[논문]풍력발전기의 에너지 비용 산출에 대한 고찰

정태영; 문석준; 임채환

doi:10.7849/ksnre.2012.8.4.003

풍력발전기의 에너지 비용 산출에 대한 고찰
A Study on the Estimation Model of Cost of Energy for Wind Turbines 원문보기

신재생에너지 = New & Renewable Energy, v.8 no.4, 2012년, pp.3 - 12

정태영 (한국기계연구원 시스템다이나믹스연구실) , 문석준 (한국기계연구원 시스템다이나믹스연구실) , 임채환 (한국기계연구원 시스템다이나믹스연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

Large offshore wind farms have actively been developed in order to meet the needs for wind energy since the land-based wind farms have almost been fully developed especially in Europe. The key problem for the construction of offshore wind farms may be on the high cost of energy compared to land-based ones. NREL (National Renewable Energy Laboratory) has developed a spreadsheet-based tool to estimate the cost of wind-generated electricity from both land-based and offshore wind turbines. Component formulas for various kinds and scales of wind turbines were made using available field data. In this paper, this NREL estimation model is introduced and applied to the offshore wind turbines now under designing or in production in Korea, and the result is discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 미국의 DOE/NREL에서는 현재 가장 보편적이고 일반적인 형태인 3-날개의 수평축 풍력발전기에 대하여 실제 축적된 데이터로부터 구성품별 축척모델을 만들어서 크기와 형상의 변화가 에너지 비용에 얼마나 영향을 주는가를 추정할 수 있는 spreadsheet 형태의 예측 모델을 개발하였다⁽³⁾. 본 연구에서는 NREL의 연구결과로서 발표된 축척에 따른 풍력발전 비용 추정모델을 소개하고, 이를 국내외 육상 및 해상 풍력발전시스템에 적용하여 그 결과를 분석하였다.
본 연구에서는 미국 NREL의 연구결과로서 발표된 축척에 따른 풍력발전 비용 추정모델을 소개하고, 이를 국내외 육상 및 해상풍력발전시스템에 적용하여 그 결과를 분석하였다. 본 연구를 통하여 수행된 연구내용을 요약하면 다음과 같다.

가설 설정

부유식 해상풍력의 경우의 터빈비용은 기존의 육상터빈이나 고정식의 해상터빈 비용과 유사하다고 볼 수 있다. 또한, 변전소의 설치, 내부 전선망, 환경영향평가, 설계 및 프로젝트 운영비는 전체 자산비용 중에서 적은 부분이며 기존의 풍력발전설비와 크게 다르지 않을 것이다. 아직까지 부유식 해상풍력 발전시스템에 대하여는 기술에 대한 불확실성, 설치사례의 부족 등으로 예측이 불가능하나, 해상환경이 더욱 열악하고, 해안으로부터 먼 거리에 있으며 플랫폼도 안정성이 취약하므로 부유식 풍력발전설비를 위한 주변장치, 설치 및 O&M에 들어가는 비용이 더욱 증가할 것임에는 틀림이 없다.
연간 에너지 생산량은 주어진 년 평균 풍속을 바탕으로 계산되며, 풍속의 분포는 Weibull 분포를 갖는 것으로 가정하여 다음 식으로 계산된다.

