[논문]서남해안 2.5GW 해상풍력단지 조성을 위한 설치 일정계획

고현정

doi:10.38121/kpea.2017.06.33.2.83

서남해안 2.5GW 해상풍력단지 조성을 위한 설치 일정계획
Installation Scheduling for the Development of Southwest Coast 2.5GW Offshore Wind Farm 원문보기

한국항만경제학회지 = Journal of Korea Port Economic Association, v.33 no.2, 2017년, pp.83 - 96

초록
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지구 온난화에 대처하는 일환으로 신재생에너지 가운데 세계 각국은 해상풍력단지 개발에 투자를 집중하고 있다. 그러나 해상풍력단지 개발은 해상에서의 구조물 운송, 설치 등의 해상작업이 요구됨에 따라 투자비용이 육상풍력단지 보다 높은 단점이 있다. 특히 해상기상 여건으로 인한 설치기간 지연은 해상풍력단지 운영의 경제성에도 영향을 끼치는 요소이다. 따라서 본 연구에서는 국내 해상의 기상여건을 고려하여 해상풍력단지 조성의 최적 일정계획을 거시적 측면에서 분석하고자 하였다. 이를 위해 수리적 모델을 개발하였고, 이를 이용하여 국내 서남해안 2.5GW 해상풍력단지 조성사업에 적용하였다. 해상 기상여건은 기상청의 자료를 활용하였고, 모델에 사용된 입력 자료는 해외의 선행 사례를 바탕으로 현실성을 최대한 반영하고자 하였다. 그 결과 해상풍력터빈 35기를 설치하는데 6개월이 소요되는 것으로 분석되었다. 특히 겨울을 피하여 작업하는 것이 비용을 최소화할 수 있는 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

As a way to address global warming, among the renewable energy sources, there have been heavy investments worldwide for the development of offshore wind farms. However, such development has a drawback: investment costs are higher than those for onshore wind farms due to required operations such as offshore transportation and installation. In particular, delays in installation due to adverse maritime weather conditions are factors that affect the economics of offshore wind farms' operation. Therefore, in this study, we analyze the optimal schedule of the construction of an offshore wind farm from a macro perspective by considering the weather conditions in Korea. For this purpose, we develop a mathematical model and apply it to a 2.5 GW offshore wind farm project on the southwestern coast of the country. We use data from the Korea Meteorological Agency for maritime weather conditions and attempt to reflect the actual input data based on precedent cases overseas. The results show that it takes 6 months to install 35 offshore wind turbines. More specifically, it is pointed out that it is possible to minimize costs by not working in winter.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 현실의 해상 기상여건을 민감하게 반영하지 못했다는 것이 연구의 한계점이라 사료된다. 그러나 국내의 해상여건을 반영한 설치 일정계획을 거시적 측면에서 분석하고, 설치시간 단축을 위한 전략이 필요하다는 시사점을 제시한 것이 본 연구의 의의라고 할 수 있다. 향후 시간 단위의 크기를 작게 하여 현실성 있는 해상의 기상변화를 반영하여 설치 일정계획을 분석할 수 있는 모델의 개발이 요구된다.
학술적 연구를 살펴보면, 국내의 경우, 고현정(2012)은 해상풍력 발전단지의 효율적 조성 및 운영을 지원하는 해상풍력 전용항만의 최적입지를 선택하는 연구를 수행하였다. 동 연구에는 우리나라 서남해안 2.5GW 해상풍력단지 조성을 위한 최적의 전용항만 입지를 선택하는 사례를 다루고 있다.
이러한 지연은 선박임대, 항만시설사용 등의 비용을 증가시켜 사업의 경제성에 부정적인 영향을 끼치는 바, 국내 해상여건을 반영한 체계적인 예측자료를 바탕으로 일정계획을 수립해야 한다. 따라서 본 연구에서는 국내 해상의 기상여건을 고려하여 해상풍력단지 조성의 최적 설치 일정계획을 분석하고자 하였다. 이를 위해 수리적 모델을 개발하였고, 이를 이용하여 국내 서남해안 2.
해상 기상여건은 기상청이 제공하는 2016년 자료를 이용하였다. 또한 모델에 사용된 입력자료는 해외의 선행사례를 바탕으로 현실성을 최대한 반영하고자 하였다. 그 결과 해상풍력터빈 35기를 설치하는데 6개월이 소요되는 것으로 분석되었다.
(2011)은 해상풍력 단지조성을 위한 최적의 일정을 분석하고자 MILP모델을 제시하였다. 저자는 독일의 최초 해상풍력단지인 Alpha Ventus를 조성할 때, 해상풍력단지 조성기간이 해상 기상의 변화에 민감하다는 경험을 통해 해상풍력터빈 설치 일정계획의 중요성을 인식하고 동 연구를 수행하였다. 그러나 제시한 모델은 1대의 선박을 이용하여 설치 일정을 분석하는 한계점을 지니고 있다.
이와 같이 선행연구를 살펴보면, 해상풍력발전단지 조성은 발전단지의 수심 및 해저 지질구조, 육지와의 인접성, 해상의 기상변화 등에 따라 지역마다 상이한 물류전략이 적용되었다. 특히 본 연구에서는 실제 해상기상 데이터를 이용하여 우리나라 서남해안 2.5GW 해상풍력단지 조성을 위한 거시적 측면에서 최적 일정계획을 분석하고자 하였다.

