2.1 해상풍력발전단지의 경제성 평가 요소

해상풍력발전단지 설비는 전력 생산을 위한 풍력터빈과 육상 계통으로의 송전을 위한 내･외부 전력망, 해상변전소, 육상변전소 등으로 구성된다. 그리고 설비 운영 주기에 따라 설계, 인허가, 구매, 건설, 운영, 그리고 해체 단계로 구분할 수 있다⁽¹⁵⁾. 풍력단지의 경제성을 높이기 위해서는 발전량은 높이고 설비투자비용과 운영비용은 낮출 수 있는 설계가 필요하다. 발전량은 풍속과 풍력터빈의 용량에 의해 결정되는 요인이기 때문에 풍력단지 예정지의 풍속 데이터 분석과 풍력터빈 용량에 따른 발전량 예측이 필수적이며, 설비비용 및 운영비용을 최소화하기 위해서는 각 비용에 대한 모델링이 선행되어야 한다^(12-13).

본 연구에서는 풍속과 풍력터빈의 용량에 발전량에 미치는 영향을 분석하였으며, 풍력발전단지를 실제로 구축하고 운영한 참고문헌을 분석하여 비용에 대한 모델링을 진행하였다. 그리고 발전량과 소요 비용을 동시에 고려하고 발전설비의 경제성을 분석하기 위해 균등화 발전비용을 적용하였다.

2.2 풍속과 풍력터빈의 발전량과 경제성에 미치는 영향

연간 예상 발전량을 산출하기 위해서는 풍력단지가 구축될 지역의 풍속 데이터가 반영된 확률분포함수와 풍력터빈의 특성이 반영된 풍력터빈 출력 모델이 필요하다⁽¹⁹⁾. 풍속 모델 연구에서는 Weibull 분포함수를 널리 사용하는데 특정 지역의 풍속 특성을 Scale factor와 Shape factor 두 요소로 반영하여 쉽게 모델링할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서도 풍속 변화에 따른 발전량 분석을 진행하기 때문에 Weibull 분포함수를 적용하였으며 식(1)과 같다.

여기서 $f(v)$는 풍속에 따른 확률밀도함수이며, $v$는 풍속, $c$는 scale factor, $k$는 shape factor이다.

바람으로부터 전력을 생산하는 풍력터빈은 이동하는 공기가 블레이드를 통해 풍력터빈 회전자를 돌리면서 발전하는 과정을 거친다. 풍력터빈의 출력은 식(2)와 같으며 블레이드와 기어박스, 발전기 효율을 반영하였다⁽¹⁹⁾.

여기서 $\rho$는 공기 밀도[㎏/㎥], $A_{s}$는 블레이드 면적[㎡], $C_{P}$는 블레이드 공력 효율, $\eta_{m}$은 풍력터빈 기어박스 효율, $\eta_{g}$는 풍력터빈 발전기 효율, $v$는 풍속[㎧]이다.

또한 풍속에 따른 풍력터빈 출력 특성은 식(3)과 같다.

여기서, $V_{c}$와 $V_{f}$, 그리고 $V_{r}$은 각각 cut-in, cut-out, 정격 풍속[㎧]을 의미하며, $P_{r}$은 정격 출력[MW]을 의미한다.

그리고 Weibull 분포함수와 풍력터빈의 출력함수를 이용하여 식(4)과 같은 풍력터빈의 평균 출력 함수를 얻었다⁽²⁰⁾.

여기서 $P_{avg}$는 풍력터빈 평균 출력[MW], $x$는 풍력터빈 출력[MW], $f_{p}(x)$는 출력 $x$의 확률이다. $f_{p}(x)$는 Weibull 분포함수와 풍력터빈 출력함수를 놓고 구분구적법을 통해 풍속 구간에 대한 확률과 출력량을 계산하여 각 구간에서 얻은 출력량에 대한 확률로 표현되는 함수이다⁽²¹⁾.

