Time Series Based CO2 Emission Forecasting and Energy Mix Analysis for Net Zero Transitions: A Multi Country Study

기술 요약: 넷제로 전환을 위한 시계열 기반 CO₂ 배출량 예측 및 에너지 믹스 분석

문제 제기
기후 변화를 억제하기 위한 글로벌 노력은 경제 성장과 지속 가능한 에너지 전환을 일치시켜야 한다는 지속적인 과제에 직면해 있다. 교토 의정서나 파리 협정과 같은 국제적 합의에도 불구하고, 전 세계 CO₂ 배설량은 계속해서 증가하고 있다. 이러한 괴리의 핵심 요인은 국가별 에너지 믹스의 이질성이다. 화석 연료, 재생 에너지, 저탄소 기술 간의 균형을 포함한 한 국가의 에너지 시스템 구성은 넷제로 목표 달성의 타당성과 속도를 결정한다. 선진국, 급격히 산업화되는 국가, 자원 부국인 개발도상국 모두 유사한 글로벌 기후 압박에 직면해 있지만, 이들의 탈탄소 경로은 고유한 자원 보유량, 산업 구조 및 거버넌스 역량으로 인해 크게 다르다. 따라서 현재의 궤적이 글로벌 기후 목표와 일치하는지 평가하기 위해 장기 배출량 예측과 특정 국가의 에너지 믹스 특성을 통합하는 데이터 기반 도구가 필요하다.

방법론
본 연구는 나이지리아, 미국, 중국, 브라질, 러시아 등 5개 주요 경제국을 분석하기 위해 구조화된 다단계 프레임워크를 채택하였다. 방법론은 다음의 4단계 과정을 거친다:

1. 에너지 믹스 결정 (2000–2023): 국제 에너지 기구(IEA), Our World in Data, UN 에너지 통계의 역사적 데이터를 사용하여 화석 연료(석탄, 석유, 천연가스), 재생 에너지(수력, 태양광, 풍력, 바이오 에너지, 지열), 원자력의 비중적 기여도를 정량화하였다. 각 국가는 이러한 지표를 바탕으로 화석 연료 의존형, 전환 단계형, 또는 재생 에너지 가속형의 세 가지 프로필로 분류되었다.
2. 시계열 구축: 2000년부터 2023년까지의 연간 영토 CO₂ 배출량(백만 톤 단위) 데이터셋을 수집하였다. 데이터 전처리 과정에는 결측치 보간 및 Z-점수(Z-score)와 사분위수 범위(IQR) 진단을 통한 이상치 탐지가 포함되었다.
3. 모델 평가: 80/20 훈련/테스트 분할 및 롤링 오리진(rolling-origin) 교차 검증을 사용하여 세 가지 시계열 예측 모델을 역사적 데이터와 비교 벤치마킹하였다. 평가된 모델은 다음과 같다:
   • ARIMA: 선형 추세 및 단기 의존성 포착용.
   • SARIMA: 계절성 또는 순환 패턴 반영용.
   • Holt-Winters 지수 평활법: 지수적 감쇄를 통한 추세 진화 포착용.
     (참고: 방법론 섹션 초기에 Prophet과 LSTM이 언급되었으나, 결과 및 표에서는 ARIMA, SARIMA, Holt-Winters만을 독점적으로 평가함.)
     성능은 평균 절대 오차(MAE), 평균 제곱근 오차(RMSE), 평균 절대 백분율 오차(MAPE), 결정 계수($R^2$)를 사용하여 평가되었다.
4. 장기 전망 (2024–2060): 각 국가별 최적의 모델을 전체 2000–2023 데이터셋으로 재학습시켜 36년간의 전방향 투영치를 생성하였다. 불확실성을 정량화하기 위해 예측 구간(prediction intervals)을 산출하였다.

