1. 서 론
2. 풍력자원 해석
2.1 기상자료
2.2 지형모델링 자료
2.3 바람지도 작성
3. 유망후보지 선정 고려 요소
3.1 풍속등급
3.2 생태자연도
3.3 지형경사도
3.4 거주지 이격거리
3.5 항구 규격
4. 유망후보지 선정 및 발전량 예측
4.1 유망후보지 선정
4.2 유망후보지 별 연간발전량예측
5. 결론 및 한계점
5.1 결 론
5.2 한계점
1. 서 론
기존의 도서지역 전력운영은 내륙의 중앙전력망을 이용할 수 없어 각 도서지역별로 디젤발전소를 설치, 운영하여 도서지역에서 필요한 전력을 생산 및 사용하였다. 이에 따라 디젤연료운송, 보관 등에 생기는 비용부담과 토지, 대기, 수질오염 등의 환경오염이 대두되었다. 하지만 재생에너지원을 이용한 마이크로 그리드는 이와 같은 문제점을 해결할 수 있기 때문에 최근 도서지역의 독립형 소규모 전력망으로 주목받고 있다.
최근 정부에서는 재생에너지와 전력저장장치(Energy Storage System)를 이용하여 마이크로 그리드를 구성하고, 도서지역 자체적으로 필요한 에너지를 생산, 사용할 수 있도록 하는 에너지 자립섬 개발을 추진하고 있다.
에너지자립섬에서 사용될 수 있는 재생에너지원들 중 풍력은 다른 에너지원에 비해 단위면적당 출력이 높아, 설치 공간이 매우 협소한 국내 도서지역의 독립형 마이크로 그리드 구축에 적합하기 때문에 에너지 자립섬의 에너지원으로서 많은 관심을 받고 있다. 그러나 풍력은 설치지점에 의해 영향을 받는 풍황 조건에 따라 전체 시스템의 이용률에 큰 차이가 있어 대상 지역의 유망후보지 분석 및 시뮬레이션 기반의 연간발전량 예측을 통한 타당성 분석이 사전에 수행된다. 기존에 수행된 풍력발전단지 유망후보지 분석과 관련된 국내외 연구들은 해상 혹은 육상 환경에 적합한 배제분석요인을 통해 유망후보지를 선정하고, 해당 유망후보지에서의 시뮬레이션을 통한 연간풍력발전량을 예측하는 것으로 제한되어 있다. 따라서 국내 도서지역과 같이 독립형 마이크로 그리드를 통해 전력공급이 이루어지는 환경에 직접적으로 적용하기에는 한계점을 갖고 있다1,2,3).
따라서 본 연구는 기존의 풍력발전시스템을 국내 도서지역 마이크로 그리드 구축에 적용하기 위하여 한국전력에서 운영하는 65개의 도서들 중 가용할 수 있는 실측 데이터가 존재하는 지역을 대상으로 비교적 규모가 큰 8개 도서를 선정하여,4) 바람자원 분석, 배제분석을 이용한 유망후보지를 선정하고, 대상 풍력터빈을 이용한 발전량 및 이용률 예측을 수행하고자 한다.
2. 풍력자원 해석
대상 도서에 대한 유망후보지 선정을 위해, 상용 전산유동해석 프로그램을 이용하여 풍력자원 해석이 선행되어야 하며, 이를 위해 대상지역의 기상자료와 지형 및 지표거칠기 자료등을 입수하고 모델링 및 유동해석을 통하여 바람자원 지도를 작성하였다.
2.1 기상자료
본 연구에서는 한국전력에서 운영 중인 65개의 도서 중 10개 도서를 선정하여 연구를 진행하였다. 65개 도서 중 우선적으로 도서지역 내 기상청에서 측정한 10년 이상의 장기간 기상자료가 존재하고, 지형모델링에 필요한 지형정보 및 지표거칠기 정보가 존재하는 22개의 도서를 선정하였다5). 사용된 기상자료는 기상청에서 제공하는 1시간간격의 자동기상관측자료를 이용하였다.
