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문제 정의
- 95로 50MW 단지에서는 주풍향 직렬 배열보다 경제성이 더 없을 것으로 판단되었고 오히려 I+80의 직렬 배열이 더 경제적인 것으로 판정되었다. 본 경제성 평가에서는 전력가격 및 총 공사비의 불확실성을 고려하여 발전단지배치에 따른 비교를 제시하였다. 설비용량에 따라 경제성평가 결과가 크게 달라질 것으로 예상되는데 그 이유는 총 발전단지 건설비 대비 전력 인프라 비용이 많은 부분을 차지하기 때문이다.
- 본 논문에서는 서해안 지역의 해상 풍력 발전단지 건설 예비 타당성 조사의 일환으로 대상 해역의 기상측정 자료를 수집하고 분석하였다. 또한 전력선 시공과 해상구조물 설계를 위한 현지 부지 특성 조사, 해역 특성 조사, 파도 해류 및 조위 자료조사, 이 밖에 경제성 분석 연구에 필요한 인근 송배전 및 변전소 위치와, 인근 해역의 어장형성, 문화재 등의 자료를 종합하여 해상풍력단지를 설계하고 단지 배치에 따른 민감도 분석을 실시하였다.
제안 방법
- 또한 배치구분에 +숫자의 의미는 각각 오른쪽으로 +숫자(도) degree 만큼 기울인 것을 의미한다. 각 풍력시스템간 거리는 750m의 이격을 하였으며, 풍력단지 배치로 인한 후류손실, 그리고 풍력단지 배치로 인한 해저케이블 증감으로 인한 총공사비의 증감을 계산하여 편차를 계산하였다. 편차를 계산함에 있어 B/Cratio가 1이 되는 시점은 그림 6의 모형 I형+80을 기준으로 하였다.
- 경제성 분석의 개개 변수는 할인율 6%, 이자율 6%, O&M 2%, 물가상승률 3%, 공사기간은 1년을 적용하였고, 단지배치에 따른 전력선 비용의 차이와 단지 배치에 따른 후류손실의 영향으로 인한 발전량의 차이를 기반으로 B/C와 IRR을 비교하였다.
- 단지 설계에 따른 발전량 예측은 와이블 분포를 이용하여 계산하는 WindPro를 사용하여 발전량을 예측하였다. 본 연구에 사용된 발전기는 R사의 5MW 기종을 사용하여 풍력시스템이 가상적으로 10기가 건설됐을 때의 예상 발전량 및 운전효율의 분석결과를 도출하였다.
- 현지 해상플랜트 예정단지로부터 육지로 직선거리 100m 지점 해안가에 설치하였는데 측정기간은 2007년 1월～2008년 3월 까지 약 1년에 걸쳐 측정하였다. 대기온도, 대기압, 풍속, 풍향 등을 연속적으로 수집하였고, 10분간의 데이터 평균, 표준편차, 최고 값, 최저 값 즉 전처리된 데이터세트를 저장하였다. 측정된 풍황 데이터를 분석한 결과가 다음의 표와 그림에 나타나 있다.
- 본 연구에 사용된 발전기는 R사의 5MW 기종을 사용하여 풍력시스템이 가상적으로 10기가 건설됐을 때의 예상 발전량 및 운전효율의 분석결과를 도출하였다. 또 이렇게 산출된 예상 발전량과 건설비용을 산출하여 경제성 분석을 실시해 보았다. 다음 그림 4는 R사 5MW 기종의 Power Curve를 나타낸다.
- 또한 전력선 시공과 해상구조물 설계를 위한 현지 부지 특성 조사, 해역 특성 조사, 파도 해류 및 조위 자료조사, 이 밖에 경제성 분석 연구에 필요한 인근 송배전 및 변전소 위치와, 인근 해역의 어장형성, 문화재 등의 자료를 종합하여 해상풍력단지를 설계하고 단지 배치에 따른 민감도 분석을 실시하였다.
