지역난방 에너지 모형 구축 및 탄소중립 열에너지 공급방안 연구 = Development of a District Heating Energy Model and Strategies for Carbon-neutral Thermal Energy Supply

국문 초록 (Abstract)

에너지 정책은 기후목표 달성을 위한 핵심 수단으로서 에너지 전환이라는 시대적 도전을 직면하고 있다. 최종에너지 소비의 약 절반을 차지하는 열에너지는 전 세계 이산화탄소 배출의 약 40%를 유발하고 있어 에너지 전환의 중요한 화두가 되고 있다. 2010년대 중반부터 유럽은 냉난방 부문의 온실가스 감축 목표와 전략을 수립하고 세부 대책들을 제도화하여 시행하여 왔다. 한국의 에너지 전환 정책은 주로 발전 부문의 연료 전환에 중점을 두어 왔지만 구체적인 탄소중립 이행계획이 논의되면서 열에너지 부문의 정책을 강화해야 한다는 인식들이 점차 확산되고 있다. 정부는 2025년에 수립한「제6차 집단에너지 공급 기본계획」에서 청정열원 로드맵 수립과 활용을 촉진하는 정책과제를 포함하였다. 정부는 기후에너지환경부 내에 전담 조직을 신설하고, 열에너지 관련 법안 마련, 탄소중립을 위한 전략과 실행 과제 개발 등 정책 추진을 강화하고 있다. 이러한 배경에서 본 연구는 한국의 지역난방 수요변화 특성을 분석하고 도시 가정부문의 지역난방 에너지 모형을 구축함으로써, 다양한 온실가스 감축 경로와 탄소중립을 위한 열에너지 공급방안을 제시하였다. 지역난방 열소비 특성을 LMDI（Logarithmic Mean Divisia Index） 요인분해를 통해 분석하였다. 가정부문의 지역난방 열소비 변화를 인구 효과（인구 수 변화）, 가구구조 효과（가구원 수 변화）, 보급률 효과（주거난방 중 지역난방 비율）, 주택규모 효과（가구당 난방면적）, 원단위 효과（난방면적당 난방 소비량）로 분해하였다. 분석 결과, 지역난방 보급 확대（보급률 효과）가 가장 큰 열소비 증가 요인으로 나타났고 다음으로 1인 가구 등 가구원 수 감소（가구구조 효과）가 열소비에 영향을 크게 미쳤다. 단열, 효율 개선 등 원단위 효과는 지속적으로 열소비 감소에 영향을 준 것으로 나타났다. LEAP（The Low Emissions Analysis Platform）을 이용하여 열수요 전망, 다양한 미활용에너지원과 저탄소 열원들을 반영하는 지역난방 에너지 모형을 구축하였다. 대상 지역의 난방도일 전망과 통계 모형을 이용한 장기 열수요 예측치를 에너지 모형에 반영하였다. 모형의 시나리오는 공통사회경제경로 시나리오（Shared Socioeconomic Pathways, SSP）를 기반으로 대상 지역의 장기 열수요 예측과 사회경제적인 요인을 가정하여 SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP5-8.5로 구성하였다. SSP2-4.5 시나리오는 중간 수준의 열수요와 점진적인 기후에너지정책을 반영하는 기준 시나리오로서 화석연료 기반 열생산이 상당 기간 지속된다. 가구당 열사용량 감소로 인해 열공급이 현재 대비 33% 감소할 것으로 전망되었다. 2050년의 지역난방 에너지 믹스는 LNG 열병합발전 39.8%, 미활용열에너지 55.9%로서 온실가스 배출량은 2025년 수준 대비 37%로 감소하지만, 탄소중립 목표 달성에는 이르지 못하는 것으로 나타났다. SSP5-8.5 시나리오는 높은 난방수요에도 불구하고 기후위기 대응 노력이 부진한 비관적인 상황으로서 지역난방 보급률이 정체되고 가구당 열수요가 감소하면서 열공급량은 21% 감소하는 것으로 전망되었다. 2050년의 LNG 열병합발전의 비중이 55.1%로 현행 수준이 유지되고 미활용열에너지 비중은 20.3%로 소폭 증가하는 것으로 나타났다. 2050년 온실가스 배출량은 2025년 대비 73%로 감소하는 것으로 전망되지만, 주로 난방수요 감소에 의한 것으로 분석되었다. SSP1-2.6 시나리오는 탄소중립 목표에 근접하는 시나리오로서 지역난방과 전기난방이 가스난방을 대체하면서 가구당 열사용량 감소에도 불구하고 열공급량은 12% 감소에 그치는 것으로 전망되었다. 지역난방 열원으로 청정수소, 재생에너지 비중이 지속해서 증가하여 수소터빈 44.6%, Power to Heat（P2H）, 미활용열 등 무탄소 열원 55.4%로 LNG 열병합발전을 완전히 대체된다. 이에 따라, 2050년의 온실가스 배출량에서 탄소중립 목표를 달성하고 2050년까지 누적 온실가스 배출량은 SSP2-4.5 시나리오 대비 63%, SSP5-8.5 시나리오 대비 41%를 배출하는 것으로 전망되었다. 난방도일, 가구 수, 가구당 열사용량 등 열수요 증가 영향요인들의 온실가스 배출 민감도를 분석한 결과, 가구 수 증가가 온실가스 배출 증가에 가장 큰 영향을 미쳤고 다음 단위열사용량, 난방도일의 순으로 나타났다. 지역난방 보급률 증가는 온실가스 배출 감소 요인으로 작용하였다. 모형의 전망 결과, SSP1-2.6 시나리오가 탄소중립 목표를 달성하는 시나리오인 것으로 분석되었지만, 온실가스 감축방안으로서 한계성을 나타냈다. SSP1-2.6 시나리오는 청정수소, 재생전력 기반의 열병합발전과 섹터커플링 기술에 크게 의존하는데, 타당성 확보 가능성, 상용화 시점 등을 예상하기 어려워 도입이 지연될 경우, 상당 기간 온실가스의 발생이 불가피할 수 있다. SSP2-4.5 시나리오 대비 추가 감축량의 약 60%가 2040년 이후에 집중되고 개별난방 대비 지역난방의 감축 속도가 약 7년 지연되는 것으로 나타났다. 이러한 한계를 보완하고자 SSP1-2.6에 태양열, 지열, 수열 등 재생열에너지 이용 확대를 통한 고강도 감축을 추가한 탄소중립 열에너지 공급방안을 제시하였다. 재생열, 폐열 활용을 촉진하는 대용량의 히트펌프와 열저장설비 등을 단기적으로 지역난방 공급에 최대한 활용하고 장기적으로 수소, 재생전력 기반의 열생산설비와 조합함으로써, 특정 기술과 에너지원에 대한 의존도를 낮추고 온실가스 배출을 최소화한다. 재생열에너지 활용에 대한 인센티브를 통해 열공급자와 열 프로슈머의 저탄소 열생산과 양방향 열거래가 활성화된다. 탄소중립 열에너지 공급방안의 에너지 모형 분석 결과, 2050년에는 열수요량이 SSP1-2.6 시나리오 대비 30% 감소할 것으로 전망되고 열공급 측면에서는 재생열의 생산비중이 55.0%에 달하고 수소 열병합발전을 제외한 무탄소 열원 비중은 74.8%에 이를 것으로 전망되었다. 