그림 1은 풍속에 따른 Weibull 분포함수와 풍력터빈의 출력 특성 곡선을 나타낸 것이다. 분포함수와 출력 터빈 곡선의 공통 영역이 풍력터빈의 발전량을 결정한다. 풍력터빈의 용량에 따라 cut-in, cut-out, 정격풍속 범위가 다르게 나타나는데 이는 풍력터빈 용량에 따라 연간 생산되는 전력량이 변동이 발생하여 전체 풍력발전단지의 경제성 결과에 직접적인 영향을 미치게 된다. 동일한 cut-in, cut-out 풍속을 갖더라도 정격 용량이 높을수록 확률분포함수와 겹치는 영역이 증가하여 풍력터빈의 전력생산성이 높아지는 것을 알 수 있다. 그러나 동일한 용량의 풍력단지인 경우 풍력터빈 용량이 증가하면 풍력터빈의 수량이 감소하기 때문에 풍력터빈 용량과 수량에 따른 발전단지 전체에 대한 전력 생산성과 투입 비용의 증감을 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 사례연구를 통해 풍속과 풍력터빈 용량에 따른 이용률 분석을 통해 전력 생산성을 평가하였다.

3.1 설비투자비용

해상풍력발전단지를 구성하는 모든 비용 모델은 참고문헌과 현재 시점 차이에 따른 물가 상승률을 반영하였다. 풍력터빈 설비비용은 식(5)와 같으며 풍력터빈의 운반과 시공비용까지 포함하였다^(22-23).

여기서 $N_{w/t}$은 발전단지 내 풍력터빈 수량, $P_{MW}$은 풍력터빈 개별 용량을 의미한다.

풍력터빈의 하부 구조물 구축을 위한 비용은 식(6)과 같으며 운반과 시공비용도 포함되었다^(22-23).

해상변전소 비용도 변전소를 구성하는 변압기 용량 및 수량에 따른 변동이 있기 때문에 100[MW] 이상의 해상풍력단지 내 해상변전소 비용을 분석한 참고문헌⁽²²⁾를 통해 식(7)으로 표현하였다.

여기서 $S_{TR}$은 해상변전소의 변압기 용량을 의미한다.

육상변전소 비용은 단지 용량 100[MW] 이상의 4개 site에 대한 구축비용을 선형회귀 분석하여 식(8)과 같이 추정했다⁽²²⁾.

해저케이블에서 공급하는 무효전력으로 인한 전압 제어를 위해 무효전력 보상설비도 필요하다. 무효전력은 해저케이블 선종과 해안으로부터의 거리 등으로 영향을 받게 되는데 필요한 무효전력에 따른 보상설비 비용을 식(9)와 같이 표현하였다⁽²³⁾.

여기서 $Q_{MVAR}$은 외부전력망의 해저케이블에서 발생하는 무효전력을 의미한다. 무효전력 보상설비는 전압 유지를 위해 반드시 필요한 설비이지만 본 연구에서는 해상변전소와 육상변전소 비용에 포함된 것으로 가정하였다.

풍력터빈에서 생산된 전력을 안정적으로 송전하기 위한 내･외부 전력망은 해저케이블로 구성되며, 특히 풍력터빈 위치가 확정된 이후 내부 전력망 구조의 최적화에 따라 해저케이블 비용의 증감이 발생하기 때문에 경제성 분석에 있어서 전력망 최적화는 필수적이다^(12-14). 그러나 전력망 최적화의 영향을 무시하기 위해 기존 해상풍력발전단지 구조를 활용하였으며, 단위 길이인 ㎞당 해저케이블 비용은 케이블의 단면적에 따른 영향만을 고려하여 식(10)과 같이 표현하였다⁽²³⁾.

여기서 $S$는 해저케이블의 단면적이며, 전압은 33kV이다.

또한 내부전력망 시공에 필요한 해저케이블 운반 및 설치 비용은 5.48[억원/㎞]이며, 154kV의 외부전력망을 구성하는 630[㎟] 해저케이블의 자재비용과 시공비용은 각각 9.05[억원/㎞], 9.45[억원/㎞]으로 산정하였다⁽²³⁾.

