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type: paper
slug: hwarang-lee-2024-sector-coupling
title: >-
  Effects of sector coupling on the decarbonization potential of the
  manufacturing sector—an integration of the power, hydrogen, and manufacturing
  sectors
authors:
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  - '[[jeongeun-lee]]'
  - '[[sung-won-kang]]'
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  - '[[insook-kim]]'
  - '[[yunmokoo]]'
year: 2024
venue: '[[energy-strategy-reviews]]'
doi: 10.1016/j.esr.2024.101425
categories:
  - '[[energy-economics]]'
  - '[[environmental-economics]]'
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  - '[[bottom-up-energy-system-model]]'
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  - '[[sector-coupling]]'
  - '[[electrification]]'
  - '[[hydrogen-economy]]'
  - '[[manufacturing-decarbonization]]'
aliases: []
last_updated: '2026-05-20T02:07:35+09:00'
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# Effects of sector coupling on the decarbonization potential of the manufacturing sector—an integration of the power, hydrogen, and manufacturing sectors

*[[hwarang-lee]], [[jeongeun-lee]], [[sung-won-kang]], [[dongwoo-kim]], [[insook-kim]], [[yunmokoo]] (2024)* · [[energy-strategy-reviews]] · [DOI ↗](https://doi.org/10.1016/j.esr.2024.101425)

> 한국 *전력 + 수소 + 제조* 의 *sector coupling* 효과를 통합 *hybrid 모형* 으로 분석. **탄소세 ($20/tCO2) 시 2050 재생 전력 비중 ↑ + 전력 가격 18% 인상**, 제조업의 *전기화 (direct electrification) + 수소 (indirect electrification)* 인센티브 증가. *전력 mix 의 decarbonization 수준* 이 sector coupling 의 효과 결정 — *전력 부문 decarbonization 이 manufacturing decarbonization 의 *precondition***.

- **RQ**: 한국의 *전력 + 수소 + 제조* 의 *sector coupling* 이 제조업의 *decarbonization potential* 에 어떻게 영향을 미치는가? 탄소세 강도별 효과는?
- **방법론**: [[hybrid-energy-system-model]] 의 *3 부문 (전력 + 수소 + 제조) 통합* — [[bottom-up-energy-system-model]] + [[computable-general-equilibrium]] soft-link, 시나리오 비교 (BAU, CTAX5, CTAX20)
- **데이터**: 한국 2015 baseline + 2050 연장, 전력 부문 부문별 발전 mix + 수소 생산 (회색/녹색) + 제조업 부문 (철강, 시멘트, 석유화학)
- **주요 발견**: (1) **CTAX20 (탄소세 $20/t)**: 2050 재생 전력 > 비재생 (2034 cross-over), fossil 전력 15% in 2050. (2) **CTAX20: 2050 전력 부문 배출 42 Mt CO2eq** (base-year 대비 대폭 감소). (3) **전력 가격 18% 인상** (CTAX20 vs BAU). (4) 전력 가격·배출강도가 제조업의 *direct electrification + 수소 활용* 동기. (5) *기술 채택 kink* — 새 기술 채택 시 전력 가격·수요 *비선형 변화*.
- **시사점**: *전력 부문 decarbonization 이 manufacturing decarbonization 의 precondition*. 탄소세가 *전력 mix 재생화* + *제조업 전기화 attractiveness* 의 *두 효과* 동시 발현. Net-zero 경로의 *부문 간 결합* 정책 설계 필요.

![](/papers/202405_LeeH_Effects_of_sector_coupling_on_the_decarbonization_potential_of_the_manufacturing_sectoran_integration_of_the_power_hydrogen_and_manufacturing_sectors/fig1.jpeg)

*Fig. 1 — 전력 + 수소 + 제조 sector coupling 의 구조와 탄소세 효과.*

## 요약

이 paper 는 [[yunmokoo]] · [[hwarang-lee]] 의 *3 기 (2022-2026) 정점 작업* 중 하나. [[hwarang-lee-2020-hybrid-energy-manufacturing]] (manufacturing 단독) + [[hwarang-lee-2022-ccs-steel]] (CCS) + [[hwarang-lee-2022-tech-learning-spillover]] (cross-industry) 의 *통합 확장* — *3 부문 sector coupling*.

방법론적 핵심은 *3 부문 통합 hybrid 모형*. (i) 전력 부문 — bottom-up 발전 mix 모형 (renewable + non-renewable + fossil + nuclear), 탄소세에 따른 mix 재편. (ii) 수소 부문 — *회색 (gray) 수소* (천연가스 reforming) + *녹색 (green) 수소* (전기분해) 의 *생산 비용 + 배출 강도*. (iii) 제조 부문 — 전기 + 수소 + fossil 의 *대체 elasticity*. *Soft-link iterative* 으로 3 부문 가격·수요·기술 mix 동시 수렴.