가설 설정

▪ 선박은 3가지 형태(전용선, 바지선, 케이블선)으로 정의하고, 전용선은 케이블 설치를 제외하고 모든 작업에 사용되며,바지선은 파일 설치만 가능하도록 하여 선박의 기능을 구별하였다. 또한 케이블선은케이블 설치에만 이용되는 것으로 가정하였다.
선박의 종류,톤수, 속도, 크레인(crane)에 따라 설치 기간은상이한 바, 본 연구에서는 전용선, 바지선, 케이블선이 사용되는 것으로 가정하고, 선박별 가능한 작업과 용량을 와 같이 정의하였다.
해상풍력단지에 설치될 총 해상풍력터빈의 수는 35기로 하였고, 목적함수는 고정비와 변동비로 구성하여 비용을 최소화함으로써 풍력단지의 경제적 부담을 고려하였다. 이를 위해 월별 고정비는 10,000로 가정하고 공사 기간이 길어질수록 페널티를 매월 10%로 증가하도록 하였다. 또한 변동비는 전용선 100, 바지선 70, 케이블선 50으로 설정하였다.

제안 방법

SW-OWF의 풍력터빈 설치전략을 분석하기 위해서는 입력 데이터에 대한 정의가 요구되며, 본 연구에서는 설치될 해상풍력터빈의 용량은 5M급으로 설정하였다. 그리고 정부는 대규모 SW-OWF를 효율적으로 조성하고자 군산항에 해상풍력 전용터미널³⁾을 건설하고 있는바, 해상풍력단지 조성을 위한 물류거점은 군산항으로 설정하였다.
초기 로드맵을 보면,1단계로는 2013년까지 100MW(5MW급 20기)실증단지를 건설하여 Test Bed 구축에 중점을 두면서 민관 합동으로 추진하고자 하였다. 그리고 2단계는 2016년까지 900MW(5MW급 180기) 시범단지를 건설하고 Track Record 확보에 중점을 두고자 하였다. 마지막 3단계는 2019년까지 1,500MW(5MW급 300기)를 건설하는 것으로 민간자본으로 조성될 계획이었다.
그리고 정부는 대규모 SW-OWF를 효율적으로 조성하고자 군산항에 해상풍력 전용터미널³⁾을 건설하고 있는바, 해상풍력단지 조성을 위한 물류거점은 군산항으로 설정하였다. 따라서 SW-OWF 조성을 위한 물류 활동은 군산항에서의 풍력시스템을 선적작업, 그리고 풍력단지로 이동하는 운송작업, 다음으로 해상에서 구조물을 설치하는 해상작업으로 본 연구에서는 설정하였다. 해상운송 시간을 계산하기 위해, 먼저 군산항과 해상풍력단지의 중심까지의 이격거리를80km로 설정하고, 선박의 속도는 13.
따라서 본 연구에서는 선행연구를 바탕으로 해상풍력터빈 1기당 설치시간을 약 4.58일 소요되는 것으로 하여 세부작업 시간을 으로 설정하였다.
특히 블레이드, 허브, 타워로 구성된 해상풍력터빈의 상부구조물에 대한 운송전략을 고려하였다. 또한 해상풍력터빈의 구성품을 생산 공장에서 전용항만으로 집결시켜 해상의 풍력단지로 운송하는 방식과 개별적으로 구성품을 풍력단지 현장으로 운송하는 방식을 비교하였다. Muhabie et al.
본 연구에서 해상풍력터빈의 설치방식은 문제의 단순화를 위해 트랜지팅(Transiting) 방식으로 설정하였다( 참조).
