있다는 측면에서, SDGs 달성을 위한 정책 통합의 필요성을 강조한다. Zhang et al.(2017)은 CMAQ 모델을 기반으로 국내외 온실가스 감축이 미국의 대기질에 미치는 영향을 분석하였다. 분석 결과 2050년 기준으로 미국 내 PM_2.5 및 오존 관련 조기 사망 회피에 따른 경제적 편익은 온실가스 감축의 한계비용을 상회하는 것으로 나타났다. Vandyck et al.(2020)은 기후정책 공편익의 정량화를 위해 다중모형(Multi-model) 시뮬레이션을 진행하였다. 기후정책 강도가 높아질수록 온실가스 1톤당 한계 공편익은 감소할 수 있으나, 대기질 공편익의 총 가치는 증가한다는 결과를 도출하였다. Rauner et al. (2020)은 REMIND, GAINS, TM5-FAST를 결합한 모델을 기반으로 기후변화 대응 시나리오에 따른 에너지원별 소비 변화와 대기오염물질 배출량 및 오염도 감소에 의한 건강 영향을 분석하였다. 분석 결과 대기질 규제 수준을 강화하였을 때 나타나는 조기 사망 감소효과보다 기후정책 수준을 강화했을 때 나타나는 조기 사망 감소효과가 더 크게 나타나며, 강한 기후정책은 대기정책에 큰 시너지효과를 보인다고 제시하였다. Rafaj et al. (2021)은 AIM/CGE, IMAGE, MESSAGE, REMIND, WITCH 모델을 기반으로 파리협정의 1.5°C, 2°C 목표 경로 달성에 따른 주요 대기오염물질의 배출량 변화와 대기오염 농도 변화에 따른 조기 사망률의 변화를 정량적으로 분석하였다. 분석 결과 기후정책과 높은 강도의 대기정책이 동시에 진행되어 강한 시너지효과를 발휘할 때만 조기 사망자 수가 감소하는 경향이 나타난다고 제시하였다.

국내 연구로 Chae et al.(2018)은 기후·대기·에너지 정책의 연계·통합을 위한 법제 개선 방향으로 기후·대기·에너지 계획 간 역할과 위상 명료화, 하위정책 수준에서 대기 및 에너지 통합 정책 수립 등을 제시하였다. Chae et al.(2010, 2009)은 기후변화 대응 정책으로 인한 온실가스 및 대기오염물질의 비용 대비 저감 효과를 분석하였고 동시감축을 위한 비용효과적인 정책으로 대중교통 이용 확대, 경차 보급, 산업부문 연료 전환(B-C유 → LNG), 저NO_x 보일러 보급 등을 제시하였다. 또한 Chae (2010)은 서울특별시의 NO_x, PM₁₀, CO₂의 동시저감을 가능하게 하는 수단의 비용효과 분석 결과로 CNG 버스 운영, 산업부문 연료전환(B-C유 → LNG) 등이 효과적임을 제시하였고 대기질 관리 및 계획과 온실가스 감축정책을 통합적으로 실시할 때 낮은 비용으로 큰 감축효과가 나타난다는 점을 강조하였다. Kim and Choi(2017)는 경기도를 대상으로 대기오염물질·온실가스 동시저감 사업의 사회적 편익과 투자 비용을 비교 분석하였다. 대기 정책의 시행으로 인한 대기오염물질 배출량 감소의 연 편익에 추가하여 부수되는 CO₂ 삭감량에 따른 사회적 편익을 추가하면 연평균 약 7%의 편익이 증가하는 것으로 나타났다. 세부 사업별로 전기차 보급, 집단에너지 보급, 수소연료전지차 보급, 민수용 무연탄 청정연료 전환 등이 CO₂ 삭감에 따른 사회적 편익을 크게 증가시켰다. Kim et al.(2020)은 한국의 기후변화 완화 정책이 2050년까지 대기질 개선과 공중보건에 미치는 공편익을 평가하기 위해 AIM/CGE, CMAQ/WRF 모델과 건강영향평가 모델을 활용하여 연구를 수행하였다. 분석 결과 SSP2, SSP3 시나리오에서 조기 사망 감소, 의료비 절감, 노동 손실 감소 등으로 인한 공편익이 완화 비용을 상회하는 것으로 나타났다. Phillips and Jung (2021)은 한국의 전력 생산 부문에서 연료전환을 통한 대기오염(PM_2.5) 감소와 기후변화 완화의 공편익을 분석하기 위해 LEAP-IBC 모델을 활용한 시나리오 분석을 수행하였다. 분석 결과 원자력 발전 용량 최대화에 따른 연평균 조기 사망 감소와 온실가스 감축효과가 비용 대비 가장 큰 것으로 나타났다. Jang et al. (2024)은 GUIDE 모델을 활용하여 한국의 기후 및 대기질 정책이 2030년까지 온실가스와 대기오염물질에 미치는 영향을 분석하였다. 분석 결과 에너지, 산업 연소, 도로 수송부문의 SO_x, NO_x, PM_2.5, VOC 감소가 두드러지게 나타났다. Choi et al. (2022)은 2030 국가 온실가스 감축목표(NDC) 상향안의 감축 수단별 목표를 달성한다는 가정하에 2030년 탄소중립 계획이 이행되지 않았을 경우 대비 온실가스, 미세먼지 및 전구물질의 배출량과 농도 개선 효과를 부문별로 분석하였다. 대부분의 부문에서 온실가스 감축에 대기오염물질이 동시감축되는 효과를 보였으나 석탄발전의 LNG 발전으로의 대체로 다소 NH₃가 증가될 것으로 전망하였고 시멘트 산업의 경우 원료 대체의 대기오염 영향에 대한 배출량 변화 수준은 불확실하다고 제시한다. 후속 연구로 진행된 Choi et al. (2023)에서는 대기환경정책의 오염물질 감축 수단 중 2030 국가 온실가스 감축목표(NDC) 상향안과 중복되는 수단을 제외한 정책수단이 2030년 온실가스 배출량에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 다수의 대기환경정책 수단은 온실가스 감축에 긍정적으로 기여하나, 산업부문의 경우 온실가스 감축효과가 미미하고 수송부문의 건설기계 배출허용기준 강화정책, 건설기계 저공해 조치 정책 등은 온실가스 감축효과가 없음을 제시하였다.

