본 연구에서는 최대 발전량이 500kW인 서해 도서의 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템에 대한 경제성 분석을 수행하였다. 이를 위해 해당 도서에 대한 연간 전력 부하 변동치와 바람 데이터를 수집하고 분석하였으며, 풍력을 포함하여 신재생 에너지에 대한 하이브리드 최적화 모델로 미국의 NREL에서 개발한 Homer 프로그램을 이용하였다. 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템의 경제성을 판단하기 위해 풍속과 경유 가격을 변수로 하는 민감도 해석도 수행하였다. 그 결과, 현재의 조건에서는 경제성이 낮았으나, 풍속이 초속 3미터가 넘거나 경유 가격이 리터당 2.4달러를 초과할 경우 대상지역에도 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템이 경제성을 갖는 것으로 평가되었다.
본 연구에서는 최대 발전량이 500kW인 서해 도서의 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템에 대한 경제성 분석을 수행하였다. 이를 위해 해당 도서에 대한 연간 전력 부하 변동치와 바람 데이터를 수집하고 분석하였으며, 풍력을 포함하여 신재생 에너지에 대한 하이브리드 최적화 모델로 미국의 NREL에서 개발한 Homer 프로그램을 이용하였다. 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템의 경제성을 판단하기 위해 풍속과 경유 가격을 변수로 하는 민감도 해석도 수행하였다. 그 결과, 현재의 조건에서는 경제성이 낮았으나, 풍속이 초속 3미터가 넘거나 경유 가격이 리터당 2.4달러를 초과할 경우 대상지역에도 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템이 경제성을 갖는 것으로 평가되었다.
In this paper, an economic feasibility study of wind-diesel hybrid power systems for an island in the Yellow Sea, where the maximum power generation is about 500kW, was performed. For the study, annual electric load variation and wind resource data of the island were collected and analyzed. HOMER pr...
In this paper, an economic feasibility study of wind-diesel hybrid power systems for an island in the Yellow Sea, where the maximum power generation is about 500kW, was performed. For the study, annual electric load variation and wind resource data of the island were collected and analyzed. HOMER program - a typical hybrid optimization model for electric renewables including wind resource, developed by the National Renewable Energy Laboratory - was used. Wind speed and diesel price were picked out as variables for the sensitivity analysis in order to find the economic accountability for the wind-diesel hybrid power system. As the result, even though it is not feasible economically under the present condition, if mean wind speed is over 3 m/sec. or diesel price goes up to 2.4 $ per liter, the wind-diesel hybrid power system for the island becomes a prospective candidate.
In this paper, an economic feasibility study of wind-diesel hybrid power systems for an island in the Yellow Sea, where the maximum power generation is about 500kW, was performed. For the study, annual electric load variation and wind resource data of the island were collected and analyzed. HOMER program - a typical hybrid optimization model for electric renewables including wind resource, developed by the National Renewable Energy Laboratory - was used. Wind speed and diesel price were picked out as variables for the sensitivity analysis in order to find the economic accountability for the wind-diesel hybrid power system. As the result, even though it is not feasible economically under the present condition, if mean wind speed is over 3 m/sec. or diesel price goes up to 2.4 $ per liter, the wind-diesel hybrid power system for the island becomes a prospective candidate.
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문제 정의
본 연구에서는 국내 도서지역을 대상으로 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템의 경제성을 분석하기 위하여 유인도 중 최대전력이 500kW에 가장 가까운 곳을 선정하여 발전자료와 풍속자료를 수집/분석하고 풍력을 포함한 하이브리드 발전시스템에 대한 설계를 목적으로 미국의 신재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory; NREL)가 개발한 프로그램인 ‘HOMER'를 활용, 경제성 분석을 수행하였다(NREL, 2005).
