Electricity demand analysis and forecasting: The case of GADA special economic zone

Meskerem Tadesse Gebre, 황준석, Getachew Biru (2024) · Heliyon 10:e25364 · DOI ↗

본 연구는 에티오피아 신설 경제특구 GADA Special Economic Zone (GSEZ, Modjo–Adama, 23,640 ha, 4 phases) 의 2025~2040 년 전력 수요를 LEAP 모형 (Long-range Energy Alternatives Planning) 의 bottom-up-forecasting 으로 residential·industrial·general business 세 부문, 각각의 sub-sector 까지 분해해 예측한다. Baseline / aggressive / conservative 세 시나리오 분석 결과: baseline 156 → 327 MW (+52.2%), aggressive 156 → 487 MW (+68%), conservative +30.3% 증가. 산업 부문이 baseline 2040 에 172 MW (52.6%) 로 최대, 다음 general business 78 MW, residential 77.2 MW. 공급 측면에서 baseline grid 의존도 2040 까지 +93.5% (aggressive +175.9%) 증가, 25% off-grid (wind + solar) 보조 시 grid 부담 +45% (aggressive +107%) 로 완화 가능.

• RQ: 에티오피아 신설 경제특구 (GSEZ) 의 2025~2040 장기 전력 수요와 공급 격차를 sub-sector level 까지 어떻게 정량화하고, off-grid 보조 시 grid 부담 완화 효과는 얼마인가?
• 방법론: LEAP 모형 (LEAP software, 4 module: key assumptions·demand·transformation·resources), bottom-up-forecasting (sector → sub-sector → end-use device aggregation), 시나리오 분석 (baseline·aggressive·conservative), end-use-device-accounting (residential: cooking·lighting·refrigeration·other; industrial: heavy·medium·light load)
• 데이터: GSEZ working document (Modjo-Adama 23,640 ha, phase 1 2021-2025), MoWIE·EEA·EEP·EEU·NLDC·CSAE·NBE·IMF·World Bank databases; base year 2025 전체 166 MW (residential 23.7 / industrial 96 / general business 46.3); 인구 7M 예상 중 20% phase 1 진입; 평균 가구 4.7명
• 주요 발견: (1) Baseline 156 → 327 MW (+52.2%), aggressive +68%, conservative +30.3%; (2) 산업 baseline 2040: 172 MW (heavy 76.5 / medium 57.6 / low 37.8), 52.6% 점유; (3) Residential baseline +69.8% (23.4 → 77.2 MW); (4) 공급 측면 baseline grid +93.5%, aggressive +175.9% by 2040; (5) 25% off-grid (wind + solar) 시 grid 부담 baseline +45%, aggressive +107% 로 완화
• 시사점: 대규모 신설 산업단지의 안정적 전력 공급을 위해 grid 확장과 onsite 발전 (특히 wind + solar) 의 병행 이 필수. 에티오피아 51.1% 전력 보급률 (2020) 과 빈번한 정전·전압 변동 컨텍스트에서 SEZ 단위의 사전 supply expansion 계획이 절실.

요약

에티오피아는 2005-2015 연평균 10.3% 의 빠른 경제 성장을 보였지만, 2020 년 기준 전력 보급률은 51.1% (도시 45%, 농촌 훨씬 낮음) 에 불과하고 빈번한 정전·전압 변동·harmonic distortion 으로 산업 활동이 제약된다. 정부의 2025 universal access 목표와 거대 재생에너지 잠재력 (hydro 45,000 MW, wind 1,035 GW, geothermal 7,000 MW, solar 5.2 kWh/m²) 에도 불구하고, 현재 활용은 4,228 MW (90% hydro) 에 머문다. 본 연구는 이 컨텍스트에서 신설 GSEZ (Addis Ababa 남동 38 mile, Modjo–Adama 간 23,640 ha) 의 장기 전력 수요를 LEAP 모형 로 정량화해 generation·distribution 확장 의사결정의 근거를 제공한다.