제안 방법

(1) 풍력발전기의 주요 부품에 대해 비용추정모델과 풍력발전기의 주변장치 및 운영유지 비용에 대한 추정모델을 국내외 풍력발전기 5종에 대해 적용하여 보았다.
(2) 풍력발전기의 주요부품, 주변장치 및 유지보수 비용 산정을 위해 MS-Excel 기반의 spreadsheet program을 개발하여 적용하고, 결과에 대한 타당성을 검토해 보았다.
(3) 부유식 풍력발전시스템의 지지구조물에 대한 비용추정 모델을 제시하고, 육상용 및 고정식 해상용 들과 COE를 비교하여 보았다.
Table 1에서 소개된 모델링을 적용하여 현존하는 몇 개의 MW급 풍력터빈(모델 및 입력제원은 Table 2 참조)에 대하여 제작비용을 추정하였다. Table 2에서 Model A와 Model B는 국내 제작사 제품이다.
2002년이 아닌 해의 비용데이터들은 예측모델을 만들기 전에 모두 2002년 달러기준으로 바꾸었다. 비용데이터는 구성품의 생산이 이미 완숙기에 있다는 가정과 함께, 50MW의 풍력단지를 기준으로 하였다.
앞에서 서술된 연간 순에너지 생산량 계산방법과 NREL의 풍력터빈 구성품의 비용추정 모델과 주변장치(Balance of Station)의 설치 및 유지보수에 대한 비용추정 모델을 사용하여 MS-EXCEL 기반의 에너지비용 산출프로그램을 완성하였다. 이를 이용하여 1.
아직까지 부유식 해상풍력 발전시스템에 대하여는 기술에 대한 불확실성, 설치사례의 부족 등으로 예측이 불가능하나, 해상환경이 더욱 열악하고, 해안으로부터 먼 거리에 있으며 플랫폼도 안정성이 취약하므로 부유식 풍력발전설비를 위한 주변장치, 설치 및 O&M에 들어가는 비용이 더욱 증가할 것임에는 틀림이 없다. 여기서는 개발된 프로그램을 OC3의 5MW 터빈에 적용하여 부유식 해상풍력 발전설비를 고정식 해상풍력 발전설비와 비교해 볼 때 가장 큰 차이를 보이는 support structure에 대하여 제작비용을 추정하고, 이를 NREL에서 제시하는 비용추정모델을 사용하여 추정한 육상 및 고정식 해상풍력 발전설비의 제작비용과 비교하여 보기로 한다.
앞에서 서술된 연간 순에너지 생산량 계산방법과 NREL의 풍력터빈 구성품의 비용추정 모델과 주변장치(Balance of Station)의 설치 및 유지보수에 대한 비용추정 모델을 사용하여 MS-EXCEL 기반의 에너지비용 산출프로그램을 완성하였다. 이를 이용하여 1.5MW 육상용 풍력발전기, 고정식 3.0MW 해상용 풍력발전기를 대상으로 경제성을 평가하여 보았다. 산출한 결과를 Table 6에 비교하여 정리하였는데 중요한 사항은 다음과 같다.
블레이드 및 hub와 타워의 경우 두 개의 추정모델(Baseline과 Advanced model) 중에서 Baseline 추정모델을 사용하였으며, 결과는 Table 3과 같이 요약된다. 추정된 구성품별 비용이 전체에서 차지하는 비중을 계산하고 이를 다른 참고문헌에서 예로 제시한 구성비와 비교하여 보았다. 주요한 분석내용은 다음과 같다.
Table 1에서 보는 바와 같이 블레이드와 tower의 경우에는 baseline model과 advanced model이 주어져 있는데, advanced model은 특별히 새로운 재료와 신기술이 적용된 경우에 사용되는 것으로 한다. 풍력터빈 동력계를 구성하는 기어박스, 발전기 및 main frame은 특성에 따라 Three-Stage Planetary/Helical with High-Speed generators, Single-Stage Drive with Medium-Speed Generators, Multi-Path Drive with Multiple Generators, Direct Drive Generators 중에서 해당되는 형식을 선택하여 비용을 추정한다.

대상 데이터

은 간단한 축척관계식을 이용하여 크기와 모양이 다른 풍력터빈과 그 구성품의 비용을 예측하는 spreadsheet 기반의 도구이다. 이 모델은 모든 가능성이 있는 풍력터빈형상을 대상으로 하는 것이 아니라 지금 현재 풍력 산업에서 가장 많이 사용되고 있는 three-bladed, upwind, pitch-controlled, variable speed의 특성을 갖는 터빈을 대상으로 한다. 예측모델 속의 공식들은 초기 버전으로 매우 단순한 편이다.

이론/모형

Table 2에서 Model A와 Model B는 국내 제작사 제품이다. 블레이드 및 hub와 타워의 경우 두 개의 추정모델(Baseline과 Advanced model) 중에서 Baseline 추정모델을 사용하였으며, 결과는 Table 3과 같이 요약된다. 추정된 구성품별 비용이 전체에서 차지하는 비중을 계산하고 이를 다른 참고문헌에서 예로 제시한 구성비와 비교하여 보았다.

