다단계 DEA Model을 이용한 국내 지자체의 폐기물 소각장 운영 효율성 분석에 관한 연구 = A Study on the Efficiency Analysis of the Operation of Domestic Waste Incineration Plants in the Korean Local Governments based on the Multi-Stage DEA Model

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The rapid growth of domestic industries and urbanization in South Korea has led to a significant increase in industrial waste and urban waste, posing serious social issues as environmental concerns. Until recently, the domestic response to such waste has primarily relied on landfilling. However, difficulties in securing landfill sites, coupled with the contamination of soil and groundwater due to the leaching of hazardous components from landfill waste, have caused severe environmental pollution and secondary environmental problems. Moving away from landfill-centered waste management methods, incineration has now emerged as an essential method for handling municipal solid waste. In the metropolitan area, direct landfilling of municipal waste will be prohibited starting from 2026, while in other regions, it will be prohibited from 2030. As a result, various types of waste can be broadly categorized into recycling and incineration as the methods of choice for disposal.
The 21st century has seen the emergence of environmental and energy challenges as global issues, with climate change, global warming, and carbon emissions reduction becoming essential for sustainable growth, future preservation of the global environment, and human survival, and energy policy has shifted to address these challenges. The European Union’s Circular Economy Action Plan, one of the components of the European Green Deal strategy, is a new agenda for achieving the sustainable economic growth that the EU seeks. The EU’s energy policy, which is being promoted as a way to achieve sustainable economic growth, is an energy transition policy that dramatically reduces greenhouse gas emissions along with climate policy to reach climate and carbon neutrality in 2050. In other words, energy independence is achieved by minimizing energy import dependence, which provides many implications for Korea’s energy policy, which is characterized by high energy import dependence.
In addition, Goal 13 of the United Nations Sustainable Development Goals (UN-SDGs) calls for urgent action to combat climate change and its impacts, with the goal of strengthening adaptive capacity to climate-related hazards and natural disasters in all countries, and integrating climate change responses into national policies, strategies, and plans. The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) unanimously approved the IPCC Sixth Assessment Report (AR6) Comprehensive Report at its 58th Session (March 13 (Mon) to March 19 (Sun), Interlaken, Switzerland), emphasizing the urgency of integrated short-term climate action. The sections of long-term climate change, risks and responses in the report presents an assessment of climate change by 2100 under the phases of future socio-economic development, while the short-term response section highlights the importance of a climate resilient development pathway that integrates adaptation and mitigation actions towards sustainable development and provides options for assessing and scaling up adaptation and mitigation actions in the short term (by 2040). Policy changes in domestic resource management have also shifted to policies that are in line with the international goals of ‘sustainable consumption and production’ set forth by the UN-SDGs, and analyzing the operational efficiency of incineration facilities operated nationwide under the national policy framework that aims to achieve zero direct landfill of recyclable waste can be used as a basis for resource circulation policies. In addition, as for overseas DEA-related studies, output factors in terms of the energy consumption and productivity of incineration facilities from the perspective of resource circulation are mainly used, and it is important to analyze the efficiency of the operation characteristics of municipal incinerators in Korea as various cases of local governments have shown that the extra heat energy of incinerators generates economic added value from the perspective of resource circulation.
This study conducted a three-step analysis of 67 incinerators in local governments, and summarizes the results as follows. First, in Step 1 Environmental Performance Analysis, the average efficiency level of overall efficiency was 0.877, which indicates that the level of incinerator operation is high, but there are 47 inefficiently operated incinerators with a ratio of 70.1%, which indicates that there are many incinerators that need to improve environmental performance and efficiency. The average efficiency level of 0.657 for overall efficiency in Step 2 Energy Utilization Analysis indicates a low level of incinerator operation, and the number of inefficiently operated incinerators is 57, which is about 85.1%, indicating that there are many incinerators that need to increase energy utilization in incinerator operation. Third, in Step 3 Total Efficiency, the total efficiency is the product of environmental performance efficiency and energy utilization efficiency, and the overall efficiency average of about 0.584 indicates somewhat low incinerator operation efficiency. The number of inefficient incinerators is about 94.0%, which indicates that there are many incinerators that need to increase the total efficiency of incinerator operation, and overall, there is a lot of room for improvement in the operation of municipal incinerators.
The following summarizes the results of the Incinerator Management Matrix analysis. In Steps 1, 2, and 3 of the Incinerator Management Matrix, there are 36 to 37 incinerators in Quadrant 1 with high overall efficiency and high technical efficiency, representing a ratio of approximately 53.7 to 55.2%. Those in Quadrants 2 through 4 are 30 - 31 ones with high or low overall efficiency levels and high or low technical efficiency levels, representing a ratio of 44.8 to 46.3%. The proportion of incinerators with high overall efficiency and high technical efficiency in the Incinerator Management Matrix is 9 to 10% higher than the proportion of incinerators with low efficiency. The analysis of the Incinerator Management Matrix between the metropolitan area and the provinces shows that the number of incinerators with high overall efficiency and technical efficiency is 13.5% to 20.9% higher in the metropolitan area than in the provinces, which means that there are more inefficiently operated incinerators in the provinces than in the metropolitan area.
The following would present the implications of this study. This study can be considered as a differentiated study in that it analyzes the efficiency of local government incinerator operation using a multi-stage DEA model, unlike the efficiency analysis of a single-stage DEA model with a simple input-output structure. In addition, as a differentiated research result in efficiency analysis, in the first step, the efficiency level of each incinerator is presented in terms of environmental performance of incinerator operation at a time when waste is increasing due to the rapid increase in waste due to the sophistication of domestic industry, and environmental problems caused by waste are becoming a serious social problem. In Step 2 Efficiency Analysis, in Korea as an energy-intensive country that relies mostly on imports for energy, energy resources are very important for national development, and the result of this study is differentiated in that it presented the efficiency level of energy utilization considering such energy utilization and aspects. In Step 3, this study presented the total efficiency level for each local government’s individual incinerator operation and could also identify the level of improvement for each incinerator at a glance by presenting the slack for input and output factors compared to the target. It is significant in that it suggests measures for efficiency improvement based on this.
Therefore, in the 21st century, as environmental and energy issues have emerged as global issues, global warming due to climate change and carbon emission reduction are essential issues for sustainable growth, future global environmental preservation, and human survival. At a time when energy policies such as establishing a carbon-neutral economic system and a circular economy system are changed, the results of the operational efficiency analysis of local government incineration facilities operating nationwide can be used as the basis for resource circulation policies. Moreover, it can be highly significant in providing essential data for the efficient operation of local incineration facilities, considering the practical characteristics of enhancing environmental efficiency levels and energy utilization efficiency levels in the operation of these facilities. This efficiency analysis result can be extremely useful for the operation of local incineration facilities, as it offers fundamental information that can be utilized effectively.