3.2 운영비용

해상풍력단지를 가동함에 따라 설비의 고장 및 유지보수를 위한 운영비용이 매년 발생한다. 운영비용은 풍력단지의 용량과 해안과의 거리에 따른 차이는 있으나 북유럽 해상풍력단지의 경우 연간 발전량의 25[%], 또는 18[€/MWh]로 추정하고 있다^(22,24). 그러나 본 연구에서는 풍력단지 구성요소별 운영비용 함수를 모델링하여 연간 운영비용을 산정하였다. 특히 설비 고장 및 수리에 따른 비용 외에도 직접 드러나지 않는 전력 손실비용과 설비 고장에 따른 전력 공급지장비용이 존재하기 때문에 풍속 확률분포 기반의 평균 출력 함수를 통한 내･외부 전력망의 전력손실 및 공급지장비용도 포함하였다⁽²⁰⁾.

풍력터빈에 대한 운영비용은 교체비용과 유지보수비용으로 구분하였고 이를 식(11)과 식(12)에 각각 표현하였다⁽¹⁹⁾.

풍력터빈에서 생산된 전력은 해저케이블로 구성된 내･외부 전력망에 손실이 발생한다. 식(4)의 평균 출력 함수와 케이블 길이에 따른 저항을 통해 연간 전력손실비용을 얻을 수 있다. 그리고 전력망에서 고장이 발생할 경우 이를 수리하는데 필요한 비용이 발생한다. 또한 수리가 진행되는 동안에는 발전된 전력이 육상으로 송전되지 못하여 공급지장비용(EENS, Expected Energy Not Supply)이 발생한다. 전력손실비용과 수리비용, 공급지장비용에 대한 함수는 참고문헌 ⁽²⁰⁾에서 제시된 수식을 인용하였다.

해상풍력단지 운영에는 해상 활동에 필요한 선박 관리와 항만부지 및 기타부대 설비 관리에 비용이 소요되는데, 이를 위해 $4.05\times 10^{3}[원/MWh]$을 적용하였다⁽¹⁹⁾.

3.3 균등화 발전비용(LCOE)

균등화 발전비용(LCOE, Levelized Cost of Energy)은 발전설비의 경제성 평가에 널리 사용되는 지표이다. LCOE는 연간 총 엔너지 생산량 대비 연간 발생하는 비용의 비율로 정의하며, 이를 수식으로 표현하면 식(13)과 같다^(19,24).

여기서 $COST_{CAPEX}$는 설비투자비용, $COST_{OPEX}$는 운영비용을 나타낸 것이며, $CRF$는 초기 설비투자비용을 연간 비용으로 환산하기 위한 자본회수계수를 의미한다.

4.1 사례연구 모델 및 모의 조건

사례연구를 위한 실존 모델은 2022년 상용 운전을 앞둔 6[MW] 풍력터빈 80개로 구성된 프랑스 Banc de Guerande 대용량 해상풍력발전단지이다⁽¹²⁾. 본 연구에서는 기존 해상풍력단지의 풍력터빈 위치 및 내부 전력망 구조를 활용하여 5[MW] 및 8[MW] 풍력터빈을 적용하고자 풍력터빈 Rotor 직격(D)에 따른 이격거리 7D를 적용하였다. 그리고 풍력터빈의 좌표를 재조정했으며, 이를 반영한 풍력발전단지 구조를 그림 2와 그림 3에 각각 나타냈다. 풍력단지를 구성하는 풍력터빈 종류에 따른 특성은 표 1과 같으며, 연간 발전량 및 발생비용 산출을 통한 경제성 평가에 공통적으로 적용한 시스템 파라미터는 표 2에 제시하였다^(8,19-20,25).

4.2 풍속에 따른 이용률 분석

평균 풍속 크기에 따라 wind class를 5단계로 구분하고 있다. 평균 풍속이 증가할수록 풍력터빈에서 생산되는 전력은 증가할 것으로 예상할 수 있으며, 풍속에 따른 전력생산성을 이용률을 통해 평가하였다. 또한 동일한 평균 풍속에서 풍력터빈 용량의 변화가 전력생산성에 미치는 영향도 이용률 지표를 통해 분석하였다. 5[MW]와 8[MW] 풍력터빈 용량에 따른 영향을 비교하기 위해 표 1에 제시된 데이터를 적용하였다. 평균 풍속은 wind class Ⅰ~Ⅴ에 해당되는 5개 특정 지역의 풍속 데이터를 사용하였으며, 본 연구에서는 Weibull 분포함수 모델을 적용하기 위해 해당 지역의 풍속 특성을 반영한 shape factor와 scale factor를 각각 반영하였다^(6,20). 풍속 데이터와 풍력터빈에 따른 이용률 결과는 표 3과 그림 4와 같다.

