[논문 리뷰] Energy Limits to the Gross Domestic Product on Earth

Andreas M. Hein, Jean-Baptiste Rudelle|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 11.

Global Energy and Sustainability Research참고 문헌 79인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 탄소 중립성을 달성하더라도 열역학적 제약으로 인해 지구의 글로벌 경제에 경직된 상한선이 존재한다고 주장한다. Greenhouse gas로 인한 온난화와 에너지 소비로 인한 온난화를 모두 모델링함으로써, 지속적인 연간 2%의 GDP 성장은 백 년 내에 행 星의 에너지 수용 능력을 고갈시킬 것이며, 에너지 밀도를 극적으로 낮추지 않는 한 행 星 외 경제 확장을 필수로 한다고 보여준다.

ABSTRACT

Once carbon emission neutrality and other sustainability goals have been achieved, a widespread assumption is that economic growth at current rates can be sustained beyond the 21st century. However, even if we achieve these goals, this article shows that the overall size of Earth's global economy is facing an upper limit purely due to energy and thermodynamic factors. For that, we break down global warming into two components: the greenhouse gas effect and heat dissipation from energy consumption related to economic activities. For the temperature increase due to greenhouse gas emissions, we take 2 °C and 5 °C as our lower and upper bounds. For the warming effect of heat dissipation related to energy consumption, we use a simplified model for global warming and an extrapolation of the historical correlation between global gross domestic product (GDP) and primary energy production. Combining the two effects, we set the acceptable global warming temperature limit to 7 °C above pre-industrial levels. We develop four scenarios, based on the viability of large-scale deployment of carbon-neutral energy sources. Our results indicate that for a 2% annual GDP growth, the upper limit will be reached at best within a few centuries, even in favorable scenarios where new energy sources such as fusion power are deployed on a massive scale. We conclude that unless GDP can be largely decoupled from energy consumption, thermodynamics will put a hard cap on the size of Earth's economy. Further economic growth would necessarily require expanding economic activities into space.

연구 동기 및 목표

• 에너지 및 열역학적 제약 하에서 지구에서 장기적인 경제 성장이 물리적으로 지속 가능한지 평가하기 위해.
• Greenhouse gas 배출과 에너지 소비로 발생하는 폐열이 공동으로 지구온난화에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 다양한 에너지 배치 시나리오 하에서 연간 2%의 GDP 성장을 유지할 수 있는지 평가하기 위해.
• 지구 경제의 하한선을 피하기 위해 GDP를 에너지 사용과 탈중앙화해야 하는지 여부를 판단하기 위해.
• 에너지 한계가 향후 경제 발전에 미치는 영향과 우주 기반 확장을 통한 잠재적 역할을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 온도 상승을 두 성분의 합으로 모델링: 온실가스로 인한 복사강제력과 에너지 사용으로 인한 열 방출.
• 온실가스로 인한 온난화에 대해 2°C와 5°C를 한계로 설정하고, 역사적 GDP-에너지 생산 상관관계를 바탕으로 폐열로 인한 온난화를 추정.
• 보수적인 기준으로서 사전 산업 시대 대비 총 허용 가능한 온도 상승 한도를 7°C로 설정.
• 융합 및 기타 고급 기술 포함한 대규모 탄소중립 에너지 자원의 실현 가능성에 기반한 네 가지 시나리오 개발.
• 누적 에너지 소비와 관련 폐열을 시간에 따라 예측하기 위해 단순화된 에너지 균형 모델 적용.
• 에너지 소비가 지구의 열 방출 능력을 초과할 때를 추정하여 GDP 성장의 상한선 계산.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열 방출과 에너지 사용에 대한 열역학적 제약을 고려할 때, 지구의 최대 지속 가능한 전 세계 GDP 수준은 무엇인가?
• RQ2 경제 활동으로 인한 온실가스 배출과 폐열이 공동으로 지구온난화에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 대규모로 탄소중립 에너지 자원이 도입된다면 연간 2%의 GDP 성장을 무한정 유지할 수 있는가?
• RQ4 미래 에너지 기술 배치에 대한 다양한 가정 하에서 지구 경제의 상한선는 어떻게 달라지는가?
• RQ5 경제 규모에 대한 열역학적 상한선을 피하기 위해 GDP를 에너지 소비에서 얼마나 탈중앙화해야 하는가?

주요 결과

• 탄소중립 에너지 자원의 대규모 도입이 이루어진 최적의 시나리오에서도, 열역학적 제약으로 인해 지구 경제는 경직된 상한선에 도달한다.
• 연간 2%의 GDP 성장률을 유지할 경우, 기술적 진보 여부와 관계없이 몇 세기 내에 경제 규모의 상한선에 도달한다.
• 온실가스 배출과 에너지 소비로 인한 폐열의 병합 효과로 인해 사전 산업 시대 대비 지구 평균 기온이 7°C 상승할 수 있다.
• 에너지 소비로 인한 열 방출만으로도 지구온난화에 상당한 기여를 하며, GDP와 주요 에너지 생산 간의 측정 가능한 역사적 상관관계가 존재한다.
• GDP를 에너지 소비에서 상당히 탈중앙화하지 않는 한, 지구에서의 지속 가능한 경제 성장은 물리적으로 불가능하다.
• 논문은 향후 지구의 한계를 초월한 경제 확장을 위해서는 우주 기반 경제 활동의 개발이 필수적일 것이라고 결론 내린다.