- 대상 지역의 단지 설계 배치에 따른 발전량 예측과 경제성 분석의 결과가 표 3과 표 4에 걸쳐 보여주고 있다. 배치에 따른 경제성 분석의 변화량을 보고자 하였기 때문에 BC ratio가 1이 되는 시점을 주풍향방향으로 수평하게 늘어뜨린 배치구분(I+80)으로 설정하고 각 배치에 따른 B/C와 IRR을 분석해 보았다.
- 단지 설계에 따른 발전량 예측은 와이블 분포를 이용하여 계산하는 WindPro를 사용하여 발전량을 예측하였다. 본 연구에 사용된 발전기는 R사의 5MW 기종을 사용하여 풍력시스템이 가상적으로 10기가 건설됐을 때의 예상 발전량 및 운전효율의 분석결과를 도출하였다. 또 이렇게 산출된 예상 발전량과 건설비용을 산출하여 경제성 분석을 실시해 보았다.
- 해상풍력 발전량은 국지지형에 의한 지면 바람장의 비선형적 변화와 계절에 따른 기상의 영향을 받으며, 아울러 해륙풍에 의하여 하루 중에도 풍향의 극단적인 변동이 존재 하므로 해상 풍력단지의 배치 설계 시 후류에 대한 발전량의 증감 영향과 단지 설계에 따른 비용분석에 대한 정밀 분석이 필수적으로 요구된다. 본 연구에서는 50MW 해상풍력단지모델로 해상풍력발전 단지의 단지배치 설계시 후류에 의한 발전량의 영향과 단지 배치에 따른 경제적 비용 요인을 도출하여 경제성 분석을 실시하였다. 분석 결과 설계상 가장 풍력자원이 좋고 후류의 영향을 적게 받아 발전량이 높은 배치는 O배치(optimize 배치)였지만 배치로 인한 해저케이블 및 설비비가 비싸지기 때문에 경제성 분석 결과 BC ratio 0.
- 연간에너지생산량을 산출하는데 있어 와이블 분포의 등급계수와 형상계수를 사용하는데 단지의 설계와 배치 그리고 연간에너지 생산량 산출은 WindPro를 활용하여 계산하였다.
- 즉 I형+80 모형을 BCratio를 1로 고정하고 [I+80]으로부터의 편차를 산출하였다. 즉 일반적인 경제성 분석 모델에서는 BCratio가 1이 되는 시점을 경제성의 유무로 판별하는 척도가 되지만 본 논문에서는 단지 배치에 따른 경제성의 민감도를 보기 위하여 현지 상황의 발전량과 예측 공사비를 산출하여, 가장 BCratio가 1에 근접한 배치를 인위적으로 1로 조정하여 다른 여러 모형들과 비교분석 하였다.
- 해상단지 설계 및 수치바람모의에 의한 풍력자원 예측결과를 이용하여 해상풍력발전단지의 연간에너지생산량을 추산함에 있어 손실요인을 적용하였다. 후류손실은 Windpro의 안정 대기에 대한 손실율을 일괄 적용 하였고 기타 손실은 예측되는 측정오차, 이용도(availability), 전력계통 손실 등을 감안하여 10～20% 적용하였다.
- 해상단지 설계 및 수치바람모의에 의한 풍력자원 예측결과를 이용하여 해상풍력발전단지의 연간에너지생산량을 추산함에 있어 손실요인을 적용하였다. 후류손실은 Windpro의 안정 대기에 대한 손실율을 일괄 적용 하였고 기타 손실은 예측되는 측정오차, 이용도(availability), 전력계통 손실 등을 감안하여 10～20% 적용하였다. 이 지역은 풍력 자원도 양호하고, 어선어업이나 어항 시설이 없는 지역 이고 해상풍력발전단지 건설조건 등 여러 상황이 양호한 지역이다.
