Energy Supply Chain Technology Options under the Climate Change Mitigation Scenario : Case Study of Guatemala = 기후변화 완화를 위한 에너지 공급망 기술을 위한 탐색: 과테말라 사례를 중심으로

국문 초록 (Abstract)

파리 협정(Paris Agreement)은 2016년 11월부터 발효된 중요한 국제 조약으로, 온실가스 배출을 줄이고 저탄소 및 녹색 프로젝트를 개발을 통해 기후변화 완화 및 적응을 지원하는 당사국들이 참여하고 있다. 이 협정은 국가별 공약과 개발도상국의 기후 완화 및 적응을 위한 재정적 지원을 주기적으로 검토할 것을 강조하기 때문에 과테말라의 에너지 부문에 상당한 영향을 미칠 수 있음으로써 본 연구와 깊은 관련이 있다.
국가 온실가스 감축 목표 (Nationally Determined Contributions, NDCs)는 파리 협정의 글로벌 목표를 달성하기 위한 각국의 자발적인 기후 이니셔티브로, 기후 변화에 대한 적응 및 완화를 위한 구체적인 행동을 포함하고 있다. 그러나 이러한 이니셔티브의 성공적인 이행은 충분한 재정이 뒷받침 될 때 가능하다. 그리고 각국의 목표와 구체적인 추진전략은 경제, 에너지 자원, 정치 등 국가별 상황에 따라 다르다. 이런 맥락에서, 감축 목표로서의 순제로 (Net-zero) 배출은 대기 중 인간에 의해 배출된 온실가스와 인위적으로 제거한 온실가스의 양이 균형을 이룰 때 달성된다. 본 연구를 위해서는 NDCs가 과테말라의 에너지 부문에 어떤 연계성을 갖는지에 대한 이해가 중요하다.
이러한 배경 하에, 2030년까지 예상 배출량을 11.2% 감소하겠다는 과테말라의 공약은 고무적인 결단이자 지속 가능한 미래를 위한 중요한 단계이다. 국제적인 지원과 함께 배출량을 최대 22.6%까지 추가로 줄일 수 있는 잠재력의 실현에는 집단적 행동이 요청된다. 이는 모두가 나서서 전세계적인 노력에 동참해야 함을 의미한다. 이러한 노력을 지원하기 위해서는 구체적인 조치가 필요하며, 본 연구에서는 이러한 조치들의 함의를 중점적으로 다룬다.
과테말라의 에너지 부문은 가장 탄소 집약적인 부문 중의 하나로, 중요한 분석대상이다. 수송/발전부문, 가정/상업부문에서의 높은 화석 연료 의존도는 즉각적인 관심을 필요로 하는 긴급한 문제다. 정부의 2050년까지 장기적으로 순제로 배출량을 줄이겠다는 목표 역시 이러한 문제의 심각성을 반영한다. 과테말라의 국가 에너지 정책은 2027년 마지막 주기를 맞이하며, 따라서 다음 단계의 정책개발이 필요하다. 이에 따라 다음과 같은 질문을 할 수 있다:
- 과테말라의 에너지 소비 추이는 2050년까지 온실가스 배출에 어떤 영향을 미칠 것인가?
- 순제로 배출 목표가 적용될 경우 과테말라가 에너지 안보와 지속 가능성을 균형 있게 유지하기 위해 시행할 수 있는 가장 효과적인 정책과 방안은 무엇인가?
본 연구는 기후 변화 완화 시나리오가 과테말라 에너지 공급망에 미치는 영향을 분석하는 데 중점을 두고 있다. 이러한 맥락을 살펴봄으로써, 우리는 기후 변화 완화가 과테말라 에너지 부문에 미치는 잠재적인 영향이 무엇인지에 대한 설명하고자 한다. 또한, 발전부문에서 재생 에너지 역할의 중요성을 함께 살펴보고자 한다.
본 연구에서는 국제 원자력 기구(International Atomic Energy Agency, IAEA)가 개발한 에너지 수요 분석 모델(Model of Analysis of Energy Demand, MAED)과 에너지 공급 전략 대안과 그 일반적인 환경 영향을 분석하는 모델 (Model of Energy Supply Strategy Alternatives and their General Environmental Impact, MESSAGE)을 적용해 에너지 공급망 예측을 분석하였다. 상기 모델은 에너지 공급망 분석의 정확성과 포괄적인 접근 방식으로 널리 인정받고 있다. 분석을 위해서는 홀트-윈터 벡터 자기회귀 모형(Holt-Winters and Vector Autoregressive, VAR)을 사용했다. 이는 MAED와 MESSAGE의 경제 및 에너지 데이터 베이스를 관리하기 위한 수학적 모델이다. 에너지 모델링 과정에서는 현재 추세 시나리오 (Business As Usual, BAU)를 기준으로, 순제로 배출 시나리오를 대안 시나리오로 사용해 견고한 분석 체계를 제공하고 있다.
