1.1 연구의 필요성

정부는 전 세계적인 탄소중립 기조에 대응하기 위하여 기존의 화석연료 기반 탄소 집약적 산업구조를 친환경적이고 저탄소적인 경제구조로 전환하기 위한 ‘2050 탄소중립 추진전략’을 2020년에 발표하였다. 이 전략에서는 탄소중립 제도의 기반 강화를 위한 세부 전략을 추진하기 위해, 이를 탄소중립, 경제성장, 삶의 질 향상을 목표로 설정하였다. 또한 경제구조의 저탄소화, 저탄소 산업생태계 조성, 탄소중립사회로의 공정전환이라는 3대 정책 방향을 마련하였다. 또한, 탄소중립 실현의 핵심인 에너지 생산 방법의 전환을 가속화하려는 방안으로 에너지의 주요 공급원을 화석연료에서 신재생에너지로 적극 전환하고자 하였다. 산업통상자원부에서는 2022년 “에너지 환경변화에 따른 재생에너지 정책 개선방안”을 통해 무질서한 설비 보급으로 인한 부작용 발생을 막고 합리적이며 실현 가능성이 높은 재생에너지 프로젝트를 추진하고자 하였다. 특히 지속적인 민원으로 인한 프로젝트 지연 및 갈등을 해결하기 위해, 주민 이익공유 확대와 가이드라인을 16대 과제 중 하나로 선정하여 추진하였다.

주민 이익공유 확대를 통한 주민 수용성 강화를 위한 제도 중 하나인 주민참여형 신재생에너지 사업은 지역 주민이 해당 사업에 일정 부분 투자(지분 참여, 채권, 펀드 등)하여 발전 수익을 공유하는 형태의 사업이다^{(KEA, 2022)}. 이 제도가 도입된 이후, 풍력과 태양광발전을 포함한 다양한 신재생에너지 프로젝트에 성공적으로 적용되었으며, 재생에너지가 우리나라의 주요 에너지원으로 활용되는 데 중요한 역할을 하고 있다. 신재생에너지 프로젝트가 진행되는 지역에서 주민들의 적극적인 참여를 유도함으로써, 해당 사업에 대한 부정적인 인식과 지역 주민들의 민원을 줄이는 데 기여하였다. 궁극적으로, 재생에너지 사업의 성공을 통해 사업자와 지역 주민이 함께 이익을 공유할 수 있는 기반을 마련하였다. 하지만 이해당사자간의 소통의 부족으로 인한 신뢰 저하 혹은 투명성 부족 등의 이유로 사업 진행이 지연되거나 취소되는 등 어려움을 겪는 사례도 발생하기도 한다. 따라서 주민참여형 신재생에너지 사업을 성공적으로 진행하기 위해서는 지역 주민과 지방자치단체의 수용성을 높이기 위해 사업 진행 과정에서 참여자 사이의 신뢰를 강화하고, 공정한 이익 분배가 이루어질 수 있도록 큰 노력을 기울이는 것이 필요하다.

본 연구에서는 협조적 게임 이론에서 자원 분배 계산을 위하여 활용되는 샤플리 값(Shapley Value)^{(Shapley, 1953)}을 활용하여 주민참여형 재생에너지 사업에서 참여자별 기여도 및 이익 분배를 분석하고자 한다. 이를 통해 신재생에너지 사업의 이해관계자인 발전사업자와 지역 주민 사이에서 발생할 수 있는 갈등을 줄이고, 해당 지역 주민과 지방자치단체의 수용성을 강화할 수 있을 것으로 기대된다.

1.2 연구의 목적

본 연구에서는 협조적 게임 이론을 활용하여 주민참여형 재생에너지 사업에서 참여자별 기여도와 이익 분배를 분석하고자 한다. 먼저, 주민참여형 재생에너지 사업의 구조를 살펴본 뒤, 협조적 게임 이론에서 공정한 자원 분배를 정량적으로 계산하는 방법인 샤플리 값을 활용하여 참여자 간 기여도와 이익 분배 과정을 설명한다. 이후, 실제로 진행된 주민참여형 신재생에너지 사업 사례를 바탕으로 참여자별 기여도를 분석하고, 이를 기반으로 이익 분배를 수행한다. 본 연구에서 도출된 각 참여자의 기여도와 이익 분배 값은 사업 진행 과정에서 공정한 이익 분배를 도모하고, 효과적인 사업 구조 설계를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