기상청 자료의 경우 측정높이가 10 m 내외로 주변 지형이나 장애물에 의해 영향을 많이 받기 때문에 풍력자원 해석을 위해 적합치 않지만, 도서지역의 경우 측정 자료가 매우 희박하여 가용할 수 있는 자료가 없고, 허브높이 10 m~30 m 정도의 100 kW 이하 중소형 풍력터빈이 설치될 확률이 높기 때문에 비교적 큰 불확도가 존재하지만, 10 m 내외의 높이에서 측정된 기상청 자료를 본 연구에 적용하였다. 매우 제한된 경우의 결과이기 때문에 일반화할 수는 없지만, 국내 강원풍력발전단지의 경우 기상청 자료와 CFD 유동해석 프로그램을 이용하여 풍력단지 연간발전량 예측을 수행하고 검증한 연구에서 10% 이내의 예측오차를 보인 사례가 있다6).
아래의 Table 1은 각 도서지역에서의 기상자료를 조사, 분석한 표이며, 22개 도서의 평균풍속, 최대풍속, 주풍풍향, 데이터 회수율, 측정지점 해발고도, 측정높이를 제시하였다. 2015년 기준으로 22개 도서 지역 중에서 연간 디젤발전량이 상대적으로 높은 A도로부터 상대적으로 낮은 V도순으로, 내림차순 정렬로 나타내었다. 본 논문에서는 상대적으로 연간 디젤발전량이 높은 A도 ~ J도 10개 도시지역을 대상으로 연구를 수행하였다. 10개 도서지역의 경우 기상자료의 회수율은 모두 92% 이상이며, 연평균 풍속은 2.39 m/s~5.31 m/s를 보이는 것을 알 수 있다. 연평균 풍속이 5.31 m/s로 가장 높은 D도의 경우 측정지점의 고도가 77 m로 비교적 높고 측정높이가 15.5 m로 높이 때문에 비교적 높게 측정된 것으로 판단된다. 또한 10개 도서의 10년간 측정자료의 최대풍속은 12.6 m/s~30.0 m/s의 범위를 보이고 있다.
2.2 지형모델링 자료
대상 도서들에 대한 유동해석을 수행하기 위해서는 기상자료 입수와 함께, 지형모델링이 수행되어야 한다. 본 연구는 대상 지역의 지표고도정보가 포함된 지형도와 지표의 거칠기 상태 정보가 포함된 토지피복도를 GIS (Geo-graphic Information System) 프로그램을 이용하여 지표고도정보와 지표 거칠기 상태 정보가 포함된 하나의 지형모델 파일로 제작, 이를 토대로 WindSim 프로그램의 Terrain module을 이용하여 지형모델링이 수행되었다.
지형모델 파일을 제작하기 위한 GIS 프로그램으로는 Global Mapper를 이용하였으며, 사용된 지형모델링 자료로 지형도는 NASA에서 제작, 제공하는 30 m 등고선 디지털 표고 자료인 SRTM (Shuttle Radar Topo-graphy Mission) 1 arc-second 수치고도모델(Eigital Elevation Models, DEM)을 이용하였다7). 또한 토지피복자료로는 환경부에서 제공하는 대분류 토지피복도를 이용하였다. 대분류 토지피복도는 Landsat TM, ETM+ 위성자료를 이용하여 지표를 30 m 해상도, 7개의 분류로 구분하여 지표 형태를 색인 표시로 표현한 지도이다8).
2.3 바람지도 작성
본 연구의 바람지도는 상용 프로그램 WindSim을 이용하여 작성하였다. WindSim 프로그램은 비선형 유동장 해석을 기반으로한 전산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics) 프로그램으로 3차원 유동장 해석을 위해 비압축성 유동에 대한 Reynolds -Averaged Navier-Stokes equation을 사용한다9). 제작한 지형 모델 자료와 기상청에서 제공받은 자동기상관측 자료를 기반으로 WindSim 프로그램을 통해 도서지역 중심으로부터 20 km × 20 km 영역, 수평방향 50 m 공간해상도를 갖는 바람지도를 작성하였다. 본 연구에서는 대상 풍력터빈의 용량과 허브높이를 고려하여 30 m 높이에서 바람지도를 작성하였다.
3. 유망후보지 선정 고려 요소
풍력발전단지 건설을 위해서는 단지건설 지점의 건설 조건을 파악해야 한다. 본 연구에서는 도서지역의 지리적 특성을 고려하여 도서지역의 제한된 면적을 최대한 활용하기 위해 육상풍력발전단지 건설을 위한 배제분석과 비교해 낮은 배제 요건을 선정하였다. 고찰된 배제 분석 요인의 각 내용은 다음과 같다.