성능/효과

1) 풍력발전기의 효율성 측면에서 capacity factor를 비교하여 볼 때 육상용(33.37%)에 비하여 해상용(38.23%)이 더 큰 효율성을 갖는다.
2) 터빈제작에 드는 자산비용은 해상용이 육상용의 2.3배로서 정격출력의 비인 2에 비해 조금 큰 편이나, 주변장치비용의 비는 7.4로서 크게 차이가 난다. 육상용의 경우 터빈제작비용($991,000)에 비하여 주변장치비용은 $374,000로서 터빈제작비용의 약 38%인데 반하여, 해상용의 경우 터빈제작비용($2,269,000)보다도 주변장치 비용($2,781,000)이 더 크며, 따라서 해상용의 경우 주변장치 비용을 낮출 수 있어야 경제성을 확보할 수 있다.
3) 결론적으로 kWh당 에너지비용은 육상용은 $0.0486, 해상용은 $0.0893으로서 해상용의 에너지 비용이 육상용의 약 1.8배이다.
OC3-Hywind의 support structure는 크게 원형실린더 모양의 spar 구조물과 계류선으로 구성된다. spar 구조물의 건조비는 이와 유사한 해양플랫폼의 건조 실적이 많은 국내 대형사의 임원들의 자문을 통하여 톤당 약 $5,000, 계류선은 톤당 약 $2,000 임을 확인하였다. 최근의 mild steel 톤당 가격은 $600~700이며, 구조물 제작이 비교적 쉬운 대형 유조선의 경우 톤당 건조비가 약 $2,000정도임을 고려할 때 이는 매우 높은 제작단가이나 원형실린더인 경우 곡가공이 어려워 건조비가 높다고 한다.
FCR은 자산비용을 감당하기위해 매년 필요한 금액으로, 부채의 이자 및 증권의 배당, 기타 고정 부담경비를 포함한다. 현재 예측모델에서 FCR은 건설을 위한 차입금, 차입을 위한 비용, 부채이자 및 증권배당, 감가상각, 수익세, 재산세와 보험료 등을 포함하며 0.1158/year로 설정되었다. ICC(초기자산비용)은 터빈계의 비용과 그 외의 주변장치(balance of station)비용의 합이다.

후속연구

가장 비용이 큰 항목은 풍력발전기에서 생산된 전기를 모아서 육상의 전력 공급망에 연결하는 데에 드는 통전비용으로 육상의 경우 약 30%, 해상의 경우 약 20%를 차지한다. 이 비용은 풍력단지에서 육상의 전력 공급망까지의 거리, 해상 풍력단지의 경우 수심, 풍력발전기 사이의 배치거리 등에 의해 변할 수 있으며, 이를 고려한 좀 더 정교한 비용 산출모델이 제시될 필요가 있다. 참고로 Table 4의 해상풍력 터빈에 비용추정모델은 육상의 전력 공급망까지의 거리 5마일, 수심 10m, 발전기간 배치거리가 640m x 640m인 경우를 기초로 제시된 것이다.
이상의 연구결과를 토대로 풍력발전시스템의 초기 경제성 분석에 유용하게 활용할 수 있는 자료를 확보한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해상 풍력단지가 활발히 개발되고 있는 이유는?	풍력발전에 대한 미래 수요가 큰데 비하여 대규모 육상 풍력단지의 조성을 위한 대지확보가 어려워 이의 대안으로 해상 풍력단지가 활발히 개발되고 있다. 해상은 육상보다 바람의 질이 좋고 상대적으로 대규모 풍력단지를 구성할 수 있다는 장점이 있으나, 해상 풍력발전은 육상 풍력발전에 비하여 제작 및 설치비용이 많이 들고 보수 및 유지 측면에서도 불리하다.
	해상의 장점은 무엇인가?	풍력발전에 대한 미래 수요가 큰데 비하여 대규모 육상 풍력단지의 조성을 위한 대지확보가 어려워 이의 대안으로 해상 풍력단지가 활발히 개발되고 있다. 해상은 육상보다 바람의 질이 좋고 상대적으로 대규모 풍력단지를 구성할 수 있다는 장점이 있으나, 해상 풍력발전은 육상 풍력발전에 비하여 제작 및 설치비용이 많이 들고 보수 및 유지 측면에서도 불리하다. 문제는 해상 풍력발전의 경제성이다.
	NREL의 비용추정모델은 무엇을 대상으로 하는가?	NREL의 비용추정모델(3)은 간단한 축척관계식을 이용하여 크기와 모양이 다른 풍력터빈과 그 구성품의 비용을 예측하는 spreadsheet 기반의 도구이다. 이 모델은 모든 가능성이 있는 풍력터빈형상을 대상으로 하는 것이 아니라 지금 현재 풍력 산업에서 가장 많이 사용되고 있는 three-bladed, upwind, pitch-controlled, variable speed의 특성을 갖는 터빈을 대상으로 한다. 예측모델 속의 공식들은 초기 버전으로 매우 단순한 편이다.

참고문헌 (5)

하정우, 김수덕, "대관령 풍력단지의 풍력발전량 및 경제성 분석", 에너지공학 제14권 제2호, 2005.
S. Krohn, P.E. Morthorst, and S. Awerbuch, The Economics of Wind Energy, EWEA report, March 2009.
L. Fingersh, M. Hand, and A. Laxon, "Wind Turbine Design Cost and Scaling Model", Technical report NREL/TP- 500-40566, December 2006.
Maria Isabel Blanco, "The Economics of wind energy", Renewable and Sustainable Energy Reviews 13, pp. 1372-1382, 2009.

상세보기
David Rotman, "Praying for an energy miracle", Technology Review, Vol. 114/No. 2, pp. 46-52, MIT, 2011.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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