2.1 게임 이론의 개념 및 활용사례

게임 이론은 여러 주체가 서로의 전략을 고려하며 자신들의 이익을 최대화하거나 손실을 최소화하기 위해 상호작용하는 과정을 수학적으로 분석하는 이론이다. 또한, 게임 이론은 모든 참여자가 갈등과 협력 상황에서 합리적인 결정을 내린다고 가정한다. 게임 이론에서 게임은 크게 참여자(Players), 전략(Strategies), 그리고 보수(Payoff) 등으로 구성되며, 참여자는 게임에 참여하는 주체, 전략은 참여자가 게임에서 선택할 수 있는 행동 혹은 선택의 집합, 보수는 참여자가 전략을 선택한 결과 발생한 상호작용으로 인하여 얻는 이익이나 보상을 나타낸다. 게임 이론은 게임의 목적과 참여자간 상호작용 방식에 따라 비협조적 게임 이론(Noncooperative Game Theory)과 협조적 게임 이론(Cooperative Game Theory)으로 구분될 수 있다. 비협조적 게임 이론은 참여자들이 협력 없이 각자의 이익을 극대화하기 위해 독립적으로 전략을 선택하는 상황을 분석하는 이론이다. 이 이론은 주어진 전략과 상호작용을 기반으로 균형점을 찾는 데 초점을 맞추며, 이러한 균형점을 내쉬 균형(Nash Equilibrium)이라고 한다. 내쉬 균형은 존 내쉬(John Nash)가 제시한 개념으로, 참여자들이 협력 없이 자신의 이익을 극대화하기 위해 합리적으로 행동하는 상황을 수학적으로 설명한 것이다^{(Nash, 1951)}. 협조적 게임 이론은 참여자들이 협력하여 공동의 이익을 달성하고 이를 나누는 상황을 분석하는 게임 이론의 한 분야이다. 이 이론은 비협조적 게임 이론과 달리, 플레이어 간 협력과 연합의 형성을 허용하며, 이에 따른 이익 배분 문제에 초점을 둔다. 또한, 구속력 있는 계약과 같은 약속을 통해 협력을 보장하고, 참여자들이 그 약속을 준수하도록 요구하는 형태가 가능하다. 대표적인 이익 분배 방법으로는 로이드 샤플리(Lloyd Shapley)가 제시한 샤플리 값이 있다(Shapley, 1988).

게임 이론은 복잡한 상호작용의 상황을 이해하고 최적의 전략 도출을 위한 강력한 도구로 활용되며, 의사결정, 협상, 경쟁, 협력이 중요한 다양한 분야에서 활용되고 있다. 산업적 측면에서 갈등 해소와 문제 해결을 위한 방안으로 게임 이론이 활용된 사례는 다음과 같다. 먼저 물류 분야에서는 협조적 게임 이론을 응용하여 부산항 컨테이너 부두의 비용 배분을 위한 모델을 구성하고 이를 현행 접안료와 비교하는 연구를 진행하였으며^{(Sung, 2008)}, 역시 비협조적 게임 이론을 기초로 한 순차진행게임을 적용하여 동아시아 해운 선사들이 운항거리, 운송수요, 그리고 운임수준에 따라 달라지는 선사들의 의사결정에 대하여 분석을 진행하였다^{(Park, 2013)}. 농업 분야에서는 게임 이론을 활용하여 농촌 지역의 원주민과 귀농·귀촌인 사이에 발생할 수 있는 문제해결 전략의 다양한 관점에 대한 연구를 진행하여 다자간의 갈등 해결을 위한 방법으로 활용될 수 있도록 하였다^{(Kim and Park, 2019)}. 또한 ^{Nazari et al.(2020)}은 비협조적 게임 이론을 활용하여 정부와 농민 사이의 지하수 활용 관련 갈등 및 상호작용을 분석하기도 하였다. 관광분야에서 ^{Yoo et al.(2008)}은 무주 관광레저형 기업도시 추진과정에서 게임 이론을 기반으로 활용하여 지역에서의 관광개발 갈등 분석을 진행하였으며, ^{Kim et al.(2008)}은 지리산 국립공원의 활용에서 게임 이론 분석을 통한 문제점 해결의 합리적인 분석과 이에 따른 의사결정 지원에 관한 연구를 진행하기도 하였다.