본 연구에서는 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템을 도서지역에 적용하고자 할 때 수행해야하는 경제석 분석 및 민감도 해석을 수행하고 그 결과를 검토하였다. 우리나라 서해지역에 위치한 유인도 중에서 중간정도 규모로 독립발전을 하고 있는 섬을 택하여 대상지역의 발전현황 및 바람자원을 수집하고 이를 분석하였으며, 이를 기본자료로 하여 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템을 적용, 경제성 분석을 수행하였다.
이 프로그램은 ‘Hybrid Optimization Model for Electric Renewables’이라는 명칭에서 알 수 있듯이 풍력을 포함한 신재생에너지를 적용하는 하이브리드 시스템의 최적 모델을 찾기 위해 개발된 것이다.
이 프로그램은 ‘Hybrid Optimization Model for Electric Renewables’이라는 명칭에서 알 수 있듯이 풍력을 포함한 신재생에너지를 적용하는 하이브리드 시스템의 최적 모델을 찾기 위해 개발된 것이다. 이 프로그램은 풍력발전기, 태양광발전, 배터리, 디젤발전기, 마이크로터빈, 연료전지, 소규모 수력발전, 소형 모듈의 바이오매스 등을 개별 요소로 갖는 하이브리드 발전시스템을 구성한 후, 평준화 발전단가 개념과 유사한 kW당 에너지 비용 (cost of energy)을 상호 비교함으로써 최적의 시스템을 찾는 것이다.
가설 설정
1억원까지 분포하는 것으로 조사되었다. 본 연구에서는 참고문헌에 제시된 가격들의 산술평균에 10%를 더한 값을 기준 가격으로 책정하였다. 이는 본 연구에서 고려하고 있는 설치 위치가 도서 지역임을 고려한 것이다.
제안 방법
고려 대상인 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템의 경제성을 분석하기 위하여 풍력발전기, 디젤발전기의 주요특성을 입력하고, 전력 수요 및 바람자원 데이터를 시간 단위로 연결시켰다. 주요한 경제성 인자 중에 연간 이자율은 6% 수준으로 정하였으며, 주요 시스템 구성을 Fig.
한편, 대상 도서의 바람자원은 2008년 전체 자료를 기상청으로부터 구입하였으며, 여기에는 시간별 풍향 및 풍속을 포함하고 있다. 구입한 자료는 1년 365일 8760시간의 약 2.5%에 해당하는 222시간이 결측되어 있었는데, 이와 같이 결측된 구간은 유효한 방안으로 보간하여 처리하였다.
디젤발전기는 400 kW 및 300 kW 각 1대씩 2대로 구성하였고, 투자비용은 400 kW 기준으로 6만달러로 추산하였으며, 유지보수비용은 년간 4천달러로 책정하였다 (Rehman 등, 2007; Hrayshat, 2009; Shaahid, 2010). 위의 참고문헌에 따르면, 400 kW급 디젤발전기에 대한 투자 비용은 최소 34,800달러에서부터 최고 72,000달러에 이른다.
이때, 최대전력에 대한 제한은 출력성능곡선을 이용할 수 있는 기 개발된 풍력발전기의 용량을 고려한 것이다. 또한, 풍속과 경유 가격을 변수로 한 민감도 해석을 수행하여 두 변수의 변화에 따른 경제성을 함께 검토하였다.
바람자료는 덴마크의 RisØ 연구소에서 개발한 유동해석 프로그램으로 바람자원 해석을 통하여 발전기 설치입지의 풍력에너지 계산에 사용되는 프로그램인 WAsP (RisØ, 2010)를 이용하여 Fig. 3과 같이 그 특성을 분석하였다.
위의 참고문헌에 따르면, 400 kW급 디젤발전기에 대한 투자 비용은 최소 34,800달러에서부터 최고 72,000달러에 이른다. 본 연구에서는 풍력발전기 가격 추정과 동일한 방법을 적용하여 약 6만 달러로 추산하였다. 또한, 디젤발전기에 대한 유지보수비는 투자 비용 대비 최소 1.