2050년 탄소중립 달성에 있어서는 SSP1-2.6 시나리오의 결과와 유사하지만, 수소, 재생전력에 대한 의존을 줄이면서 조기 감축 노력을 통해 전망기간의 총 온실가스 배출량은 SSP1-2.6 시나리오 대비 약 27% 추가 감축이 가능한 것으로 전망되었다. 지역난방의 탄소중립을 위한 정책 방향은 특정 기술과 에너지원 활용에 의존하기보다는 청정수소, 재생 전력, 미활용에너지 등 다양한 탄소중립 열원을 통합하여야 한다는 점을 모형의 분석 결과를 통해 확인하였다. 열생산의 연료 전환뿐만 아니라, 미활용열 이용에 적합한 저온 지역난방으로 시스템 전환을 유도하는 정책도 필요하다. 재생열에너지의 경제성 부족 등 장애 요인을 해소하기 위한 지원 정책과 제도를 마련할 필요가 있다. 본 연구는 지역 단위의 지역난방 에너지 모형을 국내 최초로 구축하고 장기 열수요 예측을 기반으로 온실가스 감축 시나리오와 탄소중립 방안을 정량적으로 제시하였다는 점에서 의의가 있다. 지역난방의 탄소중립에 대한 명확한 목표와 이행계획의 제시가 요구되는 시점에서 본 연구가 정책 방향에 부합하는 기초자료로서 활용되고 향후 이어질 연구를 위한 초석이 되기를 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Energy policy is a key lever for achieving climate targets and confronts an era-defining challenge: the energy transition. Thermal energy accounts for approximately half of global final energy consumption and contributes about 40% of global carbon dioxide emissions, making it a central issue in the transition. Since the mid-2010s, Europe has established GHG mitigation targets and strategies for the heating and cooling sector and has institutionalized detailed policy measures. In Korea, energy transition policy has largely emphasized fuel switching in the power sector; however, as concrete carbon-neutrality implementation pathways are discussed, recognition is growing that policies for the thermal energy sector must be strengthened. The government included policy tasks to promote the establishment and utilization of ‘Clean Heat Source Roadmap’ in the 「6th Master Plan for Integrated Energy Supply」 established in 2025. To support these initiatives, the government is intensifying its policy drive by establishing a dedicated unit within the Ministry of Climate, Energy and Environment to advance the enactment of thermal energy-related laws and develop strategic implementation tasks for carbon neutrality. Against this backdrop, this study analyzes changes in district heating demand in Korea and develops a district-heating energy model for the urban residential sector, thereby presenting multiple GHG reduction pathways and strategies for carbon-neutral thermal energy supply. The characteristics of district-heating heat consumption were analyzed using Logarithmic Mean Divisia Index （LMDI） decomposition. Changes in residential district-heating heat consumption were decomposed into population effect （changes in population）, household-structure effect （changes in household size）, penetration effect （share of district heating in residential heating）, dwelling-size effect （heated floor area per household）, and intensity effect （heat use per heated floor area）. The results indicate that expansion of district-heating penetration is the largest driver of the increase in heat consumption, followed by the household-structure effect associated with declining household size （e.g., growth in single-person households）. In contrast, intensity effects—such as improved insulation and efficiency—consistently reduce heat consumption. Using LEAP （The Low Emissions Analysis Platform）, this study developed a district-heating energy model that