국문 초록 (Abstract)

국내 산업의 고도성장 및 도시화는 산업 폐기물, 도시 폐기물의 급속한 양적 증대를 가져와 환경 위해 요소로서 심각한 사회문제로 대두되고 있으며, 이러한 폐기물들에 대한 국내의 대응 방안은 최근까지 주로 매립에 의존했으나 매립지의 확보 상의 어려움과 더불어 매립 쓰레기의 유해 성분의 침출로 인한 토양 및 지하수의 오염으로 심각한 환경 오염을 일으키고 이로 인한 2차 환경 문제를 야기하고 있다. 이러한 매립 중심의 생활폐기물 처리 방법에서 벗어나 이제는 소각 방법이 필수적인 생활폐기물 처리 방법으로 대두되고 있으며 수도권의 경우는 2026년부터 생활폐기물 직매립이 금지되며 그 외 지역은 2030년부터 직매립이 금지됨에 따라 다양한 폐기물을 처리하는 방법은 재활용과 소각 방법으로 크게 구분할 수 있다.
21세기는 환경 및 에너지문제가 글로벌 이슈로 부각 되면서 기후변화로 인한 지구온난화현상, 탄소 배출감축 등은 지속 가능한 성장과 미래의 지구 환경보존, 인류의 생존을 위해서 필수적인 해결과제로 등장하였으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 에너지 정책이 전환되었다. 유럽연합의 순환 경제 행동 계획은 유럽 그리 딜 전략을 추진하는 구성요소 중 하나로 유럽연합이 추구하는 지속 가능한 경제성장을 달성하는 데 필요한 새로운 의제이다. 지속 가능한 경제성장을 달성 하기 위한 방안으로 추진하고 있는 유럽연합의 에너지 정책은 기후정책과 함께 온실가스 배출을 획기적으로 감축하여 2050년 기후 및 탄소중립에 도달하는 에너지전환 정책이다. 즉, 에너지 수입의존도를 최소화하여 에너지자립을 달성하는 것으로 이는 에너지 수입의존도가 높은 특징을 가지고 있는 우리나라의 에너지 정책에 많은 시사점을 제공해 주고 있다.
또한 UN-SDGs(지속가능발전목표) 중에서 13번은 기후변화와 그로 인한 영향에 맞서기 위한 긴급 대응을 목표로 모든 국가에서 기후 관련 위험과 자연재해에 대한 적응 역량을 강화하고, 국가 정책, 전략, 계획과 기후변화 대응 방안 통합 등을 목표로 제시하고 있다. 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)는 제58차 총회(3.13.(월)~3.19.(일)/스위스 인터라켄)에서 통합적인 단기 기후 행동의 시급성을 강조한 ‘IPCC 제6차 평가보고서(AR6) 종합보고서’를 만장일치로 승인했다. 이 보고서에서 장기 기후변화, 리스크 및 대응은 미래 사회경제 발전상에 따른 2100년까지의 기후변화에 대한 평가 결과를 제시했고, 단기 대응은 지속가능발전을 향한 적응 행동과 완화 행동을 통합한 기후 탄력적 개발(climate resilient development)경로의 중요성을 적시하고, 단기(2040년까지)에 적응과 완화 행동 옵션들을 평가하고 이를 확대 할 수 있는 방안을 제시하고 있다.
국내 자원관리에 대한 정책적 변화 또한 UN-SDGs(지속가능발전목표)에서 제시하는 ‘지속 가능한 소비·생산’이라는 국제적 목표에 부합하는 정책으로 전환되었으며, 재활용폐기물의 직매립률 제로화 달성을 목표로 삼고 있는 국가적 정책 기조에 따라 전국적으로 운영되고 있는 소각시설의 운영 효율성을 분석하는 것은 자원 순환 정책의 기초자료로 활용할 수 있다. 또한 해외 DEA 관련 연구의 경우 소각시설에 대한 자원 순환 관점의 에너지 소비나 생산성 측면의 산출 요인을 활용한 연구들이 주로 나타나고 있으며, 소각장의 여열 에너지가 자원 순환 관점에서 경제적 부가가치를 산출한다는 것이 다양한 지자체의 사례들이 발표되고 있는 상황에서 국내 지자체 소각장의 운영 특성에 관한 효율성을 분석하는 것은 중요한 의미가 있다.