본 연구에서는 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템을 도서지역에 적용하고자 할 때 수행해야하는 경제석 분석 및 민감도 해석을 수행하고 그 결과를 검토하였다. 우리나라 서해지역에 위치한 유인도 중에서 중간정도 규모로 독립발전을 하고 있는 섬을 택하여 대상지역의 발전현황 및 바람자원을 수집하고 이를 분석하였으며, 이를 기본자료로 하여 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템을 적용, 경제성 분석을 수행하였다. 그 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
한편, 풍속 및 디젤연료 가격을 변수로 하는 민감도 해석을 수행하였다. 그 결과, 연료비가 현재와 같이 리터당 1.
대상 데이터
대상 도서에 대한 전력 수요는 2008년도 전체 일별 발전현황 자료를 이용하였다. 대상 도서의 경우, 총 5대의 디젤발전기로부터 950 kW의 설비용량을 갖추고 있으며, 주중의 전력수요가 적고 주말이 많은 전형적인 형태를 보이고 있다.
대상 도서에 대한 전력 수요는 2008년도 전체 일별 발전현황 자료를 이용하였다. 대상 도서의 경우, 총 5대의 디젤발전기로부터 950 kW의 설비용량을 갖추고 있으며, 주중의 전력수요가 적고 주말이 많은 전형적인 형태를 보이고 있다.
풍력-디젤 하이브리드 발전시스템은 풍력발전기 1기, 디젤 발전기 2대이며, 부하조절을 위해 플라이휠 1대를 고려하였다. 풍력발전기는 750 kW급이며, Fig.
풍력발전기의 설계수명은 20년이며, 유지보수비는 년간 약 2만달러 그리고 초기 투자비용은 플라이휠을 포함하여 110만 달러로 추산하였다. 여기서 플라이휠에 대한 투자비용을 포함한 것은 HOMER 프로그램 내의 장치 옵션에 플라이휠이 포함되어 있지 않기 때문이다.
이론/모형
본 연구에서는 미국 신재생에너지연구소인 NREL에서 1993년부터 개발을 시작하여 1997년 이후 공개된 HOMER라는 프로그램을 이용하였다. 이 프로그램은 ‘Hybrid Optimization Model for Electric Renewables’이라는 명칭에서 알 수 있듯이 풍력을 포함한 신재생에너지를 적용하는 하이브리드 시스템의 최적 모델을 찾기 위해 개발된 것이다.
성능/효과
(3) 또한, 풍속 조건을 고정하고 디젤발전에 소요되는 경유 가격을 변수로 수행한 해석 결과, 경유의 가격이 리터당 2.4달러 수준에 이르면 풍력발전기를 포함한 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템이 경제성을 갖는 것으로 나타났다. 석유가격은 추세적으로 상승할 것이란 전망이 대세인 것을 감안하면, 향후 국내 도서지역에도 하이브리드 발전시스템의 도입을 적극 검토할 필요가 있을 것이다.
한편, 풍속 및 디젤연료 가격을 변수로 하는 민감도 해석을 수행하였다. 그 결과, 연료비가 현재와 같이 리터당 1.5달러이고, 평균 풍속이 3 m/sec. 이상이면 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템의 발전 단가는 kWh당 0.
5% 수준의 유지보수비를 제시하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 국내 최저 수준인 2.0%를 채택하였다.
본 연구에서는 풍력발전기 가격 추정과 동일한 방법을 적용하여 약 6만 달러로 추산하였다. 또한, 디젤발전기에 대한 유지보수비는 투자 비용 대비 최소 1.1%에서 최대 4.4% 수준이었다. 본 연구에서는 다수 보수적으로 약 6.
또한, 평균풍속을 고정하고 연료비를 변수로 하여 민감도 해석을 수행한 결과 연료비가 리터당 2.4달러 이상일 때 하이브리드 발전시스템의 발전단가가 낮아지는 것으로 나타났다. 이 경우, 디젤발전기의 발전단가도 상승해서 kWh당 0.