GSEZ 는 4 phase 로 구성: phase I (startup, 3,150 ha, 2021-2025), II (short-term, 5,056 ha, 2026-2030), III (medium-term, 7,416 ha, 2030-2050), IV (long-term, 8,065 ha, after 2050). 본 연구는 phase 1 의 2025~2040 15 년 예측에 집중. bottom-up-forecasting 으로 residential (HD/MD/LD, 가구별 cooking·lighting·refrigeration·other 4 end-use), industrial (heavy/medium/light load), general business (transport·commercial·service·recreational·administration·free trade) 의 sub-sector + appliance level 까지 분해. 핵심 식별식: $TEPD_t = TRPD_t + TBPD_t$, $TRPD_t = HDPD_t + MDPD_t + LDPD_t$, $TBPD_t = TIPD_t + GBPD_t$, $TIPD_t = HIPD_t + MIPD_t + LIPD_t$, final $FPD_t = TPD_t + TDL_t$ (T&D 손실 포함). LEAP key assumption module 에 인구·가구수·GDP, demand module 에 부문별 활동 수준·에너지 강도 입력. Base year 2025 의 166 MW 가 residential 23.7 (HD 10.5/MD 8.2/LD 4.7) + industrial 96 (heavy 42.2/medium 33.6/light 19.2) + GB 46.3 으로 분배되어 시작.

세 시나리오 분석 의 가정: baseline (정치 안정, 인프라 계획대로, smart grid 옵션, 인구 4% 성장, GDP 2030/35/40 = 7/9/4%), aggressive (호의적 경제, +2%p over baseline, 6% growth, onsite off-grid + smart grid), conservative (가정 미실현, 인구 2% 성장, GDP −2%p). 결과 (Table 5-13): baseline 총 156 → 327 MW (+52.2%, 산업이 172 MW 로 최대 52.6%), aggressive 156 → 487 MW (+68%, 산업 243.3 MW 49.9%), conservative +30.3%. 공급 측면 (LEAP 의 transformation module) 으로 75% national grid + 25% onsite off-grid (wind + solar) 가정 시 grid 의존 baseline +93.5%, aggressive +175.9% by 2040; off-grid 보조 없으면 grid alone 으로 감당 불가, off-grid 25% 보조 시 grid +45% / +107% 로 완화. 황준석 그룹의 4기-5기 (2020-2026 경계) 개도국 에너지 시스템 라인의 일환으로, Ethiopia Adama Science and Technology University + SNU TEMEP + Addis Ababa Institute of Technology 의 다기관 협업 작업이다.

핵심 결과

시나리오	2025	2030	2035	2040	성장
Baseline (BAS)	156.2	198.8	254.3	327.1	+52.2%
Aggressive (AGG)	156.2	—	—	487.0	+68%
Conservative (CONS)	156.2	—	—	~203.5	+30.3%

부문	2025 (MW)	2040 BAS (MW)	2040 BAS 점유
Residential	23.4	77.2	23.6%
Industrial	89.5	172.0	52.6%
General Business	43.3	78.0	23.8%
Industrial heavy load	40.0	76.5	(산업 내 44%)
Industrial medium load	30.0	57.6	(산업 내 33%)
Industrial light load	19.5	37.8	(산업 내 22%)

공급측 (2040, vs 2025)	Grid only	Grid + 25% off-grid
Baseline	+93.5%	+45%
Aggressive	+175.9%	+107%

• 데이터 출처: GSEZ working document, MoWIE, EEA, EEP, EEU, NLDC, CSAE, NBE, IMF, World Bank
• 인구 가정: GSEZ 총 7M 중 20% phase 1 진입; 평균 가구 4.7명; phase 1 가구수 0.2M
• 산업 부문 가정: 60 기업, 600 employees in base year