3.1 풍속등급
선행 연구에 따르면 중,대형 풍력터빈의 풍력발전단지 건설 시 경제성 확보를 위한 풍속은 미국 국가 신재생에너지연구소(NREL)에서 제공하는 바람등급 기준 3등급 이상이어야 하지만, 국내 육상풍력 중 고도가 높지 않은 지역에 설치된 경우 2등급 이하의 지역에 설치된 사례들이 있고, 도서 지역의 경우 터빈 설치 가능 면적이 좁기 때문에 지형과 설치 가능 터빈을 고려하여 2등급 이상의 지역을 경제성 확보 가능 지역으로 선정하였다10). 아래의 Table 2는 10 m 높이에서의 NREL 풍속 등급과 NREL 풍속등급을 멱법칙을 이용하여 30 m 높이의 등급으로 보정한 결과를 나타낸다. 풍속등급의 보정을 위해 멱지수는 1/7을 사용하였다. 또한 Fig. 1은 대상 도서 중 하나인 D도의 30m 높이에서의 바람지도를 Table 2의 풍속등급으로 구분한 지도이다. Fig. 1의 바람지도에서 중 6등급과 7등급에 해당하는 풍속은 6등급 이상의 풍속으로 표시하였다. 그림에서 살펴보면 D도의 경우 대부분의 지역이 풍속등급 1등급 지역에 해당하며, 2등급 이상의 지역은 매우 제한적임을 알 수 있다.
3.2 생태자연도
생태자연도란 자연환경보전법에 근거하여 자연환경을 생태적 가치, 자연성, 경관적 가치 등에 따라 생태자연도 등급 규정을 기준으로 등급화한 지도이다11). 2등급까지는 훼손을 최소화하는 방향으로 개발 가능하나 1등급부터는 개발이 매우 제한적이다. 도서지역의 경우 대부분 별도관리구역인 해상국립공원이기 때문에 본 연구에서는 자연공원을 제외한 별도관리구역 및 1등급 지형에 대하여 터빈 설치 배제 영역으로 선정하였다. 또한 독일 육상풍력발전단지 배제분석 이격거리를 참고하여 배제지역으로부터의 이격거리(완충거리)를 200 m로 선정하여 배제하였다12). Fig. 2는 생태자연도에 따른 배제영역의 예로 대상도서 중 하나인 D도의 지도이다. D도의 경우 도서 중심의 넓은 지역이 별도관리지역으로 지정되어 있으며, 해안을 따라 일부 지역에서 1등급 지형이 있는 것으로 조사되었다.
3.3 지형경사도
배제요인 중 지형경사도는 풍력터빈 설치 가능 여부 및 공사 진입가능 여부를 결정하는 요인이다. 해외사례를 살펴보면 일본의 경우 지형경사도 20° 이하 지역을 터빈 설치 가능 지역으로 판단하고 있다. 국내의 경우 최근 육상 풍력 잠재량 평가 문헌에 따르면 일본과 마찬가지로 지형경사도 20° 이하 지역이 터빈 설치 가능 지역으로 제시하고 있다13). 본 연구에서는 선행 연구들을 참고하여 예상 후보지 지형경사도가 20° 이상의 경우를 터빈 설치 가능 지역에서 제외하였다. 아래의 Fig. 3는 20° 이상의 지역을 흑색으로 표시한 것으로 지도의 대상은 대상도서 중 하나인 D도이다. D도의 경우 지형경사도 20° 이상의 지역이 능선을 따라 넓게 분포되어 있다. D도의 바람지도인 Fig. 1와 지형경사도 20° 이상 지역 배제 지도인 Fig. 3를 비교 결과 능선을 따라 바람등급 2등급 이상 지역이 분포되어 있는 것을 알 수 있다.
3.4 거주지 이격거리
본 연구에서는 풍력발전기에서 발생하는 소음의 감쇠를 고려하여 거주지로부터의 이격거리를 선정하였다. 환경부 환경정책 기본법에 따르면 일반주거지역의 소음환경기준은 낮 55 dB 이하, 밤 45 dB 이하로 규정하고 있다. 문헌에 따르면 풍력발전기의 소음 레벨은 기종에 따라 다르지만 V사 2 MW 풍력터빈의 경우 약 200 m 떨어지면 43 [dB(A)]로 감쇠하는 것으로 알려져 있다14). 본 연구에서는 100 kW 풍력터빈의 소음이 소음환경기준 이하에 도달하는 거리 200 m를 거주지로부터의 이격거리로 선정하였다15). 아래의 Fig. 4은 거주지 및 이격거리 적용의 예로 지도의 대상은 대상도서 중 하나인 D도이다. 그림의 빨간색으로 표시된 지역은 거주지 및 이격거리가 적용된 배제지역으로 해안과 골짜기를 따라 거주지가 분포되어있음을 확인할 수 있다.