주요 기여

• 통합 분석: 본 연구는 에너지 믹스 프로파일링과 배출량 예측 사이의 간극을 메움으로써, 구조적 에너지 특성이 장기적인 탈탄소 전망에 어떻게 영향을 미치는지 입증한다.
• 다국가 비교 프레임워크: 브라질의 재생 에너지 우위부터 나이지리아의 화석 연료 의존성까지, 서로 다른 에너지 프로필을 가진 5개국을 분석함으로써 글로벌 탈탄소 과제의 다양성을 강조하는 지리적 폭을 제공한다.
• 모델 선택 가이드: 본 연구는 단일 모델이 보편적으로 우월하지 않으며, 모델의 성능은 특정 국가의 구체적인 배출 이력의 변동성과 추세 구조에 따라 달라진다는 점을 밝혀냈다.

결과

• 에너지 믹스 분류:
  • 나이지리아: (평균 화석 연료 지배 지수 82.3%로) 명백하게 화석 연료 의존형 상태를 유지하고 있으며, 2023년 기준 재생 에너지 기여도는 약 20.5%에 불과하다.
  • 미국 및 중국: 두 국가 모두 전환 단계형 프로필을 보인다. 미국은 화석 연료 비중을 82.1%에서 59.1%로 줄였고, 중국은 92.4%에서 64.7%로 줄였으나, 두 국가 모두 여전히 상당한 화석 연료 의존도를 유지하고 있다.
  • 브라질: 수력 및 바이오 에너지를 동력으로 재생 에너지 비중이 2023년 88.7%까지 급증한 재생 에너지 가속형 전형을 보여준다.
  • 러시아: 전환 단계형 패턴을 보이지만, 화석 연료 지배 지수가 76.8%로 탄화수소 자원의 영향을 강하게 받고 있다.
• 예측 성능:
  • Holt-Winters 모델이 나이지리아, 미국, 중국, 브라질에서 가장 정확한 모델로 나타났으며, 가장 낮은 MAE/RMSE와 가장 높은 $R^2$ 값을 기록했다.
  • SARIMA는 러시아에서 가장 우수한 성능을 보였다. 러시아의 배출량은 상대적으로 안정적이고 범위가 제한적이었으며, 이러한 낮은 분산이 다른 모델들의 성능을 어렵게 만들었다(테스트 세트에서의 Holt-Winters의 음수 $R^2$ 값으로 입증됨).
• 장기 궤적 (2024–2060):
  • 브라질: 재생 에너지 중심 시스템에 부합하는 저배출 미래를 투영한다.
  • 나이지리아: 화석 연료 의존도로 인해 상승하는 배출 궤적을 지속한다.
  • 미국 및 중국: 완만한 감소세를 유지하지만, 넷제로 약속을 이행하기 위해서는 가속화된 완화 조치가 필요하다.
  • 러시아: 현재 조건 하에서는 배출량이 대체로 평탄하게 유지된다.

의의 및 주장
본 논문은 국가의 탈탄소 전망이 에너지 시스템의 구조적 균형에 의해 강력하게 형성된다고 주장한다. 연구 결과는 나이지리아와 같은 화석 연료 의존형 시스템을 가진 국가들이 글로벌 넷제로 목표와는 상이한 경로에 놓여 있는 반면, 브라질과 같은 재생 에너지 가속형 시스템을 가진 국가들은 더 유리한 위치에 있음을 강조한다. 본 연구는 시계열 모델이 "현상 유지(business-as-usual)" 시나리오를 효과적으로 투영할 수 있지만, 넷제로 목표 달성을 위해서는 현재의 궤적을 넘어서는 표적화된 에너지 정책 개혁과 구조적 변화가 필요하다고 결론짓는다. 저자들은 현재의 연구가 역사적 추세 외삽에 집중하고 있음을 인정하며, 향후 연구에서 비선형적 전환을 더 잘 포착하기 위해 시나리오 기반 모델링과 머신러닝을 통합할 것을 완곡하게 제안한다.