선행 연구 검토 결과 정책 간 통합관리 기반 마련을 위해 법·제도 개선 방향을 제시하거나, 대부분의 연구에서 온실가스 감축정책 및 대기 관리정책 중 상승효과(synergy)가 나타날 것으로 예상되는 정책 수단을 중심으로 직접배출의 범위에서 온실가스 및 대기오염물질 저감 편익을 분석하는 것으로 나타났다(표 2 참조). 이는 기존에 대기·기후·에너지의 공편익에 대한 정량적 연구가 다수 진행되었으나, 이들 간의 상호 영향 관계를 심도 있게 고찰한 결과를 토대로, 종합적으로 공편익 효과를 분석하는 것에는 한계가 있었음을 시사한다. 또한, 국외 선행 연구에서 기후정책과 대기오염관리 정책의 기존 연구 동향을 기반으로 추가 연구가 필요한 연구 영역을 제시한 연구는 확인할 수 있었으나 우리나라에서 실제 연구가 필요한 공편익 연구 분야를 제시한 연구는 제한적이었다. 이에 본 연구는 대기·기후·에너지 상호관계에 대한 개념적 모형을 개발하고 개념적 모형에 기반하여 우리나라 탄소중립 전략의 대기 정책에 대한 직접배출 및 LCA 차원에서의 공편익을 정성적으로 분석한다. 또한, 분석 결과를 기반으로 대기·기후·에너지 통합관리를 위해 향후 연구가 필요한 분야를 제시한다.

본 연구는 대기·기후·에너지 상호작용에 초점을 맞추어 한국의 탄소중립 전략에서 제시된 수단의 대기질 관리 정책에 대한 공편익을 분석하고 대기·기후·에너지 정책의 통합관리를 위해 향후 연구가 필요한 사항을 종합적으로 제시하고자 한다. 이에 검토한 대기·기후·에너지 정책의 공편익에 대한 선행 연구와 Anenberg et al.(2019), von Schneidemesser and Monks (2013)이 제시한 대기·기후·에너지의 상호작용 프레임워크를 기반으로 개념적 연구모형을 개발하였다.

