Application of fuzzy analytic hierarchy process to select the optimal heating facility for Korean horticulture and stockbreeding sectors

Sangmin Cho, Jinsoo Kim, 허은녕 (2015) · Renewable and Sustainable Energy Reviews 49:1075-1083 · DOI ↗

한국 시설원예·축산 부문의 난방 시설 선택을 퍼지 AHP + BOCR AHP (Benefits·Opportunities·Costs·Risks) 로 평가. 에너지·농업 전문가 19 명 (12 에너지 + 8 농업) 설문으로 6 옵션 × 11 factor pairwise 비교. 종합 점수에서 지열 히트펌프 1.992 (1 위) > 공기열 히트펌프 1.855 > 우드펠릿 1.415 > 전기히터 1.041 > 석탄보일러 0.692 > 유류보일러 0.666 (현 점유율 71%). 정부 유류 면세 (1.04 조 KRW) + 전기 할인 (제조업 대비 1/2-1/3) 이 자원 배분 왜곡.

• RQ: 한국 시설원예·축산 부문에서 사회 후생을 극대화하는 최적 난방 시설은? 현 정책 (유류 면세·전기 할인) 이 효율적 자원 배분을 유도하는가?
• 방법론: 퍼지 AHP (Chang 1996 EAM 의 Wang-Elhag 2006 수정판, triangular fuzzy 척도 5 단계), BOCR AHP (Wijnmalen 2007 revised multiplicative 결합식), pre-survey 로 strategic criteria + factor 도출 → 본 survey 로 weight + option 평가
• 데이터: 에너지 12 명 + 농업 8 명 전문가 (총 19 명 응답, CR>0.15 인 2 명 제외), 2 라운드 pairwise 비교, 6 옵션 (유류·석탄·전기·지열·공기열·우드펠릿), 11 factor (B1-B2, O1-O3, C1-C4, R1-R2)
• 주요 발견: Strategic criteria 가중치 — 경제 타당성 49.7% / spillover 35.3% / 농업 활성화 15.0%. BOCR 가중치 — Costs 27.6% > Opportunities 26.0% > Benefits 25.9% > Risks 20.5%. 가장 중요 factor: O1 (Market size) 15.9%, B2 (Trade balance) 14.5%, R2 (Fuel supply reliability) 12.3%. 6 옵션 종합 ranking — GH (지열) 1.992 > AH (공기열) 1.855 > WB (우드펠릿) 1.415 > EH 1.041 > CB 0.692 > OB (유류) 0.666 (현 71% 점유).
• 시사점: 농업 부문 유류 면세 (2012 년 1.04 조 KRW 규모) 단계적 폐지 + 지열·공기열 히트펌프 설치 보조금·대출 도입. 비용 기반 정책 → 기술 경쟁력 강화 패러다임 전환 필요. 환경 영향 (히트펌프의 지하수·토양 영향) 관리도 병행.

요약

한국 농림수산업 final energy 소비가 1990-2011 1.7 배 증가 (1,813 → 3,082 kTOE) 한 가운데, 시설원예·축산이 energy-intensive 부문으로 부상. 화초 부문 에너지 강도가 1995-2007 사이 0.274 → 0.653 kTOE/억원 으로 2.4 배 상승. 2011 년 기준 유류 보일러가 난방 설비의 71% (전기 24.33%, 지열 0.67%, 공기열 0.0%, 우드펠릿 0.67%) — 정부의 유류 면세 (2012 년 1.04 조 KRW) + 전기 할인 (38.4-39.1 KRW/kWh, 제조업의 1/2-1/3) 이 농가의 단기 비용 인센티브를 왜곡했다는 가설을 검증.

방법론은 퍼지 AHP (Chang 1996 EAM 의 Wang-Elhag 2006 수정 normalization) + BOCR AHP (Saaty-Ozdemir 2003) 결합. fuzzy AHP 는 응답의 모호성을 triangular fuzzy number 로 처리 (5 단계 척도: equally 1,1,1 → absolutely 13/4, 4, 19/4), BOCR 은 11 factor 를 Benefits (B1 sales, B2 trade balance), Opportunities (O1 market size, O2 ripple, O3 eco-image), Costs (C1 initial, C2 fuel, C3 operation, C4 environmental), Risks (R1 tech credibility, R2 fuel supply) 4 cluster 로 구조화. Wijnmalen 2007 revised multiplicative $P_i = (bB_i^* + oO_i^*)/(cC_i^* + rR_i^*)$ 로 종합 점수 도출. 전문가는 정부 부처 (산업통상자원부 1, 농식품부 1, 산림청 1) + 공기관 (KEMCO 4, KREI 4, KEEI 4, KIER 2, KRC 2) + 대학 (한양대 1) 의 총 20 명 중 19 명 응답.

