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연구제안

디지털 트윈 기반 농업 탄소 마켓플레이스: AI 예측 모델을 활용한 정밀 탄소 거래 프레임워크

2025.04.18

카테고리

접수

작성자

박용환

이메일

sanoramyun8@gmail.com

소속(기관명)

크리에이티브 넥서스

과제성격

중장기 과제(전략적 대형 핵심과제)

제안과제명: "디지털 트윈 기반 농업 탄소 마켓플레이스: AI 예측 모델을 활용한 정밀 탄소 거래 프레임워크"

1. 과제의 성격: 정책연구

이 연구는 디지털 트윈 기술과 인공지능을 활용한 농업 부문 탄소 거래 시스템 구축을 위한 제도적, 기술적, 경제적 기반을 마련하는 정책연구입니다.

2. 연구기간: 중장기 대형과제(2년)

디지털 트윈 모델링, 탄소 측정 방법론 검증, 거래 프레임워크 설계 및 파일럿 테스트를 위해 충분한 시간이 필요하므로 2년간의 연구기간을 제안합니다.

3. 연구의 필요성과 목적:

기후변화 대응이 국제사회의 핵심 의제로 부상하면서, 한국 역시 2050 탄소중립 목표를 선언하고 부문별 감축 전략을 추진하고 있습니다. 농업 부문은 전체 온실가스 배출의 약 3.6%(2022년 기준)를 차지하지만, 동시에 토양 탄소 격리, 바이오매스 증진 등을 통해 탄소 흡수원으로서 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 글로벌 농업 탄소 시장은 2023년 2억 달러 규모에서 2030년까지 약 120억 달러로 성장할 것으로 예측되고 있으며, 선진국들은 이미 농업 부문의 탄소 감축과 흡수를 촉진하는 다양한 정책과 시장 메커니즘을 도입하고 있습니다.

그러나 농업 부문의 탄소 거래는 측정의 어려움과 불확실성이라는 근본적인 장애물에 직면해 있습니다. 토양 내 탄소 저장량은 지역적 변이가 크고, 농업 관행, 기후 조건, 토양 특성 등 다양한 요인에 영향을 받습니다. 기존의 측정 방법은 시간과 비용이 많이 들뿐 아니라 정확도와 일관성이 부족해, 신뢰할 수 있는 탄소 크레딧 발행의 걸림돌로 작용하고 있습니다.

이러한 배경에서 최근 급속히 발전하고 있는 디지털 트윈 기술과 인공지능은 농업 부문 탄소 측정과 거래의 새로운 패러다임을 제시합니다. 디지털 트윈은 실제 농업 시스템의 가상 복제본으로, 토양, 작물, 기후, 농업 관행 등을 실시간으로 모니터링하고 시뮬레이션할 수 있습니다. 최신 연구에 따르면, 디지털 트윈 기술은 농업 시스템에서 수자원과 에너지 사용을 최대 40%까지 절감할 수 있으며, 탄소 흐름을 정밀하게 추적하는 역량을 갖추고 있습니다. 여기에 인공지능 예측 모델을 결합하면, 다양한 농업 관행이 탄소 격리에 미치는 영향을 과학적으로 예측하고 검증할 수 있게 됩니다.

이 연구는 다음과 같은 구체적인 목적을 가지고 추진하고자 합니다:

첫째, 한국 농업 환경에 최적화된 농업 디지털 트윈 모델을 개발합니다. 주요 작물, 토양 유형, 기후 조건 등 한국의 농업 특성을 반영한 디지털 트윈 구축 방법론을 제시합니다.

둘째, 디지털 트윈과 AI를 활용한 정밀 탄소 측정·예측 시스템을 설계합니다. 토양 탄소 격리, 바이오매스 증진, 온실가스 감축 등 농업 활동의 탄소 영향을 과학적으로 정량화하는 방법론을 개발합니다.

셋째, 정밀 측정에 기반한 한국형 농업 탄소 거래 프레임워크를 구축합니다. 농가 참여 촉진, 거래 비용 절감, 투명성 확보 등을 위한 제도적, 기술적 기반을 마련합니다.