본 논문은 과테말라의 경제성장, 특히 건설과 제조업 성장이 특히 화석연료를 중심으로 에너지 수요 증가가 이루어진다는 것에 분석의 초점을 맞추고 있다. 경제성장은 긍정적이지만 에너지안보와 환경 지속가능성에 도전을 받고 있으며, 이는 수송부문과과 산업부문에서의 화석연료에 대한 과도한 의존도에 기인한다. 그런 점에서 탄소배출 제로를 달성하기 위해서는 재생에너지 자원과 인프라에 대한 막대한 투자가 필요하다. 또한 에너지 저장과 그리드 안정성의 문제를 해결하는 것이 중요하다. 과테말라는 풍부한 재생에너지 자원을 보유하고 있으며, 청정에너지 미래로의 이행을 위해서는 많은 인프라와 기술, 정책 개발 투자가 필요하다. 시급한 조치로는 도로교통 개선, 대중교통과 화물교통 수단 확대, 주택부문의 전기화 등이 거론된다.
과테말라가 순배출량 제로 달성을 위한 에너지 정책을 추진하고자 한다면 에너지 안보, 경제성, 기술 발전 등을 다루는 다각적인 정책 방향을 제시하는 것이 요청된다. 에너지 공급의 안정성을 유지하고 재생에너지로의 전환을 균형 있게 추진할 필요가 있다. 비용 증가 가능성을 염두에 두고 에너지 효율성, 에너지 믹스의 다양화, 강력한 전력 구매 계약 등을 정책수단에 반영해야 한다. 또한 기술적 도전을 극복하고 지속 가능한 에너지 미래를 보장하기 위해 지속적인 연구 개발에 대한 투자가 요구된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The Paris Agreement, a landmark international treaty, has been in force since November 2016. It includes parties dedicated to reducing greenhouse gas emissions and aiding developing nations with climate mitigation and adaptation through low- carbon and green projects. This agreement is particularly relevant to our study as it provides periodic reviews of countries’ commitments and financial support for climate change mitigation and adaptation, potentially impacting Guatemala's energy sector. The Nationally Determined Contributions (NDCs) are self-defined national climate initiatives aimed at achieving the global goals of the Paris Agreement. These initiatives outline specific measures to adapt to and mitigate climate impacts. However, their successful implementation depends on securing adequate funding to support these efforts. The expected targets and actions depend on the conditions of individual countries, including their economies, energy resources, and political conditions. Thus, achieving net-zero greenhouse gas emissions as an NDC target means that anthropogenic removals offset anthropogenic emissions over a specified period. Understanding the impact of NDCs on Guatemala's energy sector is crucial for our study. Against this backdrop, Guatemala's commitment to reduce projected emissions by 11.2% by 2030 is commendable and a significant step towards a sustainable future. The potential to further reduce emissions by up to 22.6% with international support highlights the crucial role of collective action and calls for global contributions to the effort. This research focuses on the specific actions required to fulfil this commitment, and their broader implications. The energy sector, one of Guatemala's most carbon-intensive sectors, represents a significant and urgent challenge. The heavy dependence on fossil fuels for transportation, power generation systems, and household appliances is an urgent problem that requires immediate attention. The government's interest in setting a long-term net-zero emission target for 2050 highlights the gravity of this problem. Guatemala’s national energy policy is approaching the end of its last cycle (2027) and needs to be updated, which raises crucial questions: How will Guatemala's energy consumption trends impact greenhouse gas (GHG) emissions by 2050? What are the most effective policies and practices for balancing energy security and sustainability to achieve the net-zero emissions target? This research specifically focuses on analyzing the impact of the Climate Change Mitigation Scenario on Guatemala's energy supply chain. By examining this specific context, we aim to provide valuable insights into the potential impact of climate change mitigation on the country's energy sector, even when renewable energy in power generation is taken into account. This research uses the Model of Analysis of Energy Demand (MAED) and the Model of Energy Supply Strategy Alternatives and their General Environmental Impacts (MESSAGE), both created by the International Atomic Energy Agency (IAEA), to forecast Guatemala’s energy supply chain. These models are renowned for their precision and through comprehensive approach to energy analysis. Holt- Winters and Vector Autoregressive (VAR) are mathematical models are employed to handle the economic and energy databases within MAED and MESSAGE. The energy modeling process includes Business as Usual (BAU) as the baseline scenario and net-zero as an alternative scenario, offering a solid framework for our