본 논문은 지자체 67개 소각장에 대하여 3단계 분석을 하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째 1단계 환경성과 분석 결과 전반적 효율성(overall efficiency)의 평균효율성 수준이 0.877 정도로 나타난 점은 소각장 운영수준은 높은 편이나, 비효율적 운영 소각장이 47개로 70.1%의 비율로 나타난 점은 환경성과 효율성을 높여야 할 소각장이 많다는 것을 나타내고 있다. 2단계 에너지 활용성과 분석 결과 전반적 효율성(overall efficiency)의 평균효율성 수준이 0.657 정도로 나타난 점은 낮은 소각장 운영수준을 나타내고 있으며, 비효율적 운영 소각장이 57개로 약 85.1%의 비율로 나타난 점은 소각장 운영에 있어서 에너지 활용을 높여야 할 소각장이 많은 것을 나타내고 있다. 셋째 3단계 총 효율성은 환경성과 효율성 및 에너지 활용성과 효율성의 곱으로 나타난 분석 결과로 전반적 효율성 평균 0.584 정도로 나타난 점은 낮은 소각장 운영 효율성을 나타내고 있으며, 비효율적 운영 소각장이 63개로 약 94.0%의 비율로 나타난 점은 소각장 운영에 있어서 총 효율성을 높여야 할 소각장이 많은 것을 나타내고 있으며, 전반적으로 지자체 소각장 운영에 있어서 개선의 여지가 많음을 시사하고 있다.
다음은 소각장 관리매트릭스 분석 결과를 요약하면 다음과 같다. 소각장 관리매트릭스는 1, 2, 3단계에서 1사분면 소각장은 전반적 효율성도 높고 기술적 효율성이 높은 소각장으로 36~37개이며 약 53.7~55.2%의 비율을 나타내고 있다. 2~4사분면 소각장은 전반적 효율성 수준이 높거나 낮고, 기술적 효율성 수준도 높거나 낮은 소각장으로 30~31개이며 44.8~46.3%의 비율을 나타내고 있다. 이는 소각장 관리매트릭스에서 전반적 효율성도 높고 기술적 효율성도 높은 소각장이 그러하지 못한 소각장 비율보다 9~10% 높은 비율을 나타내고 있다. 수도권 대비 지방권 소각장 관리매트릭스 분석 결과 전반적 효율성과 기술적 효율성이 높은 소각장은 수도권이 지방권보다 13.5%~20.9%가 많음을 나타내고 있으며, 이는 지방권이 수도권보다 소각장 운영에 있어서 비효율적으로 운영되는 소각장이 많다는 것을 의미하고 있다.
다음은 본 연구 결과에 대한 의의를 제시하고자 한다. 본 연구 결과는 단순한 투입 대비 산출구조인 단일단계 DEA 모델 효율성 분석과는 달리 다단계 DEA 모델을 이용한 지자체 소각장 운영 효율성 분석이라는 점에서 본 연구는 차별화된 연구라 할 수 있다. 또한 효율성 분석에 있어서 차별화된 연구 결과로 1단계에서는 국내 산업의 고도화로 인한 폐기물의 급속한 증가에 따라 이에 대한 환경 문제는 사회적으로 심각한 문제로 야기되고 있으며, 이러한 시점에서 소각장 운영의 환경성과 측면에서 소각장별 효율성 수준을 제시한 점이다. 2단계 효율성 분석에서 우리나라는 에너지 다소비 국가이며 에너지는 대부분 수입에 의존하고 있는 국가로서 에너지 자원은 국가 발전에 있어서 매우 중요한 자원이며, 이러한 에너지 활용성과 측면을 고려한 에너지 활용 효율성 수준을 제시한 점은 본 연구의 차별화된 결과이다. 3단계 각 지자체 개별 소각장 운영에 대하여 총 효율성 수준을 제시한 점과 더불어 이상량(Target) 대비 투입 요소 및 산출 요소에 대한 과부족(slack)을 제시함으로 각 소각장별로 일목요연하게 개선 수준을 파악할 수 있으며. 이를 근거로 효율성 개선방안을 제시하고 있다는 점에서 상당한 의미가 있다.
따라서 21세기는 환경 및 에너지문제가 글로벌 이슈로 부각 되면서 기후변화로 인한 지구온난화현상, 탄소 배출감축 등은 지속 가능한 성장과 미래의 지구 환경보존, 인류의 생존을 위해서 필수적인 해결과제로서 이러한 문제를 해결하기 위해 탄소중립 경제체제, 순환 경제체제 확립 등 에너지 정책이 전환되는 시점에서 전국적으로 운영되고 있는 지자체 소각시설의 운영 효율성 분석 결과는 자원 순환 정책의 기초자료로 활용할 수 있다. 또한 지자체의 소각장 운영에 있어 환경적인 효율성 수준과 에너지 활용 효율성 수준을 높일 수 있는 현실적인 소각장 운영 특성이 반영된 효율성 분석 결과라는 점에서 지자체 소각장 운영에 있어서 매우 유용하게 활용될 수 있는 기초자료를 제공할 수 있다는 데서 큰 의의가 있다고 볼 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 표 목차 ⅴ