핵심 발견:

(i) **전력 mix 재편**: BAU 에서 2050 재생 전력 *50% 미만*, CTAX5 에서 *2045 cross-over*, CTAX20 에서 *2034 cross-over* — 탄소세가 *재생 시장 점유 변화 속도* 결정. 2050 fossil 전력 15% (CTAX20).

(ii) **전력 가격 + 수요**: CTAX20 시 2050 전력 가격 *+18%* (vs BAU). 가격 상승으로 *전력 수요 감소* 하지만 *전기화 (manufacturing electrification)* 의 *attractive* 가 증가 — *fossil fuel 사용 감소 효과* 가 *electricity 사용 감소 효과* 보다 큼.

(iii) **Kink 효과**: 새 기술 도입 시점에 *전력 가격 + 수요 곡선이 kink* — 마진 비용 변화의 *비선형* 시그널. *학습 곡선 + 기술 도입 임계점* 의 *동학적 효과*.

(iv) **부문 간 의존성**: 전력 부문이 *충분히 decarbonized* 안 되면 *수소 + 제조 부문 전기화* 의 *환경 효과 미미*. 즉 *전력 decarbonization 이 precondition*.

[[yunmokoo]] 의 *연구 궤적* 안에서 이 paper 는 *3 기 hybrid 모형의 multi-sector 확장*, [[chang-kibyeong-2025-unicon-net-zero]] (2025 UNICON 완전 통합) 의 *직전 작업*.

## 핵심 결과

| 시나리오 | 2050 재생 비중 | 2050 fossil 비중 | 2050 전력 부문 배출 | 전력 가격 (vs BAU) |
|---|---|---|---|---|
| BAU | < 50% | > 50% | (기준) | (기준) |
| CTAX5 | > 50% (2045) | < 50% | 감소 | +5-10% |
| **CTAX20** | **> 50% (2034)** | **15%** | **42 Mt CO2eq** | **+18%** |

- *전력 가격 ↑* → 전력 수요 ↓, but *electrification attractiveness ↑*
- 새 기술 채택 시점에 가격·수요 *kink* — 학습 + 임계 효과
- **전력 decarbonization 이 manufacturing decarbonization 의 precondition**

## 방법론 노트

[[hybrid-energy-system-model]] 의 3 부문 통합:

```
For each scenario (BAU, CTAX5, CTAX20):
  For year t = 2015, ..., 2050:
    1. Power: solve generation mix x_t* with carbon tax τ → electricity price p_e_t + emission intensity ε_e_t
    2. Hydrogen: solve gray/green mix with p_e_t, τ → hydrogen price p_h_t
    3. Manufacturing: solve fuel mix (electric, hydrogen, fossil) with p_e_t, p_h_t, τ
    4. Update electricity/hydrogen demand from (2), (3) → update (1)
    5. Converge if ∥demand changes∥ < ε
```

탄소세: $\tau$ 가 모든 부문의 fossil fuel 사용에 부과 → 전력 (직접) + 수소 (간접) + 제조 (직간접) 의 *재생 대체 인센티브*.

식별 가정: (i) 2015-2050 외삽의 기술 학습률, (ii) 3 부문의 *soft-link 수렴*, (iii) hydrogen 의 *gray-green substitution elasticity* 외생.

## 연구 계보

이 paper 는 (i) Davis et al. (2018) 의 *sector coupling for decarbonization* 정통, (ii) Robinius et al. (2017) 의 *power-to-gas / power-to-X* 라인, (iii) [[hwarang-lee-2020-hybrid-energy-manufacturing]] · [[hwarang-lee-2022-ccs-steel]] 직접 선행 — 의 결합. [[yunmokoo]] 의 *연구 궤적* *3 기 multi-sector hybrid* 의 정점, [[chang-kibyeong-2025-unicon-net-zero]] 의 *완전 통합 모형* (UNICON) 의 직전 단계.

## See also

- [[yunmokoo]]
- [[hwarang-lee]]
- [[jeongeun-lee]]
- [[hybrid-energy-system-model]]
- [[sector-coupling]]
- [[electrification]]
- [[hydrogen-economy]]
- [[manufacturing-decarbonization]]
- [[energy-strategy-reviews]]
- [[hwarang-lee-2020-hybrid-energy-manufacturing]]
- [[hwarang-lee-2022-ccs-steel]]