넷째, 농업 탄소 시장 활성화를 위한 정책 패키지를 제안합니다. 초기 시장 형성, 인센티브 설계, 인증 체계 구축 등 농업 탄소 시장의 생태계 조성 방안을 도출합니다.

4. 주요 연구내용:

1) 한국 농업 환경 특화 디지털 트윈 모델 개발

농업 탄소 거래의 기반이 될 한국형 디지털 트윈 모델의 설계 및 구현 방안을 연구합니다.

첫째, 국내외 농업 디지털 트윈 기술 현황과 적용 사례를 분석합니다. 네덜란드, 미국, 호주 등 선진국의 농업 디지털 트윈 기술 개발 현황과 탄소 측정 관련 적용 사례를 조사하고, 한국 적용 시 고려사항을 도출합니다.

둘째, 한국 농업 시스템의 디지털 트윈화를 위한 데이터 요구사항과 수집 체계를 설계합니다. 토양 특성, 기후 조건, 작물 생육, 농업 관행 등 필요 데이터의 종류와 수집 방법, 표준화 방안을 제시합니다.

셋째, 작물별, 지역별 특성을 반영한 모듈형 디지털 트윈 아키텍처를 개발합니다. 논, 밭, 과수원, 시설원예 등 다양한 농업 유형별로 특화된 디지털 트윈 모델의 구조와 구성요소를 설계합니다.

넷째, 디지털 트윈과 실제 농업 시스템 간의 실시간 연동 방안을 모색합니다. IoT 센서, 위성 영상, 드론 데이터 등 다양한 소스의 실시간 데이터를 디지털 트윈에 통합하는 방법과 기술적 요건을 분석합니다.

2) AI 기반 탄소 흐름 측정·예측 모델 개발

디지털 트윈에서 수집된 데이터를 기반으로 농업 활동의 탄소 영향을 정밀하게 측정하고 예측하는 AI 모델을 연구합니다.

첫째, 토양 탄소 격리 예측을 위한 머신러닝 모델을 개발합니다. 토양 유형, 경작 방법, 작물 종류, 기후 조건 등 다양한 변수를 고려한 토양 탄소 동태 예측 모델을 설계하고, 정확도 검증 방법을 제시합니다.

둘째, 농업 활동별 온실가스 배출 및 흡수 모델링 방법론을 개발합니다. 질소 비료 사용, 가축 관리, 작물 잔여물 처리 등 주요 배출원과 작물 생장, 피복작물 도입 등 주요 흡수원의 탄소 영향을 정량화하는 방법을 연구합니다.

셋째, 탄소 측정의 정확도와 신뢰성 향상을 위한 보정 기법을 개발합니다. 실측 데이터, 위성 관측, 전문가 지식 등을 활용하여 AI 예측 모델의 정확도를 높이는 방법을 연구하고, 불확실성 평가 및 관리 프레임워크를 제시합니다.

넷째, 농가별 맞춤형 탄소 관리 의사결정 지원 시스템을 설계합니다. 개별 농가의 조건과 목표에 맞는 탄소 관리 전략을 추천하고, 예상 효과와 경제성을 시뮬레이션하는 기능을 개발합니다.

3) 정밀 탄소 거래 프레임워크 설계

농업 디지털 트윈과 AI 예측 모델에 기반한 혁신적인 탄소 거래 시스템의 구조와 운영 방안을 연구합니다.

첫째, 농업 부문 탄소 크레딧의 표준화 및 품질 보증 체계를 설계합니다. 다양한 농업 활동에서 발생하는 탄소 감축과 흡수를 표준화된 크레딧으로 변환하는 방법론과 품질 등급 체계를 개발합니다.

둘째, 블록체인 기반 탄소 거래 플랫폼 아키텍처를 설계합니다. 디지털 트윈 데이터의 무결성 보장, 거래의 투명성 확보, 이중 계상 방지 등을 위한 블록체인 기술 적용 방안을 연구합니다.

셋째, 탄소 크레딧 가격 결정 메커니즘을 개발합니다. 크레딧 품질, 시장 수요-공급, 지역적 특성 등을 고려한 공정하고 효율적인 가격 결정 모델을 설계하고, 가격 변동성 관리 방안을 제시합니다.