5달러이고, 평균 풍속이 3 m/sec. 이상이면 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템의 발전 단가는 kWh당 0.541달러로 떨어져 경제성이 있는 것으로 나타났다 (Fig. 8참조). 참고로 대관령 지방의 평균 풍속은 약 3.
그러나 평균 풍속을 변수로 한 민감도 해석 결과, 평균 풍속이 3 m/sec. 이상이면 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템이 디젤발전기만에 의한 전력생산시보다 kWh당 발전단가가 낮아져 경제성을 갖는 것으로 분석되었다.
초기에 주어진 조건 하에서 시뮬레이션을 한 결과, 디젤발전기 2대에 의한 발전단가는 kWh당 0.558달러, 풍력발전기가 조합된 하이브리드 발전시스템에 의한 발전단가는 kWh당 0.575달러로 디젤발전기 2대에 의한 것이 경제적으로 나타났다. 특히 Fig.
575달러로 디젤발전기 2대에 의한 것이 경제적으로 나타났다. 특히 Fig. 6에서 알 수 있듯이 풍력발전기에 의한 전력 공급은 계절별로 균등하게 분포하고는 있으나, 전체 발전량의 8.1% 수준 (즉, 풍력발전 분담률)에 그쳐 그 활용성 또한 매우 낮은 것으로 나타났다. 이는 적용된 풍력발전기의 정격 성능이 약 14 m/sec.
후속연구
4달러 수준에 이르면 풍력발전기를 포함한 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템이 경제성을 갖는 것으로 나타났다. 석유가격은 추세적으로 상승할 것이란 전망이 대세인 것을 감안하면, 향후 국내 도서지역에도 하이브리드 발전시스템의 도입을 적극 검토할 필요가 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
2007년 기준 한국에서 디젤발전기를 이용하여 독립발전을 하는 섬은 몇 개인가?
우리나라는 3,350여개의 섬이 있으며 이중 사람이 거주하는 유인도는 482개 정도이다 (국토해양부, 2010). 또한, 한국전력 공사 자료에 의하면, 유인도 중 디젤발전기를 이용하여 독립발전을 하는 곳은 2007년 기준으로 평균전력 200kW 이상인 곳만 백령도를 포함하여 16개에 이른다 (한국전력공사, 2010). 그리고 2007년 한 해 동안 16개 도서의 독립디젤발전을 위해 약 37,800 kl의 연료가 소비되었는데 이는 국내 경유가격이 리터당 1,500원대이고, 도서지역 발전용 석유류가 면세대상임을 감안하더라도 약 386억원에 이르는 금액이 전기생산에 소요되는 것이다.
2010년 기준 한국에 존재하는 유인도는 몇 개인가?
우리나라는 3,350여개의 섬이 있으며 이중 사람이 거주하는 유인도는 482개 정도이다 (국토해양부, 2010). 또한, 한국전력 공사 자료에 의하면, 유인도 중 디젤발전기를 이용하여 독립발전을 하는 곳은 2007년 기준으로 평균전력 200kW 이상인 곳만 백령도를 포함하여 16개에 이른다 (한국전력공사, 2010).
풍력 하이브리드 발전의 특징은?
풍력과 관련하여 세계적으로 가장 많이 이용되는 하이브리드 발전은 디젤엔진을 이용하는 풍력-디젤 발전과 태양광을 이용하는 광전지-풍력발전으로 알려져 있다 (황, 2009). 풍력 하이브리드 발전의 경우, 풍력터빈은 섬과 같은 독립 전력계통과 연계되는 것이 일반적이며, 또한 대용량의 중앙집중식 전력계통과 연계되는 경우에 비해 풍력발전 비중이 상대적으로 높은 것이 특징이다. 독립발전에는 디젤엔진이 많이 사용되므로 풍력-디젤 발전시스템이 풍력 하이브리드 발전의 대표적인 예라 할 수 있다.
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