3.5 항구 규격
도서지역에서의 풍력터빈 설치는 각 도서지역의 항구 여건에 따라 설치가능 터빈이 제한된다. 따라서 터빈 설계에 앞서 각 도서지역의 항구에 대한 조사가 선행되어야 한다. 각 도서지역의 항구는 규모 및 용도에 따라 국가관리항, 무역항, 연안항, 국가어항, 지방어항, 어촌청주어항, 소규모어항으로 구분된다16). 현재 도서지역에 설치되어있는 풍력발전단지 사례를 기준으로 어촌청주어항 및 소규모어항에서도 100 kW 풍력터빈을 설치 가능한 것으로 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 도서지역에 설치가 가능한 100 kW 풍력터빈을 이용하여 선정된 유망후보지에 대한 연간발전량 및 이용률을 예측하였다.
4. 유망후보지 선정 및 발전량 예측
4.1 유망후보지 선정
도서지역의 유망후보지 선정에 사용될 배제분석 요인을 선정 후 각 도서지역에 대하여 배제분석을 수행하였다. 본 연구에서 선정한 10개 도서지역 중 C도는 군사보호 지역으로 인해 , 그리고 I도는 풍속등급 2등급 미달로 인해 배제하였으며 최종적으로 8개 도서에 대하여 도서 내의 유망후보지를 선정하였다. Fig. 5는 배제분석요인 적용의 결과로서 8개 도서에 대하여 바람지도 및 유망후보지 선정 결과를 나타내었다. Fig. 5의 각 도서별 왼쪽의 바람지도는 대상터빈의 허브 높이(30 m)로 작성된 바람지도이며, NREL 풍속등급에 따라 풍속을 구분하였다. 또한 Fig. 5의 오른쪽 그림은 경사도, 생태자연도, 거주지 배제요소가 고려된 유망후보지 영역을 표시한 지도이며, 방위별 에너지분포를 나타내는 에너지 로즈를 함께 표시하였다.
Fig. 5에 함께 제시된 에너지로즈를 살펴보면, 우리나라의 경우 겨울 북서계절풍의 영향이 우세하지만, 도서별 위치에 따라 지형의 영향에 의해 에너지 성분에 따른 주풍방향이 차이가 나게 되는 것을 알 수 있다. 따라서 풍력터빈 설치 이전에는 반드시 실측 또는 재해석 자료를 활용한 유동해석 결과를 이용하여, 연평균풍속 및 주풍방향을 확인하는 과정이 필요함을 알 수 있다.
Fig. 6은 선정된 8개 유망후보지의 기상청에서 제공하는 기상관측타워의 사진이다. 그림과 같이 E도와 G도의 기상관측타워는 옥상에 위치하고 있으며, 나머지 기상관측 타워는 지면에 위치하고 있는 것을 알 수 있다. 또한 그림에서 살펴보면, 기상관측타워 주변은 다른 높은 건물이나, 나무와 같은 장애물이 많지 않은 지점에 위치하고 있는 것을 알 수 있다.
4.2 유망후보지 별 연간발전량예측
본 연구에서는 100 kW 풍력터빈 1기를 설치하여 8개 도서지역의 연간발전량, 이용률, 평균풍속 등 예측하였다. Fig. 7은 선정된 8개 유망후보지의 최종 영역이다. Table 3은 도서 별 항구, 100 kW 풍력터빈의 연간발전량, 이용률, 허브높이 평균풍속, 설치 해발고도, 유망후보지의 면적을 각각 나타낸다. 본 연구에서는 풍력터빈의 가동률 , 후류손실 제외한 전력, 출력 등 기타손실을 고려하여 보수적으로 상용 프로그램에서의 예측값에서 10%를 제한 값을 P50 (초과확률 50%) 값으로서 제시하였다.