넷째, 거래 참여자 인센티브 구조와 리스크 관리 방안을 연구합니다. 농가, 구매자, 중개자, 검증자 등 다양한 이해관계자의 참여 동기를 높이고 리스크를 관리하는 방안을 도출합니다.

4) 파일럿 테스트 및 정책 패키지 개발

디지털 트윈 기반 탄소 거래 시스템의 실효성 검증을 위한 파일럿 프로젝트 설계와 정책 지원 방안을 연구합니다.

첫째, 지역 기반 파일럿 프로젝트 설계 및 실행 계획을 수립합니다. 다양한 농업 유형과 지역적 특성을 고려한 대표성 있는 파일럿 지역 선정 기준과 실행 방법론을 개발합니다.

둘째, 농업인 참여 확대를 위한 교육 및 역량 강화 프로그램을 설계합니다. 디지털 기술에 대한 이해도 향상, 탄소 관리 역량 강화, 시장 참여 지원 등을 위한 맞춤형 프로그램을 개발합니다.

셋째, 농업 탄소 시장 활성화를 위한 정책 지원 방안을 도출합니다. 초기 시장 형성기의 불확실성 관리, 거래 비용 절감, 규모의 경제 달성 등을 위한 공공 부문의 역할과 지원 정책을 제안합니다.

넷째, 국내외 환경 정책 및 무역 정책과의 연계 방안을 모색합니다. 국가 온실가스 감축목표(NDC), 배출권거래제, 탄소국경조정제도(CBAM) 등과의 정합성 확보 및 시너지 창출 방안을 연구합니다.

5. 기대효과 및 활용방안:

1) 정책적 기대효과

본 연구를 통해 다음과 같은 정책적 효과가 기대됩니다:

첫째, 농업 부문의 탄소중립 기여도가 제고됩니다. 정밀한 탄소 측정과 인센티브 체계 구축을 통해 농업 부문의 온실가스 감축과 탄소 격리를 촉진함으로써, 국가 탄소중립 목표 달성에 실질적으로 기여할 수 있습니다.

둘째, 데이터 기반 농업 정책의 과학적 기반이 강화됩니다. 디지털 트윈을 통해 구축된 농업 시스템의 실시간 데이터는 탄소 관리뿐 아니라 농업 생산성, 환경 영향, 자원 효율성 등 다양한 측면의 정책 수립에 활용될 수 있습니다.

셋째, 한국형 농업 탄소 시장의 국제적 신뢰성이 확보됩니다. 과학적이고 투명한 측정 방법론을 기반으로 한 탄소 크레딧은 국제 시장에서의 인정과 연계를 촉진함으로써, 한국 농업의 글로벌 경쟁력 강화에 기여할 것입니다.

넷째, 농업-환경-IT 융합 정책의 모델이 제시됩니다. 디지털 기술을 활용한 환경 문제 해결과 경제적 가치 창출의 선순환 모델은 농업을 넘어 다양한 분야에 적용 가능한 정책 패러다임을 제시할 것입니다.

2) 경제적 기대효과

본 연구를 통한 디지털 트윈 기반 탄소 거래 프레임워크의 구축은 농업 경제에 다각적인 파급효과를 가져올 것으로 예상됩니다.

먼저, 농가의 새로운 소득원 창출 효과가 기대됩니다. 탄소 감축과 격리 활동을 통해 발생하는 탄소 크레딧은 농가의 추가 수입원이 될 수 있습니다. 국제 사례에 따르면, 토양 탄소 격리를 통해 농가는 헥타르당 연간 약 0.5~3톤의 탄소를 저장할 수 있으며, 톤당 20~50달러의 탄소 가격을 적용할 경우 헥타르당 10~150달러의 추가 수입이 가능합니다. 국내 농업 여건을 고려할 때, 농가당 연간 50만원~300만원의 추가 소득 창출이 가능할 것으로 예상됩니다.

다음으로, 농업 경쟁력 강화 효과가 있을 것입니다. 디지털 트윈을 통한 정밀 농업 관리는 자원 효율성을 높이고 생산비를 절감하는 효과가 있습니다. 특히 비료, 농약, 에너지 등의 사용량을 최적화함으로써 20~30%의 비용 절감이 가능하며, 이는 농가의 수익성 향상으로 이어질 것입니다. 또한 환경 친화적 농산물에 대한 프리미엄 확보를 통해 부가가치를 높일 수 있습니다.