• 그림 목차 ⅷ
• 국문 요약 ⅹ
• 제1장 서론 1
• 제1절 연구의 목적 1
• 제2절 연구의 필요성 4
• 제3절 연구범위, 방법 및 구성 6
• 1. 연구의 범위 6
• 2. 연구의 방법 및 구성 7
• 제2장 국내외 폐기물 및 소각 현황에 관한 고찰 11
• 제1절 폐기물의 이론적 배경 11
• 1. 폐기물의 정의 11
• 2. 폐기물 분류 11
• 제2절 국내 폐기물 발생 및 처리현황 12
• 1. 폐기물 종류별 발생 현황 12
• 2. 폐기물 처리 방법별 발생 및 처리현황 20
• 제3절 국내외 폐기물 소각 및 열에너지 이용현황 29
• 1. 국내 폐기물 소각장 운영현황 29
• 2. 국내 지자체 폐기물 소각장 열에너지 이용현황 34
• 3. 국외 폐기물 소각처리 현황 38
• 제3장 효율성에 대한 이론적 배경 및 선행 연구 43
• 제1절 효율성의 개념과 측정모델 43
• 1. DEA 모델(CCR, BCC, SE) 43
• 2. DEA 모델(CCR, BCC, SE)특성 45
• 3. 다단계 DEA 모델(Multi-stage DEA Model) 48
• 제2절 효율성 프론티어에 관한 고찰 49
• 제3절 DEA 모델의 종류와 특징 53
• 1. 단일단계 DEA 모델(Single-Level DEA Model) 54
• 2. 다단계 DEA 모델(Multi-Level DEA Model) 58
• 제4절 국내외 폐기물 소각시설 운영 및 사례 선행 연구 65
• 1. 국내 폐기물 소각시설 운영 선행 연구 65
• 2. 해외 폐기물 소각시설 운영 및 사례 선행 연구 67
• 3. 투입 및 산출변수 선정 관련 선행 연구 77
• 제4장 DEA를 이용한 연구모형의 설계 80
• 제1절 분석 프레임웍 80
• 제2절 분석 대상 과제의 범위 81
• 1. 소각장 운영 효율성 분석 절차 82
• 2. 소각장 분석 대상 선정 및 제외 83
• 3. 지자체 185개 소각장 기술 통계량 및 특성 분석 87
• 제3절 투입 및 산출변수의 선정 95
• 제4절 연구모형 100
• 제5장 실증분석 결과 104
• 제1절 분석표본의 특성 및 상관관계 분석 104
• 1. 분석표본의 특성 104
• 2. 지자체 67개 소각장 유형 및 기술 통계량 특성 분석 104
• 3. 투입 및 산출 요소에 대한 상관분석 112
• 제2절 1단계 효율성 분석 결과 114
• 1. 1단계 (CCR/BCC/SE) 분석 결과 114
• 2. 1단계 효율성 그룹 참조 횟수 분석 118
• 제3절 2단계 효율성 및 1, 2단계 비교 분석 결과 121
• 1. 2단계 (CCR/BCC/SE) 분석 결과 121
• 2. 2단계 효율성 그룹 참조 횟수 분석 125
• 3. 1단계, 2단계 효율성 결과 비교분석 127
• 제4절 비효율적 소각장의 개선 수준 분석 130
• 1. 1단계 비효율적 DMU의 개선 수준 분석 130
• 2. 2단계 비효율적 DMU의 개선 수준 분석 135
• 제5절 3단계 총 효율성 및 단계별 효율성 비교분석 결과 142
• 1. 3단계 총 효율성 분석 결과 143
• 2. 1단계, 2단계 및 3단계(총 효율성) 분석 결과 비교 146
• 3. 3단계 총 효율성 우수소각장 비교분석 151
• 4. 소각방식에 따른 효율성 차이 분석 153
• 제6절 다단계 효율성 비교 157
• 제7절 국내 소각장 운영 효율성 기반 관리매트릭스 158
• 1. 1단계 효율성 관리매트릭스 및 지역별 분석 158
• 2. 2단계 효율성 관리매트릭스 및 지역별 분석 163
• 3. 3단계 총 효율성 관리매트릭스 및 지역별 분석 168
• 제6장 결 론 177
• 제1절 연구 결과 의의 177
• 제2절 소각장 효율성 제고를 위한 정책적 제언 178
• 제3절 연구의 한계점 및 향후 연구과제 180
• 참고문헌 182
• 부록 191
• Abstract 195