따라서 본 연구에서는 국내 해상의 기상여건을 고려하여 해상풍력단지 조성의 최적 설치 일정계획을 분석하고자 하였다. 이를 위해 수리적 모델을 개발하였고, 이를 이용하여 국내 서남해안 2.5GW 해상풍력단지 조성사업에 적용하였다.
선박의 종류,톤수, 속도, 크레인(crane)에 따라 설치 기간은상이한 바, 본 연구에서는 전용선, 바지선, 케이블선이 사용되는 것으로 가정하고, 선박별 가능한 작업과 용량을 <표 5>와 같이 정의하였다. 전용선은 케이블 작업을 제외하고 모두 가능하며, 바지선은 파일작업, 케이블선은 케이블 연결만 가능하도록 선박기능을 차별화 하였다.
2010년 11월 SW-OWF는 국책 사업으로 추진되면서 개발로드맵이 발표되었으나 국내외 여건 변화로 개발계획이 변경되어 왔다. 초기 로드맵을 보면,1단계로는 2013년까지 100MW(5MW급 20기)실증단지를 건설하여 Test Bed 구축에 중점을 두면서 민관 합동으로 추진하고자 하였다. 그리고 2단계는 2016년까지 900MW(5MW급 180기) 시범단지를 건설하고 Track Record 확보에 중점을 두고자 하였다.
(2012)는 시뮬레이션 모델을 이용하여 해상풍력터빈 공급사슬을 정의하고, 다양한 물류전략에 따른 비용 및 시간을 분석하였다. 특히 블레이드, 허브, 타워로 구성된 해상풍력터빈의 상부구조물에 대한 운송전략을 고려하였다. 또한 해상풍력터빈의 구성품을 생산 공장에서 전용항만으로 집결시켜 해상의 풍력단지로 운송하는 방식과 개별적으로 구성품을 풍력단지 현장으로 운송하는 방식을 비교하였다.
한편, 본 연구에서는 하루를 오전과 오후의 2가지로 시간단위로 나누고, 설치할 해상풍력터빈의 대수를 35기로 설정하였다. 이렇게 문제의 크기를 제한한 이유는 문제의 크기가 커질수록 문제를 푸는 시간이 기하급수적으로 늘어났기 때문이다.
따라서 SW-OWF 조성을 위한 물류 활동은 군산항에서의 풍력시스템을 선적작업, 그리고 풍력단지로 이동하는 운송작업, 다음으로 해상에서 구조물을 설치하는 해상작업으로 본 연구에서는 설정하였다. 해상운송 시간을 계산하기 위해, 먼저 군산항과 해상풍력단지의 중심까지의 이격거리를80km로 설정하고, 선박의 속도는 13.5knots(25km/h)인 WIP⁴⁾를 활용하는 것으로 하였다. 이에 따라 편도 해상운송 시간은 약 3시간으로 설정되었다.
해상풍력단지에 설치될 총 해상풍력터빈의 수는 35기로 하였고, 목적함수는 고정비와 변동비로 구성하여 비용을 최소화함으로써 풍력단지의 경제적 부담을 고려하였다. 이를 위해 월별 고정비는 10,000로 가정하고 공사 기간이 길어질수록 페널티를 매월 10%로 증가하도록 하였다.
현재의 국내 해상기상 여건을 감안하여 기상변화에 대한 민감도 분석을 하였다. 특히 작업할 수 없는 날(Bad 상태)의 일수를 매달 증감시켰다.