또한, 새로운 농업 서비스 산업 창출 효과가 예상됩니다. 디지털 트윈 구축, 탄소 측정 및 검증, 거래 중개, 컨설팅 등 다양한 서비스 영역이 창출될 것으로 예상됩니다. 이는 농업 관련 IT, 환경, 금융 등 다양한 분야의 일자리 창출과 산업 성장으로 이어질 것입니다. 특히 농촌 지역에 기반을 둔 특화된 서비스 산업의 발전은 지역 경제 활성화에 기여할 것입니다.

마지막으로, 농업의 환경 가치 실현을 통한 국가 경제적 편익이 발생할 것입니다. 농업 부문의 탄소 감축 및 흡수 활동은 국가 온실가스 감축 목표 달성에 기여함으로써, 탄소국경조정제도 등 국제 무역 환경 변화에 대응하는 국가 경쟁력 강화로 이어질 것입니다. 또한 토양 건강성 향상, 수질 개선, 생물다양성 증진 등 다양한 환경 서비스의 가치가 경제적으로 실현될 수 있습니다.

3) 활용방안

본 연구의 결과는 다음과 같이 다양한 방면에서 활용될 수 있습니다:

첫째, 농업 탄소 거래 시장 구축의 기초자료로 활용됩니다. 본 연구에서 도출된 디지털 트윈 설계, 탄소 측정 방법론, 거래 프레임워크는 실제 시장 구축을 위한 구체적인 로드맵과 기술적 가이드라인으로 활용될 수 있습니다. 특히 표준화된 방법론과 프로토콜은 시장의 투명성과 신뢰성을 확보하는 핵심 요소가 될 것입니다.

둘째, 농가 의사결정 지원 도구로 활용됩니다. 디지털 트윈과 AI 예측 모델은 농가가 탄소 관리와 경제적 이익을 균형 있게 추구할 수 있는 최적의 농업 관행을 선택하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 다양한 시나리오에 따른 탄소 영향과 경제적 효과를 시뮬레이션함으로써, 농가별 맞춤형 전략 수립이 가능해집니다.

셋째, 농업-환경 정책의 과학적 기반으로 활용됩니다. 디지털 트윈을 통해 구축된 농업 시스템의 정밀한 데이터는 농업 정책, 환경 정책, 기후변화 대응 정책 등 다양한 정책 영역의 의사결정을 지원하는 과학적 근거로 활용될 수 있습니다. 특히 정책 효과의 사전 시뮬레이션과 사후 평가가 가능해져, 증거 기반 정책 수립이 강화될 것입니다.

넷째, 국제 협력 및 표준화 활동의 기반으로 활용됩니다. 본 연구의 결과물은 농업 부문 탄소 측정 및 거래와 관련된 국제 표준화 활동과 글로벌 협력에 있어 한국의 발언권을 강화하는 기초가 될 수 있습니다. 특히 아시아 지역의 농업 특성을 반영한 측정 방법론과 거래 시스템은 유사한 환경을 가진 국가들과의 협력을 통해 지역 표준으로 발전할 가능성이 있습니다.

마지막으로, 이 연구는 농업의 미래 가치 창출 모델을 제시하는 데 기여할 것입니다. 농업을 단순한 식량 생산을 넘어 환경 서비스 제공자, 탄소 관리자로서의 새로운 역할로 확장함으로써, 농업과 농촌의 지속가능한 발전을 위한 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대됩니다.

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한국농촌경제연구원 2025.04.18

안녕하세요. ‘연구제안’에 참여해 주셔서 감사합니다.

본 건은 26년도 일반과제 원외 제안으로 접수되어, 해당내용을 관련 연구자들에게 전달하였습니다.

추후 연구자의 과제 추진의사가 있을 경우, 연구원의 심의 과정을 거쳐 과제가 선정될 예정입니다.

앞으로도 연구원 과제 발굴에 많은 관심과 성원 부탁드립니다.

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