analysis. This thesis shows that Guatemala's economic growth, particularly in the construction and manufacturing sectors, in driving an increase in energy demand, especially for fossil fuels. Although economic growth is beneficial, it poses challenges to energy security and environmental sustainability, exacerbated by the heavy reliance on fossil fuels for transportation and industrial activities. Achieving net-zero emissions will therefore require significant investments in renewable energy sources and infrastructure. Additionally, it is crucial to overcome the challenges of energy storage and grid stability. Our key findings indicate that the country has abundant renewable energy resources, and that the transition to a clean energy future will require significant investment in infrastructure, technology, and policy development. Key steps include improving road transportation, expanding public and freight transportation options, and electrifying the household sector. Therefore, if Guatemala wants to address its energy policy to achieve net-zero emissions, a multifaceted policy approach that addresses energy security, economic affordability, and technological advancements is recommended. It is important to balance the transition to renewable energy sources with maintaining the reliability of the energy supply. Policies should prioritize energy efficiency, a diversified energy mix, and robust power purchase agreements, while also accounting for the potential cost increases. Additionally, research and development are essential for overcoming technological challenges and securing a sustainable energy future. Keywords: Energy Supply, Energy Demand, Climate Change, Energy Policy, MAED, MESSAGE, Vector Autoregressive Model, Holt-Winters Model. Student Number: 2022-29770

목차 (Table of Contents)

• Chapter I Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.1.1 Global Status 1
• 1.1.2 Guatemalan Status 2
• 1.2 Problem Statement 3
• 1.3 Scope of the study . 4
• 1.4 Thesis structure 6
• Chapter II Status of the Energy Sector in Guatemala .. 7
• 2.1 Overview of Guatemala . 7
• 2.2 Energy Balance 9
• 2.2.1 Electrical sub-sector 10
• 2.2.2 Hydrocarbons sub-sector 18
• Chapter III Literature Review 20
• 3.1 General review . 20
• 3.2 Energy Modeling Analysis 22
• 3.2.1 Holt-Winters Model 22
• 3.2.2 Vector Autoregressive Model 24
• 3.2.3 MAED and MESSAGE 26
• 3.3 Relevant previous studies 27
• 3.4 Research implication 31
• Chapter IV Methodology 33
• 4.1 Step 1: Holt-Winters Method Forecast 33
• 4.2 Step 2: Vector Autoregressive Model Forecast 35
• 4.3 Step 3: Model of Analysis of Energy Demand 36
• 4.4 Step 4: Models for Energy Supply Strategy Alternatives and General
• Environmental Impacts . 38
• Chapter V Empirical Analysis and Results 40
• 5.1 Step 1: Holt-Winters Model Forecast 40
• 5.2 Step 2: Vector Autoregression Model Forecast 43
• 5.2.1 Industrial electricity demand . 44
• 5.2.2 Gasoline . 46
• 5.2.3 Diesel . 46
• 5.2.4 Liquefied Petroleum Gas 47
• 5.2.5 Pet Coke . 48
• 5.2.6 Fuel Oil 49
• 5.3 Step 3. Model of Analysis of Energy Demand 50
• 5.3.1 Industry 50
• 5.3.2 Transport 54
• 5.3.3 Household . 58
• 5.3.4 Service 59
• 5.3.5 Final Energy Demand . 62
• 5.3.6 GHG Emitted by the Final Energy Demand 63
• 5.4 Step 4. Model for Energy Supply Strategy Alternatives and General
• Environmental Impacts . 65
• 5.4.1 Business-As-Usual Scenario . 66
• 5.4.2 Net-zero Scenario 67
• 5.4.3 Comparison between scenarios . 70
• Chapter VI Conclusion and Policy Implications . 72
• 6.1 Conclusion . 72
• 6.3 Key Findings . 74
• 6.2 Policy Implications 75
• 6.3 Limitations and further research . 76
• References 77
• Appendix 82
• Appendix 1 . 82
• Appendix 1.1. Statistical significance of industry electricity. 82
• Appendix 1.2. Statistical significance of gasoline 82
• Appendix 1.3. Statistical significance of diesel. 83
• Appendix 1.4. Statistical significance of liquefied petroleum gas 83
• Appendix 1.5. Statistical significance of pet coke 84
• Appendix 1.6. Statistical significance of fuel oil. 84
• Appendix 2 . 85
• Appendix 2.1. Variable costs 85
• Appendix 2.2. Investment costs 87
• Appendix 2.3. Plant life 89
• Appendix 2.4. Fixed cost 91
• Appendix 3 . 93
• Appendix 4 . 94
• Abstract (Korean) 95