reflects heat-demand outlooks and incorporates diverse unutilized energy resources and low-carbon heat sources. Long-term heat-demand projections for the study region, estimated from projected heating degree days and a statistical model, were incorporated into the energy model. Scenarios were developed based on Shared Socioeconomic Pathways （SSPs）, using assumptions on long-term heat demand and socio-economic factors, and consist of SSP1-2.6, SSP2-4.5, and SSP5-8.5. SSP2-4.5 serves as the reference scenario, reflecting intermediate heat demand and incremental climate and energy policies, under which fossil-fuel-based heat production persists for a considerable period. Due to declining heat use per household, total heat supply was projected to decrease by 33% relative to the current level. The 2050 district-heating energy mix comprised 39.8% LNG-based combined heat and power （CHP） and 55.9% unutilized thermal energy; GHG emissions declined to 37% of the 2025 level but did not reach carbon neutrality. SSP5-8.5 represents a pessimistic outlook in which in which efforts to respond to the climate crisis are insufficient despite high heating demand. With stagnant district-heating penetration and declining heat demand per household, heat supply was projected to decrease by 20%. In the 2050 energy mix, the share of LNG-based CHP remained at 55.1%, maintaining the current level, while the share of unutilized thermal energy increased slightly to 20.3%. GHG emissions in 2050 were projected to fall to 73% of the 2025 level, driven primarily by reduced heating demand. SSP1-2.6 approximates the carbon-neutrality target. As district heating and electric heating replaced gas heating, heat supply was projected to decrease by only 11.5% despite lower heat use per household. Clean hydrogen and renewable energy increasingly dominated the district-heating energy mix, fully replacing LNG-based CHP with 44.6% hydrogen turbines and 55.4% other carbon-free heat sources such as power-to-heat （P2H） and unutilized heat. Carbon neutrality was achieved in 2050 emissions, and cumulative GHG emissions through 2050 were projected to be 63% of the SSP2-4.5 level and 41% of the SSP5-8.5 level. A sensitivity analysis of GHG emissions to key demand drivers （heating degree days, the number of households, and heat use per household） shows that growth in the number of households exerts the largest upward pressure on emissions, followed by unit heat use and heating degree days, whereas higher district-heating penetration contributes to emissions reduction. Although SSP1-2.6 attains carbon neutrality in 2050, it exhibits limitations as a GHG reduction option: it is highly dependent on clean-hydrogen-based CHP and renewable-electricity-based sector-coupling technologies. Given uncertainties in their technical and economic viability and commercialization timelines, delays in adoption may result in continued GHG emissions over a prolonged period. Moreover, roughly 60% of additional reductions relative to SSP2-4.5 are concentrated after 2040, and the pace of reductions in district heating is delayed by