2.2 건설 분야에서의 게임 이론

건설 분야에서도 다양한 영역에서 게임 이론을 활용하여 도출된 분석 결과를 의사결정을 위한 자료로 활용하고자 하였다. 예를 들어, ^{Kim and Lee(2006)}는 광역 상수도 시스템의 건설 비용을 분배하기 위해 협조적 게임 이론을 적용하는 방안을 연구하였다. 또한, ^{Jeong et al.(2018)}은 기후변화 적응을 위한 인프라 건설 비용을 지방 정부 간에 어떻게 분담할 수 있을지에 대해 협조적 게임 이론을 활용하여 제시하였다. 인프라 건설 장소 선정을 위해서는 비협조적 게임 이론을 활용하여 강변 여과시설의 최적 건설 위치를 결정하는 분석 방법을 제안한 연구^{(Lee and Lee, 2010)}도 진행되었다. 이외에도, 건설 계획 단계에서 갈등 구조를 분석하고 해결하기 위해 ^{Park et al.(2024)}은 비협조적 게임 이론을 사용하여 태양광발전 사업에서 발생한 갈등 사례를 분석하였다. 마지막으로, ^{Yoo and Cho(2022)}는 양면 게임 이론을 활용하여 대학 공공기숙사 건설에 따른 님비(NIMBY) 갈등에서 지방자치단체의 역할에 따라 협상 과정과 결과가 어떻게 변화하는지 분석하였다.

선행 연구 분석 결과, 다양한 분야에서 갈등 해결이나 비용/이익 배분을 위해 게임 이론을 활용한 의사결정 지원이 활발히 이루어지고 있음을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 다룰 신재생에너지 발전사업은 발전사업자, 지역 주민, 지방자치단체 등 다양한 이해관계자가 연관된 복잡한 구조를 가지고 있으며, 각 참여자 간의 상호작용을 체계적으로 분석하는 데 게임 이론을 효과적으로 활용할 수 있을 것이다. 특히, 신재생에너지 발전사업 초기 단계에서는 발전사업자와 지역 주민 간의 신뢰 부족으로 인해 대립적 상황과 갈등이 발생할 가능성이 높다. 이러한 상황에서는 비협조적 게임 이론을 바탕으로 각 참여자의 행동을 분석하고, 각자의 전략 선택에 따른 결과를 예측하여 갈등을 줄일 수 있는 방안을 모색할 수 있을 것이다. 반면, 사업이 진행됨에 따라 지역 주민의 사업에 대한 이해도가 높아지고, 궁극적으로 주민참여형 신재생에너지 발전사업으로 전환하게 될 경우, 프로젝트의 수익과 비용을 공정하게 배분하고 장기적인 협력 구조를 설계하는 것이 중요하다. 이 단계에서는 협조적 게임 이론을 활용하여 각 참여자의 기여도와 이익 분배 과정을 합리적으로 분석함으로써 안정적인 협력 기반을 마련하는 것이 더 적절할 것으로 판단된다.

3.1 주민참여형 신재생에너지 개발사업

신재생에너지 발전사업에 대한 주민의 참여는 「신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법」제27조2 제1항에서 3항에 명시되어 있으며 이러한 법령은 신재생에너지 발전사업에서 지역 주민의 참여를 촉진하고, 그 수익을 공유하여 지역사회와의 상생을 도모하는 것을 목적으로 한다. 주민참여형 신재생에너지 사업은 태양광발전소(500 kW 이상)와 육상 풍력발전소(3 MW 이상)로부터 1 km 반경 이내에 위치한 읍·면·동에 1년 이상 거주하는 주민 혹은 그 주민으로 구성된 마을기업(5인 이상)이 참여하는 경우로 하며, 해상 풍력발전소(3 MW 이상)의 경우 발전기로부터 최근접 해안지점 기준으로 반경 5 km 범위내, 해안선으로부터 2 km 범위내 육지에 속하는 읍·면·동에 1년 이상 거주하는 주민이나 마을기업 그리고 어업권 등 관련법에 따른 피해보상 대상 어민, 어촌계가 참여하는 경우로 한다. 사업 참여 방식은 최소 5인 이상의 주민이 지분투자, 채권, 그리고 펀드 방식으로 참여할 수 있으며 자기자본 및 총 사업비의 일정 비율 이상 주민이 참여할 경우 ^{(MOTIE, 2025)}에 따라 재생에너지 인증서(Renewable Energy Certificates, 이하 REC) 추가 가중치를 부여하여, 추가 부여된 REC 수익이 주민에게 이익이 되는 여건을 마련해 줄 수 있도록 하였다.