대상 데이터
- 경제성 분석의 개개 변수는 할인율 6%, 이자율 6%, O&M 2%, 물가상승률 3%, 공사기간은 1년을 적용하였고, 단지배치에 따른 전력선 비용의 차이와 단지 배치에 따른 후류손실의 영향으로 인한 발전량의 차이를 기반으로 B/C와 IRR을 비교하였다. 해상변전소는 1곳을 선정하여 포함하였으며, 해상변전소로부터 각 풍력발전기까지의 거리는 22.9kV 해저케이블로, 송전선로는 154kV 해저 케이블을 포설하는 것으로 계산하여 본 경제성 분석 모델의 비용 분석에 포함하였다. 해상풍력의 경우 발전단지의 배치에 따라 경제성이 달라 질 수 있는데 이유는 각 플랜트로부터 해상변전소로 이어지는 전력선 포설비용이 적게드는 방향으로 적절한 해상변전소의 위치 선정을 하더라도 단지의 모형에 따라 많은 비용 차이를 보이기 때문이다.
- 해상풍력발전단지는 일반적으로 설비용량이 커질수록 경제성을 갖기 때문에 대형화를 하면 경제성 변수가 바뀔 수 있으나, 본 연구에서 사용한 해상풍력 모델에서는 50MW급 단지로 한정하였다. 경제성 분석의 개개 변수는 할인율 6%, 이자율 6%, O&M 2%, 물가상승률 3%, 공사기간은 1년을 적용하였고, 단지배치에 따른 전력선 비용의 차이와 단지 배치에 따른 후류손실의 영향으로 인한 발전량의 차이를 기반으로 B/C와 IRR을 비교하였다.
- 풍황계측 타워는 해안지역의 노출된 해변지형에 설치하였다. 현지 해상플랜트 예정단지로부터 육지로 직선거리 100m 지점 해안가에 설치하였는데 측정기간은 2007년 1월～2008년 3월 까지 약 1년에 걸쳐 측정하였다. 대기온도, 대기압, 풍속, 풍향 등을 연속적으로 수집하였고, 10분간의 데이터 평균, 표준편차, 최고 값, 최저 값 즉 전처리된 데이터세트를 저장하였다.
성능/효과
- II형 배치의 경우, I형 배치와 비교하여 보면, 전체적으로 후류의 영향으로 인한 풍자원 손실과 단지배치로 인한 전력선 비용 증가라는 손실 요인 때문에 현재 모형에서는 경제성이 좋지 못할 것으로 예측되었다. II 모형의 경우 단지가 대형화 되어 해상변전소의 추가 건설 비용 타당성 생기는 용량의 규모가 되었을 때에 I배열보다 더 적합 할 것으로 판단되었다. 단지의 규모가 커질 경우 후류의 영향으로 인한 발전량 손실 보다 해저전력선 건설 비용의 부담률이 낮아지기 때문에 I의 형태보다는 II 또는 그밖의 III의 형태가 더 경제성이 좋을 것으로 예측되지만 본 연구의 범위 50MW 단지에서는 적합하지 않는 것으로 나타났다.
- II 모형의 경우 단지가 대형화 되어 해상변전소의 추가 건설 비용 타당성 생기는 용량의 규모가 되었을 때에 I배열보다 더 적합 할 것으로 판단되었다. 단지의 규모가 커질 경우 후류의 영향으로 인한 발전량 손실 보다 해저전력선 건설 비용의 부담률이 낮아지기 때문에 I의 형태보다는 II 또는 그밖의 III의 형태가 더 경제성이 좋을 것으로 예측되지만 본 연구의 범위 50MW 단지에서는 적합하지 않는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 50MW 해상풍력단지모델로 해상풍력발전 단지의 단지배치 설계시 후류에 의한 발전량의 영향과 단지 배치에 따른 경제적 비용 요인을 도출하여 경제성 분석을 실시하였다. 분석 결과 설계상 가장 풍력자원이 좋고 후류의 영향을 적게 받아 발전량이 높은 배치는 O배치(optimize 배치)였지만 배치로 인한 해저케이블 및 설비비가 비싸지기 때문에 경제성 분석 결과 BC ratio 0.95로 50MW 단지에서는 주풍향 직렬 배열보다 경제성이 더 없을 것으로 판단되었고 오히려 I+80의 직렬 배열이 더 경제적인 것으로 판정되었다. 본 경제성 평가에서는 전력가격 및 총 공사비의 불확실성을 고려하여 발전단지배치에 따른 비교를 제시하였다.