5. 결론 및 한계점
5.1 결 론
본 연구는 한국전력 관리 65개 도서 중 해당 도서 내 실측 기상자료가 있는 22개 도서에 대하여 2015년 기준으로 연간디젤발전량이 상대 적으로 높은 10개 도서를 선정하여 연구를 수행하였다. 10 개 도서 중 군사보호 지역과 풍력자원 미달로 배제된 2곳을 제외하고, 8곳에 대하여 문헌에 제시되고 있는 유망후보지 선정조건을 고려하여, 도서지역 내 유망후보지를 선정하였다. 또한, 대상지점에 100 kW 풍력터빈 1기를 설치할 경우를 가정하여 연간발전량 및 이용률을 예측하였다. 예측결과, 8개 대상도서의 경우 P50 이용률은 22.3%~33%의 이용률을 갖고 있어, 풍력터빈 설치에 적합한 것으로 판단된다. 본 논문에서 수행한 내용 및 활용가치를 정리한 결론은 다음과 같다.
(1) 각 도서지역은 좁은 면적, 높은 경사도로 인해 대부분 지형의 경사도가 20° 이상인 것으로 확인되었다. 가파른 능선을 따라 풍황이 좋은 지점이 분포되어있으나, 능선을 따라 지형경사도 20° 이상의 지형이 넓게 분포되어있으며 임도가 적어 풍황이 풍부한 지역으로의 접근이 어려운 지점들이 많이 분포하고 있다. 하지만, 본 연구에서는 임도 유무를 고려치 않고 경사도와 민가 이격거리, 풍력자원 등을 고려하여 유망후보지를 선정하였다.
(2) 각 도서 풍력발전단지의 이용률 시뮬레이션 결과를 살펴보면 이용률이 22.3% 이상으로 제주 및 강원 지역의 2011~2014 총 4년간 풍력단지 평균 이용률이 약 23.7%인 것을 감안하면, 풍력단지 건설에 나쁘지 않은 것으로 판단된다. 선정된 8개 풍력발전단지 유망후보지의 평균 P50 이용률은 27.0%로 예측되었다.
(3) 본 연구의 결과를 바탕으로 국내 도서지역의 소규모 풍력단지 개발 사업 수행 시 풍력터빈은 도서 내 임의의 위치에 설치하는 것이 아니라, 도서 내에서도 바람이 좋은 매우 한정된 지역에 설치되어야 하는 것을 알 수 있다. 또한 이를 위해서는 실측 자료를 바탕으로 한 풍력자원 해석 및 배제분석이 선행되어야 함을 알 수 있다.
(4) 또한 본 연구의 도서 별 유망후보지 결과는 대상도서의 상대적으로 풍속이 높고 다른 배제 요인을 고려하여 풍력단지 후보지로 적합한 지점을 나타내며 차후 대상도서에 대한 소규모 풍력단지 타당성 조사가 이루어지는 경우 풍황자원 실측지점으로서 활용하기에 유용한 지점이라고 판단된다.
(5) 따라서 본 연구는 대상도서의 풍력자원 조사를 위한 기상관측타워 선정을 위한 참고자료로 활용하고, 정확한 풍력자원 조사 및 풍력터빈 마이크로사이팅은 허브 높이에서의 실측자료를 활용할 것을 제안한다.
5.2 한계점
본 연구 결과를 통해 대상 도서 8곳에 대한 유망후보지 선정 및 대상 100 kW 풍력터빈을 이용한 P 50 발전량 및 이용률 결과를 제사하였지만, 본 연구 결과는 다음과 같은 한계점을 갖고 있기 때문에 주의가 요구된다.
(1) 본 연구에서 도서별 풍력자원지도는 대상 도서 내에 있는 지면으로부터 10 m 내외의 높이를 갖는 기상청 기상관측타워에서 측정한 자료를 이용하여 작성되었다. 따라서 본 관측자료는 인근 지형이나 장애물의 영향을 많이 받게 되며 결과적으로 많은 불확도를 내포하고 있다. 따라서 절대적인 값으로의 평균풍속, 연간발전량 및 이용률의 경우 실제 풍력터빈 허브높이의 실측자료를 기반으로 하여 예측할 경우 본 논문의 결과와 크게 달라질 수 있다.
(2) 일반적으로 육상에서의 풍력터빈 마이크로 사이팅을 위해서는 등고선 간격 5~10 m 정도의 전자지형도가 사용되지만, 도서지역의 경우 오류가 많아 본 연구에서는 30 m 등고선 간격을 갖는 지형도가 사용되었다. 따라서 이는 실제 지형을 근사하여 유동해석결과에 영향을 줄 수 있으며, 보다 정확한 등고선 지도를 사용하게 될 경우 본 논문의 결과와는 다른 결과를 얻을 수 있다.