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36 정재명, "환경행정 서비스의 상대적 효율성 및 생산성 분석: 16개 광역시 도의 생활폐기물 관리를 중심으로,", 지방정부연구, 23(2), pp. 245-270, 2019

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38 권경환, "지방공공서비스 공급을 위한 혼합계약방식의 효율성 분석 : 도 시정부 생활폐기물 관리서비스 중심으로,", 지방정부연구. 14(1), : pp. 107- 133, 2010

39 고승희, "지방자치단체의 생활폐기물 처리에 관한 상대적 효율성 측정 : D EA(Data Envelopment Analysis) 기법을 중심으로,", 한국정책학회, 16(3), p p. 209-230, 2007

40 정지훈, 현승현, "지방정부의 민간위탁수준이 생활폐기물 처리에 미치는 영향 요인 분석 : 경기도 기초자치단체 중심으로,", 지방행정연구. 31(4) : pp. 177-198, 2017

41 정재명, "지방자치단체 생활폐기물 관리 서비스의 효율성 및 영향 요인 분석 : 7대광역시 소속 69개 자치구를 중심으로,", 지방행정연구, 34(3), pp. 89-128, 2020

42 권영우, "DEA를 이용한 중소기업 품질경영활동의 효율성 및 생산성 평가 에 관한 연구 : 싱글PPM 품질인증기업을 중심으로,", 숭실대학교, 박사학 위논문, 2010

43 강은숙, 박남기, 김종석, "지방정부에서의 공공서비스 공급과 민간위탁의 효과 : 7개 광역자치단체 69개 자치구의 생활폐기물 처리서비스를 중심으 로.", 한국행정논집, 22(4), : pp. 1067-1089, 2010

44 中商산업연구원, "2021년 중국쓰레기 소각발전 시장현황 및 전망[Analys is of the current situation and development prospects of China’s waste I ncineration power generation market in 2021]", 北极星垃圾发电网, 2021