about seven years compared with individual heating. To address these limitations, we propose a strategy for carbon-neutral thermal energy supply that augments SSP1-2.6 with more aggressive mitigation through expanded use of renewable thermal energy （e.g., solar thermal, geothermal, and water-source heat）. In the near term, the strategy prioritizes large-scale heat pumps and thermal energy storage to maximize the use of renewable heat and waste heat in district-heating supply; in the long term, it combines these options with hydrogen- and renewable-electricity-based heat production. This portfolio approach reduces reliance on specific technologies and energy carriers while minimizing GHG emissions. Incentives for renewable heat encourage low-carbon heat generation by both heat suppliers and heat prosumers and enable two-way heat trading. Modeling results for the strategy for carbon-neutral thermal energy supply indicate that in 2050, heat demand is 30% lower than SSP1-2.6, while renewable heat accounts for 55.0% of heat production and carbon-free heat sources excluding hydrogen-based CHP reach 74.8%. The 2050 net-zero outcome is similar to that under SSP1-2.6. However, by reducing reliance on hydrogen and renewable electricity and pursuing accelerating early abatement, cumulative GHG emissions over the projection period are projected to be about 27% lower than in SSP1-2.6. Overall, the analysis confirms that district-heating decarbonization should integrate a portfolio of carbon-neutral heat sources—clean hydrogen, renewable electricity, and unutilized energy—rather than relying on specific technology and energy sources. Policies are needed not only to support fuel switching in heat generation, but also to drive a system-wide transition toward low-temperature district heating that is well suited to harnessing unutilized heat. Supportive policy instruments are also required to overcome barriers such as the limited economic competitiveness of renewable thermal energy. This study is significant in that it develops Korea’s first regional district-heating energy model and quantitatively evaluates GHG mitigation scenarios and heat-supply options for carbon neutrality based on long-term heat-demand projections. At a time when clear targets and implementation plans for district-heating carbon neutrality are increasingly required, this work provides a foundation for policy design and to support further research.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제1절 연구의 배경 및 필요성 1
• 제2절 연구의 목적 5
• 제3절 연구의 내용 및 범위 7
• 제2장 이론적 고찰 11
• 제1절 지역난방의 현황 및 시스템 11
• 제2절 집단에너지사업 현황 23
• 제3절 미활용열에너지와 청정열원 35
• 제4절 선행연구 분석 57
• 제3장 연구 방법 65
• 제1절 가정부문의 난방소비 특성 분석 방법 65
• 제2절 지역난방 에너지 모형 구축 방법 74
• 제4장 지역난방 열소비 특성 분석 87
• 제1절 지역난방 열소비 변화요인 분석 87
• 제2절 지역난방 열소비 변화의 요인별 특성 분석 97
• 제5장 열수요 예측 및 지역난방 에너지 모형 구축 105
• 제1절 대상 지역 현황 및 난방도일 전망 105
• 제2절 가구당 지역난방 사용량 예측 116
• 제3절 지역난방 에너지 모형 및 시나리오 구성 129
• 제6장 열공급 시나리오 분석과 탄소중립 방안 147
• 제1절 시나리오별 열수급 전망 및 배출량 분석 147
• 제2절 주요 영향요인별 민감도 분석 172
• 제3절 탄소중립을 위한 지역난방 열에너지 공급방안 179
• 제7장 결 론 191
• 제1절 연구 요약 191
• 제2절 연구의 한계 및 시사점 197
• 참고문헌 201