방법론 노트

LEAP 모형 은 부문별 활동 수준 (activity level) × 에너지 강도 (energy intensity) 의 곱으로 final demand 를 계산하는 accounting framework 이다. end-use-device-accounting 기법은 각 sub-sector 의 appliance 단위까지 분해해:

$$TEPD_t = TRPD_t + TBPD_t$$ $$TRPD_t = HDPD_t + MDPD_t + LDPD_t$$ $$TBPD_t = TIPD_t + GBPD_t, \quad TIPD_t = HIPD_t + MIPD_t + LIPD_t$$ $$FPD_t = TPD_t + TDL_t$$

여기서 $TEPD_t$ 는 연도 $t$ 의 전체 전력 수요, $TRPD_t / TBPD_t$ 는 residential / business 부문 합, $HD/MD/LD$ 는 residential density tier, $HI/MI/LI$ 는 industrial load tier, $TDL_t$ 는 T&D 손실. 각 sub-sector 의 demand 는 가구·기업 수 × end-use 별 ownership rate × energy intensity 로 산출. LEAP 의 demand module 에 (residential) population × HH share × appliance penetration × energy intensity per appliance, (industrial) #tents × employees × load share × intensity 가 입력된다.

시나리오 분석 의 식별 strategy: 세 시나리오의 차이는 (i) GDP growth (BAS 7/9/4% by period, AGG +2%p, CONS −2%p), (ii) 인구 성장 (BAS/AGG 4%, CONS 2%), (iii) 고객 성장률 (light/medium/heavy load 별 2030/35/40 표), (iv) smart grid / onsite renewable 도입 여부 (AGG only). Off-grid 비중 25% 는 GSEZ working document 의 권장 split. Validation 은 historical Ethiopia GDP/인구 data (Table 3, 2011-2021 MFMOD·World Bank·IMF) 와 base year (2025) GSEZ feasibility document 의 sectoral split 으로 cross-check. 본 모델의 핵심 한계: 신설 SEZ 라서 historical consumption data 가 없어 feasibility study 의 a priori split 에 강하게 의존, sensitivity analysis 가 부족하다는 점은 future work.

연구 계보

LEAP 모형 응용 전통은 Heaps (Stockholm Environment Institute) 의 LEAP 정식화부터 시작해, 개도국 에너지 시스템 분석 (Swan & Ugursal 2009 의 top-down vs bottom-up 분류, paper [30]) 으로 확장된다. 본 연구는 paper [40] 의 developing economy LEAP modeling 전통과 paper [37]-[39] 의 cross-economy LEAP accounting 을 따른다. 산업·residential 부문 bottom-up forecasting 은 paper [32]-[35] (Silva 등의 commercial building end-use 분석 포함). 에티오피아 power system 의 한계 분석은 Tilla (paper [10]) 의 power quality 작업과 Monda et al. (paper [11]) 의 energy efficiency 라인. 데이터 source 는 World Bank WDI/GEM, IMF, MFMOD database, Awoldie Yalew (paper [26]) 의 에티오피아 재생에너지 잠재력 추정. 황준석 의 5기 (2024-2026 경계) 개도국 에너지·SEZ 라인의 일환이며, ASTU·SNU·AAiT 3 기관 글로벌 South-North 협업의 또 다른 사례 (르완다 Prototype of Monitoring Transportation Pollution Spikes through the Internet of Things Edge Networks 와 같은 시기·같은 다국적 모델). 직속 사촌 작업은 같은 황준석 그룹의 ICT 인프라·smart city 라인 (ESH: Design and Implementation of an Optimal Hashing Scheme for Persistent Memory).

See also

• 황준석
• Meskerem Tadesse Gebre
• Heliyon
• LEAP 모형
• bottom-up-forecasting
• 시나리오 분석
• 전력수요 예측
• special-economic-zone
• off-grid-generation
• ethiopia-energy-system
• Prototype of Monitoring Transportation Pollution Spikes through the Internet of Things Edge Networks

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