대상 데이터

SW-OWF는 부안·영광지역 해상에 위치함에 따라, 특히 해상기상 여건은 해상풍력단지 조성에 가장 영향을 주는 요소인바, 본 연구에서는 기상청의 기상자료 개방포털에서 제공하는 해상 데이터를 활용하였다.
SW-OWF는 부안·영광지역 해상에 위치함에 따라, 특히 해상기상 여건은 해상풍력단지 조성에 가장 영향을 주는 요소인바, 본 연구에서는 기상청의 기상자료 개방포털에서 제공하는 해상 데이터를 활용하였다. 국내의 해상상황은 해양기상부이를 이용하여 1시간 간격으로 측정되고 있는데, 지리적으로 SW-OWF에 인접한 부안의 해상부이 자료를 활용하였다. <표2>는 기상청의 원자료를 나타낸 것이며, 매시간마다 풍속(평균풍속과 GUST풍속)과 파고(최대파고, 유의파고, 평균파고) 데이터를 5가지로 구분하여 제공하고 있다.
본 연구에서 사용된 자료는 2016년 기상자료이며 하루 24시간을 오전(1~12시)과 오후(13~24시)로 나누고 이에 대한 평균풍속과 유의파고를 각 구간 에서 최대의 값으로 설정하였다. 그 결과 해상풍력단지가 위치한 서남해안의 해상 작업여건은 1, 2, 11, 12월을 제외하고는 매월 작업 일수가 60%가 넘는 것으로 나타났다.
이들 장비는 주로 해상다리 건설, 해상유전 개발, 시추작업 등에 사용된다. 예로서 2007년 네덜란드 OWEZ¹⁾ 사업에서 해상풍력터빈을 설치하는데 Jack-up vessel인 Sea Energy호가 사용되었다. 제원은 무게 3,332톤, 최대 작업수심 24m, 최대 인양능력 450톤, 길이 92m, 폭 22m, 홀수(Draught) 3.
해상 기상여건은 기상청이 제공하는 2016년 자료를 이용하였다. 또한 모델에 사용된 입력자료는 해외의 선행사례를 바탕으로 현실성을 최대한 반영하고자 하였다.
해상풍력 단지조성을 위한 선박의 형태는 해상풍력 전용선과 해양플랜트 건설에 사용된 바지선을 고려하였다. <표 4>은 유럽의 해상풍력단지 조성에 사용된 선박의 상부구조물 선적방식 및 용량을 요약한 것이다.

데이터처리

(2015)는 시뮬레이션 모델을 이용하여 해상풍력터빈의 운송 및 설치를 비용 및 시간적 측면에서 또한 분석하였다. 특히 저자는 해상기상 여건을 반영함에 있어 실제 데이터뿐만 아니라 최적 설치 전략을 파악하고자 확률분포를 적용하여 분석하였다.

성능/효과

본 연구에서 사용된 자료는 2016년 기상자료이며 하루 24시간을 오전(1~12시)과 오후(13~24시)로 나누고 이에 대한 평균풍속과 유의파고를 각 구간 에서 최대의 값으로 설정하였다. 그 결과 해상풍력단지가 위치한 서남해안의 해상 작업여건은 1, 2, 11, 12월을 제외하고는 매월 작업 일수가 60%가 넘는 것으로 나타났다. 특히 가장 여건이 좋은 시기는 4, 5월이며 작업일수는 90%가 넘는 것으로 나타났으나, 나쁜 시기는 1월로 39%로 나타났다(<그림 5> 참조).
또한 모델에 사용된 입력자료는 해외의 선행사례를 바탕으로 현실성을 최대한 반영하고자 하였다. 그 결과 해상풍력터빈 35기를 설치하는데 6개월이 소요되는 것으로 분석되었다. 특히 겨울 동안 작업을 피하여 작업의 시작 시점을 2, 3, 4, 5월로 설정할 경우 비용을 최소화할 수 있는 것으로 분석되었다.
2일이 소요되었다. 따라서 하부구조물, 타워, 상부구조물, 케이블 설치를 포함한 전체 공사기간은 총 150일이 소요된바,1기당 4.17일이 소요되었다.
본 연구에서는 와 같이 4일 증가한 경우 총 비용에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
2012; IRENA 2012). 즉,해상기상 변화에 따라 해상작업이 지체될 경우 설치 선박의 임대비용이 증가하여 발전단지 경제성에도 영향을 주는 것으로 나타났다.
그 결과 해상풍력터빈 35기를 설치하는데 6개월이 소요되는 것으로 분석되었다. 특히 겨울 동안 작업을 피하여 작업의 시작 시점을 2, 3, 4, 5월로 설정할 경우 비용을 최소화할 수 있는 것으로 분석되었다.
해상풍력터빈 35기를 설치하는데 6개월이 소요되며 최적의 해상풍력단지 조성비용은 87,611로 분석되었다. 특히 작업의 시작 시점을 2, 3, 4, 5월로 설정할 경우 <그림 6>와같이 조성비용이 동일하게 나타났다.