3.2 샤플리 값을 활용한 기여도 분석 및 이익 분배

협조적 게임 이론은 ^{Von Neumann and Morgenstern(1944)}에 의해 처음 제시된 이론으로 참여자들이 협력하여 공동의 이익을 달성하고 이를 배분하는 상황을 분석하는 게임 이론의 한 분야로 정의된다. 이는 비협조적 게임 이론과 달리, 플레이어 간 협력과 연합의 형성을 허용하며, 그에 따른 이익 분배 문제에 초점을 둔다. 특히, 협조적 게임 이론에서는 참여자들 간의 구속력 있는 계약과 같은 약속을 맺고, 이를 준수하도록 요구할 수 있는 형태가 가능하다는 점에서 비협조적 게임 이론과 차별화된다. 협조적 게임 이론에서 대표적인 보수 분배 방법으로는 로이드 샤플리(Lloyd Shapley)가 제시한 샤플리 값(Shapley Value)이 있다. 샤플리 값은 모든 가능한 참여자 집합에 대하여 각 참여자에게 기여한 공정한 보수를 할당하는 방식으로, 참여자 집합 $N$에 대하여 참여자 $i$의 샤플리 값 $\Phi_{i}$는 아래의 Eq. (1)과 같이 정의된다. 각 참여자는 연합(Coalition)에서 한계적 기여(Marginal Contribution)를 통해 전체 이익에 얼마나 기여를 했는지 평가되고, 샤플리 값은 모든 가능한 순서에서 각 플레이어의 기여도를 평균을 내어 공정한 배분을 계산한다.

Eq. (1)에서의 $N$ = 참여자들의 집합, $S$ = i를 포함하지 않는 부분 연합, $| S |$ = 연합 $S$의 크기, $v(S)$ = 연합 $S$가 얻는 보수, $v(S\cup i)-v(S)$ = 참여자 $i$의 한계적 기여, 그리고 $n$ = 전체 참여자의 수의 값이다.

4.1 신재생에너지 개발사업의 개요

본 연구에서는 게임 이론을 활용하여 우리나라 A 지역에 위치한 99.6 MW급 육상 풍력발전 프로젝트를 분석하고자 한다. 해당 프로젝트는 총 사업비 2,745억 원으로, 3개의 단지로 구성되어 있다. Fig. 1은 주민참여형 신재생에너지 발전 사업의 자금조달 구조를 보여주며, 이 구조는 특수목적법인(Special Purpose Company, SPC)을 중심으로 풍력발전 사업 펀드, 출자자, 주민조합이 참여하는 형태로 구성되어 있음을 확인할 수 있다. SPC는 풍력발전 사업 펀드로부터 프로젝트 파이낸싱(PF)을 조달하고, 주민조합에는 주민채권을 발행하여 자금을 확보한다. 추가적으로, 전략적 출자자(SI), 건설 출자자(CI), 그리고 필요시 재무적 출자자(FI)로부터 자본을 조달한다. 주민조합에 참여한 조합원은 조합에 출자하여 발생한 이익에 대한 배분을 받는다.

A 지역의 풍력발전 사업을 일정한 계약을 통해 주민참여형 신재생에너지 프로젝트로 추진할 경우, 「신·재생에너지 공급의무화제도 및 연료 혼합의무화제도 관리·운영지침」에 따라 REC를 20 % 추가로 부여받을 수 있다. 이를 통해 주민참여형 신재생에너지 사업으로 추진하지 않을 때보다 더 높은 수익을 기대할 수 있다. 추가로 부여된 REC의 가치는 주민조합이 보유하는 SPC의 출자 지분으로 계상하여 사업을 진행하며, 지역 주민들이 조합원으로 참여할 수 있도록 함으로써 사업에 대한 지역 주민의 찬성 비율을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

풍력발전 사업의 운영 수입은 전력 판매수입과 REC 판매수입으로 구성된다. 전력 판매수입은 풍력발전을 활용하여 생산된 전력을 전력거래소를 통해 한국전력에 판매하게 되는데, 시간대별 발전량에 시간대별 계통한계가격(System Marginal Price: SMP)를 곱하여 산출할 수 있다. REC 판매수입의 경우 「신·재생에너지 공급의무화제도 관리 및 운영지침」에 따라 풍력발전으로 생산된 발전량의 일정 비율로 REC를 부여받게 되는데, 판매 수익의 경우 REC 부여량에 평균판매단가를 곱하여 산출한다.