평균 풍속의 증가에 따라 이용률이 증가하여 전력생상성에 직접적인 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 또한 풍력터빈 용량이 증가함에 따라 이용률도 함께 증가하여 해상풍력발전단지를 설치할 때 풍속이 높은 지역을 선정하고 풍력터빈의 용량을 높이는 것이 발전사업의 경제성을 향상시킬 수 있는 중요 요인으로 분석되었다. 그러나 풍력터빈 용량의 변화에 따른 전력생산량과 풍력단지 건설 및 운영에 따라 발생하는 비용을 복합적으로 분석하기 위해 4.3절에서 균등화 발전비용에 대한 연구를 진행하였다.

4.3 균등화 발전비용(LCOE) 분석

동일한 풍력발전단지에서 개별 풍력터빈 용량의 변화는 이용률 향상에 따른 연간 수입 증대를 기대할 수 있다. Wind class Ⅲ에 해당하는 평균 풍속 6.94[㎧]에서 5[MW] 및 8[MW] 풍력터빈으로 구성된 400[MW] 해상풍력단지의 연간 전력생산 비교 결과를 표 4에 나타냈으며, 풍력터빈의 후류 효과에 따른 발전 손실도 반영하였다. 표 4는 발전량 증대에 따른 경제성 향상을 의미하는 결과를 보여주지만 보다 타당성 있는 분석을 위해 5[MW]와 8[MW] 풍력터빈으로 구성된 400[MW] 해상풍력단지의 구축비용과 운영비용까지 고려한 사례연구를 진행하였다.

앞서 제시한 해상풍력발전단지 구성 요소의 비용 모델을 바탕으로 5[MW] 및 8[MW] 풍력터빈으로 구성된 400[MW] 해상풍력단지의 설비투자비용과 운영비용을 순현재가치(NPV, Net Present Value)와 연간 비용으로 구분하여 각각 표 5와 표 6에 나타냈다. 현금 흐름이 발생하는 시점이 다르기 때문에 CAPEX와 OPEX를 연간 비용으로 환산하여 현금 흐름에 대한 기준 시점을 동일하게 하였다. 또한 풍속 조건이 동일하도록 평균 풍속 6.94[㎧]에서의 비용을 산출하였다. 이와 같이 풍력단지의 연간 수익과 연간 취득비용 산출을 통해 평균 풍속과 풍력터빈 용량에 따른 균등화 발전비용을 산출할 수 있었다.

해상풍력발전단지를 구축하기 위한 설비투자비용과 운영비용의 추정은 해상 기후에 따른 고장율 및 수리비용 변동, 전력판매단가와 할인율 등의 변수가 있기 때문에 높은 변동성을 갖지만, 본 논문에서 제시한 비용 모델을 기반으로 Wind Class 변화(Ⅰ→Ⅴ)에 따른 5[MW]와 8[MW] 풍력터빈의 해상풍력발전단지에 대한 LCOE 결과를 표 7과 표 8에 나타냈다. 이를 통해 평균 풍속의 증가에 따라 LCOE가 감소하는 결과를 그림 5를 통해 분명히 알 수 있다. 제시된 결과에 따라 평균 풍속의 증가와 풍력터빈 용량의 증대는 해상풍력발전사업의 경제성 향상을 기대할 수 있는 요소임을 증명하였다.

또한 5[MW] 풍력터빈으로 구성된 해상풍력단지에서는 Wind Class Ⅲ 이상의 풍속에서 연간 예상 수입이 연간 총 비용보다 높아지는 경향을 보이며 경제성을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 8[MW] 풍력터빈으로 구성된 해상풍력단지에서는 Wind Class Ⅱ 이상의 풍속에서 경제성이 확보되는 것으로 분석되었다. 이러한 결과를 통해 해상풍력단지의 경제성 확보를 위해서는 설치 예정지의 정확한 풍속 분석과 함께 높은 용량의 풍력터빈을 설계에 반영하는 것이 중요한 요소로 분석되었다.