핵심 결과는 지열 히트펌프 (1.992) 가 종합 1 위 — 초기 투자비 (C1) 는 가장 높으나 운영비·환경·기술 신뢰성·정책 부합성에서 우수. 현 71% 점유 유류 보일러 (0.666) 가 최하위 (석탄보일러 0.692 보다도 낮음). 의외의 발견: Market size (O1) 15.9% 와 Trade balance (B2) 14.5% 가 가장 큰 factor weight — 비용 (C1-C4 합 27.6%) 보다 기회/이익 측면이 더 중요. 농업 전문가는 fuel supply reliability (R2 19.1%) 와 market size 강조, 에너지 전문가는 technical credibility (R1 11.8%) 와 ripple effect (O2) 강조. 정책 함의는 명확: 유류 면세 단계적 폐지 + 히트펌프 보조금 도입 + 저비용 공급에서 기술 경쟁력 강화로 패러다임 전환. 허은녕 의 2 기 (2009-2017) 재생에너지 정책 평가 라인의 농업 부문 확장 + heo-kim-cho-2012-hydrogen-fuzzy-ahp frame 의 후속 적용.

핵심 결과

옵션	Benefits	Opportunities	Costs (negative)	Risks (negative)	종합 점수	종합 순위	현 점유 (%)
유류 보일러 (OB)	2.90	3.71	6.53	6.14	0.666	6	71.00
석탄 보일러 (CB)	3.86	3.02	6.00	6.00	0.692	5	2.67
전기 히터 (EH)	3.91	4.51	4.99	4.43	1.041	4	24.33
지열 히트펌프 (GH)	6.43	7.86	4.58	2.00	1.992	1	0.67
공기열 히트펌프 (AH)	5.91	7.04	4.15	2.71	1.855	2	0.0
우드펠릿 (WB)	5.86	6.92	4.54	5.71	1.415	3	0.67

Cost·Risk 는 높을수록 부정적. GH 는 모든 영역 우위. 현 71% 점유의 OB 가 최저점. Strategic criteria 가중치 — 경제 타당성 49.7% / spillover 35.3% / 농업 활성화 15.0%.

방법론 노트

퍼지 AHP 는 통상 AHP 의 crisp pairwise 응답을 triangular fuzzy number $\tilde{M} = (a, b, c)$ 로 대체. Wang-Elhag (2006) 수정 normalization 으로 fuzzy synthetic extent 계산:

$$\tilde{S}_i = \left( \frac{\sum_{j} a_{ij}}{\sum_{j} a_{ij} + \sum_{k \neq i, j} c_{kj}}, \frac{\sum_{j} b_{ij}}{\sum_{k, j} b_{kj}}, \frac{\sum_{j} c_{ij}}{\sum_{j} c_{ij} + \sum_{k \neq i, j} a_{kj}} \right)$$

여기서 $a, b, c$ = triangular fuzzy number 의 lower/most-likely/upper. degree of possibility $V(S_i \geq S_j)$ 로 가중치 정규화. BOCR AHP 종합 점수는 Wijnmalen (2007) revised multiplicative:

$$P_i = \frac{bB_i^* + oO_i^*}{cC_i^* + rR_i^*}$$

여기서 $B^*, O^*, C^*, R^*$ = 정규화된 cluster 우선순위, $b, o, c, r$ = strategic criteria 로부터 도출된 cluster 가중치. CR (consistency ratio) > 0.15 응답자 제외로 일관성 확보. Identification 은 전문가 19 명 × pairwise 비교의 aggregate consistency + cluster 별 별도 AHP 의 cross-validation.

연구 계보

직접 선행: Heo, Kim, Cho (2012) heo-kim-cho-2012-hydrogen-fuzzy-ahp — 수소 생산 방법 선택에 퍼지 AHP + BOCR AHP 적용한 frame 의 농업 난방 부문 확장 (동일 저자팀의 자기 후속). Yi, Sin, Heo (2011) yi-sin-heo-2011-renewable-north-korea — 대북 에너지 지원의 재생원 선택, Heo, Kim, Boo (2010) — 재생에너지 보급 프로그램 평가에 퍼지 AHP 적용. 기법 선행: Saaty (1980) AHP, Chang (1996) extent analysis, Saaty-Ozdemir (2003) BOCR, Wang-Elhag (2006) normalization 수정, Wijnmalen (2007) revised multiplicative. 허은녕 의 2 기 정책 평가 + multi-criteria 의사결정 라인의 농업 부문 첫 정량 적용. 자매 paper Incentives for waste cooking oil collection in South Korea: A contingent valuation approach, Causal relationship between renewable energy consumption and economic growth: comparison between developed and less-developed countries 와 함께 Sangmin Cho 의 KEEI 박사논문 시리즈.

See also

• 허은녕
• Sangmin Cho
• Jinsoo Kim
• Renewable and Sustainable Energy Reviews
• 퍼지 AHP
• BOCR AHP
• 농업 에너지
• 재생 난방
• heo-kim-cho-2012-hydrogen-fuzzy-ahp
• yi-sin-heo-2011-renewable-north-korea
• Incentives for waste cooking oil collection in South Korea: A contingent valuation approach
• Causal relationship between renewable energy consumption and economic growth: comparison between developed and less-developed countries

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• Causal relationship between renewable energy consumption and economic growth: comparison between developed and less-developed countries
• Incentives for waste cooking oil collection in South Korea: A contingent valuation approach