대기·기후·에너지는 배출(emission), 확산(dispersion), 영향(impact)의 모든 단계에서 상호 밀접한 관련성을 가진다(그림 2 참조). 에너지를 생산 또는 연소하는 과정에서 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄)과 같은 온실가스와 황산화물(SO_x), 블랙카본(Black carbon, BC), 미세먼지(PM₁₀, PM_2.5) 등의 대기오염물질이 동시에 배출된다. 배출된 온실가스와 대기오염물질은 확산 과정에서 상호 영향을 미친다. 기후변화로 인한 기온 상승은 대기오염물질의 이차 생성, 자연 발생 오존의 생성을 가속화하며, 장기적으로는 대기 정체로 인해 대기질을 악화시킬 수 있다. 대기오염물질 중 SO_x, 질소산화물(NO_x), BC 등은 단기적인 기후변화를 유발하는 원인물질로 작용한다. 또한, 기후변화는 기존의 위험을 증폭하는 특징을 가지고 있다는 측면에서 대기질 악화와 기후변화의 심화는 복합적인 피해를 유발한다.

Fig. 2. 
Interactions of atmosphere, climate and energy.

배출 단계에서 대기·기후·에너지의 관계에 주목할 경우, 대기·기후·에너지의 상호작용을 더욱 명료하게 포착할 수 있다(그림 3 참조). 에너지 서비스 수요(energy service demand)를 충족하기 위하여, 에너지 사용기기(energy equipment)를 가동하며, 기기의 가동을 위해 에너지를 투입하여 연소시킨다. 에너지를 연소하는 과정에서 온실가스가 발생하며, 대기오염방지 시설(end-of-pipe technology)을 거쳐 대기 중으로 대기오염물질이 배출된다.

Fig. 3. 
Interactions of atmosphere, climate and energy at emission stage.

에너지 서비스를 제공하는 과정에서의 온실가스와 대기오염 감축 수단은 크게 4가지로 구분할 수 있다. 감축 수단의 유형에 따라 대기오염물질과 온실가스 배출에 다른 영향을 미친다. 첫째, 에너지 서비스에 대한 수요를 관리하면 에너지에 대한 수요가 줄어들며, 이는 온실가스와 대기오염 배출량의 동시감축으로 이어진다. 둘째, 에너지 사용기기의 효율이 높아지면, 동일 양의 에너지 서비스를 제공하더라도 상대적으로 적은 양의 에너지가 필요하므로 온실가스와 대기오염 배출량을 동시에 줄일 수 있다. 셋째, 에너지 사용기기에 사용되는 에너지를 기존 대비 저탄소 에너지로 대체(저탄소 화석에너지로 전환, 화석연료를 신재생에너지로 전환)하는 방법으로 저탄소 에너지로의 전환에 따라 온실가스는 감축되나, 전환하는 에너지에 따라 대기오염 영향은 다르게 나타난다. 넷째, 에너지 연소로 발생하는 CO₂를 탄소포집 및 사용, 저장(carbon capture, utilization and storage, CCUS) 기술을 사용하여 감축하거나 대기오염물질을 대기오염방지시설을 활용해 감축하는 방법이다.

온실가스 및 대기오염물질 감축 수단의 상승효과와 길항효과를 도식화하면 그림 4와 같다. 수평축은 기후변화 편익, 수직축은 대기오염 편익을 의미한다. 1사분면은 기후변화와 대기오염에 모두 편익이 존재하는 수단으로 에너지 수요관리, 에너지효율 향상, 태양광에너지, 수력에너지 등의 재생에너지로 전환되는 경우가 포함된다. 2사분면은 대기오염에는 편익이 있지만, 온실가스 감축에는 부정적인 수단으로 배연탈황, 삼원촉매 등 에너지 사용기기에 대기오염방지설비를 설치한 경우이다. 설비 가동 시, 대기오염 방지에는 기여할 수 있으나 에너지효율이 일부 상쇄되면서 온실가스 배출이 증가할 가능성이 있다. 3사분면은 온실가스 및 대기오염물질 감축 수단이 활용되지는 않는 경우로 무분별한 화석연료의 사용이 대표적인 예이다. 4사분면은 기후변화에는 긍정적인 측면이 있으나, 대기오염에는 부정적인 영향을 야기하는 수단으로 바이오연료 사용, 수소 및 암모니아와 같은 신에너지원으로의 대체 등이 포함된다.