- 설계상 가장 풍력자원이 좋고 후류의 영향을 적게 받아 발전량이 높은 배치는 O배치(optimize 배치)였지만 해저케이블 및 설비비가 비싸고,이 설계의 경제성 분석 결과 BC ratio 0.95로 50MW 단지에서는 주풍향 직렬 배열인 I+80형 보다 경제성이 더 없을 것으로 판단되었다. II형 배치의 경우, I형 배치와 비교하여 보면, 전체적으로 후류의 영향으로 인한 풍자원 손실과 단지배치로 인한 전력선 비용 증가라는 손실 요인 때문에 현재 모형에서는 경제성이 좋지 못할 것으로 예측되었다.
- 이 지역은 동절기에 바람이 아주 양호하고, 수치바람모의 결과를 통계 분석하여 본 결과 연평균 풍속이 해수면 높이 100m 지점에서 6.96m/s, 풍력밀도(wind power density)499W/m2으로 산출되었다. 그림 3은 이 결과를 통해 분석하여 작성된 와이블(Weibull)분포도 이다.
후속연구
- 설비용량에 따라 경제성평가 결과가 크게 달라질 것으로 예상되는데 그 이유는 총 발전단지 건설비 대비 전력 인프라 비용이 많은 부분을 차지하기 때문이다. 해상풍력 발전단지에서는 이러한 단점을 보완하는 방법으로 풍력 발전단지의 대형화 방법 이외에는 없는 실정이고 향후 경제성 평가를 위한 현장 적용성을 높이고, 단지건설의 구체적이고 명확한 경제성 평가를 위한 지속적인 관심과 추가적인 연구가 필요할 것으로 본다.
- 풍력발전시스템의 기계 부품들도 기본적으로 자동차, 조선 산업과 매우 유사하므로 국내 기업들에서는 자생적으로 부품을 개발하여 풍력발전기 기계 부품을 수출하고 있다. 해상풍력발전 기술은 풍력발전시스템 기술과 해상 구조물 기술의 접합이므로 향후 풍력발전시스템의 전체적인 설계 기술을 보완한다면 세계 수출 경쟁력을 확보할 수 있다. 향후 정부가 의무할당제(RPS, RO)를 시행하기로 공표하여 발전사는 의무적인 투자 개발이 불가피해졌고 전력사업 인허가 체제나 계통전력선 연결 등에 관한 법령이 정비되면 육상 풍력 발전 시스템의 보급이 가속될 것으로 예상되고 있다.
- 해상풍력발전 기술은 풍력발전시스템 기술과 해상 구조물 기술의 접합이므로 향후 풍력발전시스템의 전체적인 설계 기술을 보완한다면 세계 수출 경쟁력을 확보할 수 있다. 향후 정부가 의무할당제(RPS, RO)를 시행하기로 공표하여 발전사는 의무적인 투자 개발이 불가피해졌고 전력사업 인허가 체제나 계통전력선 연결 등에 관한 법령이 정비되면 육상 풍력 발전 시스템의 보급이 가속될 것으로 예상되고 있다. 풍력발전단지를 개발하며 겪는 부지 확보의 민원 문제는 해외의 경우와 그 강도는 다르지만 비일비재한 실정이다.
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