후속연구

이렇게 문제의 크기를 제한한 이유는 문제의 크기가 커질수록 문제를 푸는 시간이 기하급수적으로 늘어났기 때문이다. 따라서 본 연구는 현실의 해상 기상여건을 민감하게 반영하지 못했다는 것이 연구의 한계점이라 사료된다. 그러나 국내의 해상여건을 반영한 설치 일정계획을 거시적 측면에서 분석하고, 설치시간 단축을 위한 전략이 필요하다는 시사점을 제시한 것이 본 연구의 의의라고 할 수 있다.
그러나 국내의 해상여건을 반영한 설치 일정계획을 거시적 측면에서 분석하고, 설치시간 단축을 위한 전략이 필요하다는 시사점을 제시한 것이 본 연구의 의의라고 할 수 있다. 향후 시간 단위의 크기를 작게 하여 현실성 있는 해상의 기상변화를 반영하여 설치 일정계획을 분석할 수 있는 모델의 개발이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해상풍력단지 개발의 단점은 무엇인가?	지구 온난화에 대처하는 일환으로 신재생에너지 가운데 세계 각국은 해상풍력단지 개발에 투자를 집중하고 있다. 그러나 해상풍력단지 개발은 해상에서의 구조물 운송, 설치 등의 해상작업이 요구됨에 따라 투자비용이 육상풍력단지 보다 높은 단점이 있다. 특히 해상기상 여건으로 인한 설치기간 지연은 해상풍력단지 운영의 경제성에도 영향을 끼치는 요소이다.
	해상풍력단지 운영의 경제성에 영향을 미치는 요소는 무엇인가?	그러나 해상풍력단지 개발은 해상에서의 구조물 운송, 설치 등의 해상작업이 요구됨에 따라 투자비용이 육상풍력단지 보다 높은 단점이 있다. 특히 해상기상 여건으로 인한 설치기간 지연은 해상풍력단지 운영의 경제성에도 영향을 끼치는 요소이다. 따라서 본 연구에서는 국내 해상의 기상여건을 고려하여 해상풍력단지 조성의 최적 일정계획을 거시적 측면에서 분석하고자 하였다.
	Scholz-Reiter이 제시한 MILP모델의 한계는 무엇인가?	저자는 독일의 최초 해상풍력단지인 Alpha Ventus를 조성할 때, 해상풍력단지 조성기간이 해상 기상의 변화에 민감하다는 경험을 통해 해상풍력터빈 설치 일정계획의 중요성을 인식하고 동 연구를 수행하였다. 그러나 제시한 모델은 1대의 선박을 이용하여 설치 일정을 분석하는 한계점을 지니고 있다. Lange et al.

참고문헌 (13)

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상세보기
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상세보기
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NREL(2013), Installation, Operation, and Maintenance Strategies to Reduce the Cost of Offshore Wind Energy, , National Renewable Energy Laboratory.
Scholz-Reiter, B., M. Lutyen, J. Heger, and A. Schweizer(2011), A MILP for installation scheduling of offshore wind farm, International Journal of Mathematical Models and Methods in Applied Sciences, 5(2), 371-378.
AVIO Research at Alpha Ventus(2010), Interaktive Offshore-Windenergie Karte von Europa(http://rave.iset.uni-kassel.de).

저자의 다른 논문 :

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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