Fig. 1. Funding Structure Example for Resident Participation Renewable Energy Projects

4.2 기여도 분석

협조적 게임 이론을 통한 분석에서는 특성 함수 형태로 표현하는 것이 일반적인데, 이는 협조적인 상황에서 참여자의 협력에 따른 이익을 분석하는데 더 적합하기 때문이다. 본 논문에서는 참여자의 집합이 풍력발전 사업자(A) 그리고 지역주민(B)으로 구성될 수 있다. 풍력발전 사업자가 단독으로 사업을 진행할 때 주민참여형 신재생에너지 프로젝트로 인정받지 못한다면, REC를 추가적으로 지급받지 못한다. 반면에 풍력발전 사업자(A)와 지역주민(B)가 일련의 계약을 통해 사업이 주민참여형 신재생에너지 프로젝트로 인정받을 수 있는 경우 프로젝트는 REC를 추가적으로 지급받아 사업을 진행할 수 있다. 사업이 발전소 완성 후 20년동안 수익을 얻을 수 있다고 가정할 때, 가능한 연합의 형태(Coalition Form)와 각 연합이 협력하여 달성할 수 있는 총 가치(운영 수입)인 특성 함수 값(Characteristic Function Value)을 Table 1과 같이 계산할 수 있다. 풍력발전 사업자(A)와 지역주민(B) 모두가 참여하지 않는다면, 특성 함수값은 0 원으로 계산할 수 있다. 풍력발전 사업자(A)와 지역주민(B) 중, A만 홀로 참여한다면 A의 특성 함수 값은 1,274억 500만원, B만 홀로 참여한다면 B는 홀로 사업 진행이 어렵기 때문에 B의 특성 함수 값은 0원으로 계산할 수 있다. 마지막으로 풍력발전 사업자(A)와 지역주민(B)이 주민참여형 신재생에너지 프로젝트로 협력하여 진행한다면, 추가 부여받은 REC 수익까지 계상되어 보상인 A와 B 연합의 특성 함수 값은 1,574억 500만원으로 계산할 수 있다.

풍력발전 사업자와 지역주민이 연합할 경우 참여자별 한계 기여(Marginal Contribution)를 구해보면 다음과 같다. 첫번째로 풍력발전 사업자가 먼저 참여한 상태에서 지역주민이 나중에 참여한 경우를 살펴보면, 풍력발전 사업자가 먼저 참여할 경우 풍력발전 사업자는 혼자서 1,274억 500만원의 수익을 얻는다, 다음으로 지역주민이 합류하면서 총 수익은 1,574억 500만원이 되므로 지역주민의 한계 기여는 323억원이다. 두번째로 지역주민이 먼저 참여하고 풍력발전 사업자가 나중에 참여한 경우를 살펴보면, 지역주민이 먼저 참여할 경우 지역주민은 혼자 사업을 진행하기 어렵기 때문에 0원의 수익을 얻는다. 다음으로 풍력발전 사업자가 참여하면서 총 수익은 1,574억 500만원이 되므로 풍력발전 사업자의 한계기여는 1,574억 500만원이다.

Table 1에서 계산된 보상을 기반으로 하여 풍력발전 사업자(A)와 지역주민(B) 각각의 샤플리 값을 계산할 수 있다(Table 2). 풍력발전 사업자(A)의 샤플리 값인 평균 기여($\Phi_{A}$)는 1,435억 5,500만원이며, 지역주민(B)의 샤플리 값인 평균 기여($\Phi_{B}$)는 161억 5,000만원으로 풍력발전 사업자는 협력에서 주요 기여를, 지역주민은 상대적으로 적은 기여를 했다는 것을 알 수 있다. 상대적 샤플리 기여도(Relative Shapley Value)는 참여자 $i$의 샤플리 값($\Phi_{i}$)이 대연합(Grand Coalition)에서의 총 보상($v(N)$)에서 차지하는 비율을 말하며, 이는 각 참여자가 협력에서 차지하는 상대적 중요도를 나타낸다고 할 수 있다(Table 2). 풍력발전 사업자(A)와 지역주민(B)이 연합하여 주민참여형 신재생에너지 프로젝트로 사업을 진행 시 풍력발전 사업자(A)는 전체 보상 중 89.9 %, 지역주민(B)은 전체 보상 중 10.1 %를 기여한다고 계산할 수 있다.

4.3 이익 분배 활용 방안

본 연구에서 도출한 샤플리 값과 상대적 샤플리 기여도를 활용하여 협력적 게임 이론에서 각 참여자가 공정하게 기여한 가치를 평가하고 프로젝트 이익 분배를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다. 풍력발전 사업자(A)와 지역주민(B)이 연합하여 주민참여형 신재생에너지 프로젝트로 사업을 진행 시 풍력발전 사업자(A)는 전체 보상 중 89.9 %, 지역주민(B)은 전체 보상 중 10.1 %를 기여한다라고 할 때, 이를 기준으로 총 수익을 분배하거나 특수목적 법인 설립 시 참여 지분을 정하는 기준으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.