Fig. 4. 
Co-effect between climate change and air pollution reduction measures.

본 연구는 첫째, 국가 탄소중립·녹색성장 기본계획 (Joint ministries of Republic of Korea, 2023), 2030 국가 온실가스 감축목표(NDC) 상향안 (Joint ministries of Republic of Korea, 2021), 2050 탄소중립 시나리오안 (2050 Carbon neutrality and green growth commission, 2021)을 중심으로 2050 탄소중립 달성을 위한 전환, 산업, 수송, 건물 부문의 주요 감축 수단을 도출한다. 전환, 산업, 수송, 건물은 우리나라에서 온실가스 배출량이 많은 상위 4개 부문으로 각 부문과 연계되는 에너지산업 및 비산업 연소, 제조업 연소, 생산공정, 도로이동 및 비도로이동 오염원 등에서 PM_2.5, SO_x, NO_x, BC, 일산화탄소(CO) 등 상당량의 대기오염물질이 발생하고 있다(NAIR, 2023).

둘째, 대기·기후·에너지 공편익을 분석한 문헌 검토 및 대기·기후·에너지 분야의 전문가와의 초점집단토론(focus group discussion, FGD)을 통해 온실가스 감축 수단별 대기오염물질 배출에 대한 영향을 분석한다. FGD는 초점을 둔 주제에 대하여 소수의 전문가가 심도 있는 토의를 진행하는 정성적 연구 방법으로 본 연구와 같은 탐색적 연구(exploratory research)에 유용한 연구 기법이다(Kim et al., 2018; Rhee and Chang, 1993). 선행 연구 내용을 목록화한 결과를 제공하고, 이를 기반으로 3차례에 걸친 FGD를 진행하여 주요 온실가스 감축 수단의 대기 영향에 대하여 평가하였다.

셋째, FGD 및 선행 연구 검토 결과를 토대로 매트릭스 분석법(matrix analysis)을 적용하여 2050 탄소중립 수단을 ① 수요관리, ② 에너지 효율성 향상, ③ 연료 대체로 구분하고 수단별 대기질 관리 측면에서의 공편익 유형을 분류한다. 공정 과정에서 원료를 대체하는 경우는 기존 서비스 수요가 감소하는 것으로 판단하고 수요관리 수단에 포함하였다. 개발 진행 중인 기술인 CCUS의 경우 참고할 수 있는 선행 연구가 부족하여, 분석 대상에서 제외하였다. 공편익 유형은 3가지로 구분하였다. 상승효과(synergy)는 대기오염 감소에 긍정적인 효과가 있는 유형, 길항효과(trade-off)는 대기오염물질 증가를 야기할 위험성이 있는 유형, 유보(reservation)는 대기오염에 대한 효과의 방향성이 불확실하여, 추가적인 분석이 필요한 유형이다. 공편익 유형 분류 시, 직접배출과 전 과정 평가(life cycle assessment, LCA)로 구분하여 검토하였다. 검토 대상 대기오염물질은 CO, NO_x, SO_x, PM₁₀, PM_2.5, BC, 총부유분진(total suspended particles, TSP), 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs), 암모니아(NH₃)로 한정하였으며, 탄소중립 수단이 상기의 대기오염물질을 감소시키면 상승효과, 대기오염물질 중 일부라도 증가시킬 가능성이 있는 경우 길항효과로 분류한다.

넷째, 본 연구는 에너지 관련 온실가스 감축 수단의 배출 측면에서의 대기 공편익에 대하여 탐색적으로 분석하고 있으나, 통합적 관점에서 대기·기후·에너지를 관리하기 위해서는 대기·기후·에너지의 배출, 확산, 영향 단계에서 각 부문 수단의 공편익을 연구할 필요가 있다. 따라서 본 연구의 개념적 연구모형과 US EPA의 ACE StRAP (Air, Climate and Energy Strategic Research Action Plan)에서 제시하는 대기질, 기후변화, 에너지 부문의 연구 포트폴리오(US EPA, 2022, 2020, 2015)를 참고하여, 연구 영역을 과학적 기반 마련(배출, 확산, 영향), 전략적 도구 개발로 구분하고 영역별로 수행되어야 할 연구를 도출하기 위해 2차례에 걸친 FGD를 실시하였다.