대 체 에 너 지 풍 력 발 전 9조 조장: 김성창 조원: 한상엽

목차 5.3풍력발전의 전력생산 단가와 대형화 5.4풍력 자원조사 5.4.1실측 후보지점의 도출 및 측정 자료의 통계분석 5.4.2풍속 확률밀도함수의 계산 5.4.3예상 발전량 및 이용률의 계산 5.4.4풍력자원의 통계분석 결과 예 5.4.5 풍력조성단지조성 예

풍력 발전기 개발 추세-대형화 기술의 발달로 점차 대형화 추세 현재 2.0MW급 상용화, 3.0MW 부상 단계 ’2003 ’1960 24m ’1996 43m ’1997 54m ’2000 80m 풍력 발전기 대형화 추세 ’2002 104m ’2003 103m

단위회전면적당 생산전력 양이 증가 하면서 풍력기술의 발달을 확연히 보여주고 있음 풍력발전기 회전 날개의 회전면적은 풍력발전기가 생산해 낼 수 있는 에너지의 양을 결정함 전형적인 750kW급의 풍력발전기에는 일반적으로 48m의 회전날개가 부착됩니다. 지름을 2배로 늘린다면 면적은 길이의 제곱인 4배가 되며, 이것은 회전 날개로부터 얻을 수 있는 출력도 4배가 된다는 것을 의미 합니다. 즉, 더 큰 풍력발전기일수록 작은 풍력발전기 보다 전기를 싸게 생산할 수 있다는 것임

풍력 발전기 개발 추세-대형화 대형화 될 수록 설치단가, 발전 단가의 저감 → 300kW이하의 소형 풍력 발전기의 경우 설치단가 급격히 상승 → 대형화될 수록 단위 토지 면적당 발전량, 발전 효율 증가 : 로터 지름 3배 증가시 4.3배의 용량 증가

풍력 발전의 경제성 발전단가[cents/kWh] 풍력[5.5m/s] 유럽 풍력 발전 단가(1유로=1300원 기준) 73.5 기술의 발달과 시장의 형성으로 발전 단가는 지속적으로 낮아짐 유럽의 경우 시장의 성숙으로 기존 화석 연료와 경쟁 가능한 수준 신·재생에너지원중 기존 에너지원과의 유일하게 가격 경쟁력을 가짐 발전단가[cents/kWh] 광전지 [1,800 kWh/y 풍력[5.5m/s] 수력[new] 바이오 에너지 [gasfi/gener] 복합발전 가스 화력[석탄] 화석 연료 신재생에너지 ’03 ’08 ’13 유럽 풍력 발전 단가(1유로=1300원 기준) 73.5 ’18 ’23 49.3 단위 : 원/kWh 42.5 36.7 33.0 30.4

Conventional Electricity 풍력 발전의 경제성 전체 사회적 비용을 감안하면 기존의 에너지원보다 저렴한 에너지원 → 사회적 비용 = 발전 단가 + 외적 비용 → 외적 비용 : CO2 배출, 폐기물의 후처리 비용 등의 환경 비용 에너지의 사회적 비용, 출처 : EWEA, The Fact Social Cost of Energy Wind Energy Conventional Electricity Internal cost External cost 6cє/kWh (92.3%) 0.5cє/kWh (7.7%) 4cє/kWh (40%) (60%) Social cost

유럽의 풍력에너지를 통한 CO2 배출량 저감 효과 전망 풍력 발전의 환경적 영향 풍력발전은 기후협약을 위해 필요한 필수정책 중 한가지로서 CO2 저감에 매우 큰 효과가 있으며, 완성도 및 영향력이 큰 에너지 기술 유럽의 경우 풍력에너지를 통해 이미 약 5천만 톤의 CO2 감소효과를 지니고 있음 ⇒ 2010년까지 1억 9백만톤 감소 효과 기대 온실효과를 야기시키는 유해가스 배출량 감소에 가장 효과적인 방안으로 대두됨 유럽 풍력산업계획에 따르면, 2020년까지 누적총계 100억톤, 2030년까지 400억톤, 2040년까지 약 900억톤의 CO2배출량 저감효과를 기대함 출처 EWEA 7.4 26.7 45.8 67.2 89.5 단위: Mt/year ’01 ’03 ’05 ’07 ’09 유럽의 풍력에너지를 통한 CO2 배출량 저감 효과 전망

풍력발전 기술의 특성 실용성 있는 청정 에너지원 효율적 국토 이용 온실가스 억제효과(kg/kWh) 기 술 발전단가(C/kWh) 석 탄 4.8-5.5 가 스 3.9-4.4 수 력 5.1-11.3 바이오매스 5.8-11.6 원자력 11.1-14.5 풍력(w/o PCT) 4.0-6.0 풍력(w/ PCT) 3.3-5.3 효율적 국토 이용 온실가스 억제효과(kg/kWh) 풍 력 수 력 설비용량 당 점유면적(km2/GW) 47-160 160-9000 발전량 당 0.12 0.75 기술 CO2 SO2 NOx 석탄 0.96 0.006 0.003 천연가스 0.47 ~0 0.0008 석유 0.71 0.005 0.001 풍력 가스 원별 면적

다양한 풍력 시스템 개발의 필요성 다양한 시장에의 대응 → 10~20kW급 : 도서지역 및 격오지, 농촌 등지의 독립전원용 → 750kW~2MW급 : 육상용 및 산악지형용 → 2MW급 이상 : 해상용 도서지역, 오지, 농촌 등(~100kW) 육상(0.75~1.5MW) 해상(2.0MW~)

Geared/Multibrid Type 다양한 풍력 시스템 개발의 필요성 용량에 따른 서로 상이한 시스템 기술 및 요소기술 필요 소 형 중형/ 준대형 대 형 블레이드 직경 20m 이하 스틸제작 가변속 운전 직경 50~80m 저소음 정속운전/가변속운전 직경100m이상 탄소 복합재 가변속운전 제어 시스템 스톨제어 피치/스톨제어 피치제어 요잉 시스템 Wind Vane 유압식/ 전기식 동력전달계 Direct Drive Train Geared/Gearless Type Geared/Multibrid Type 발전기 동기식 발전기 유도 발전기/동기 발전기 유도발전기/(영구자석형)동기발전기

국내 풍력 발전의 이슈(1) Issue 1: 우리나라의 풍황상황 Issue 2: 우리나라의 풍력시장의 규모 국내 풍황이 매우 뛰어난 것은 아니지만, 세계시장을 선도하는 독일의 경우에 비추어 볼 때, 풍황자원 자체 보다는 정책의지가 더욱 중요함 풍황에따라 1, 2, 3급 지역으로 나누어(독일), 차액지원제도의 차등 적용필요 국가적 차원에서 계속적인 풍황 자원 조사의 필요 Issue 2: 우리나라의 풍력시장의 규모 풍력시장은 세계적으로 년 35%에 육박하는 성장률을 보임 다른 사업분야 역시 국내뿐 아니라 수출을 염두에 두어야 함 해양풍력과 수출 등을 생각하면 가능성이 높음 (세계적 기술수준 확보 필수)

국내 풍력 발전의 이슈(2) Issue 3: 풍력기술 후발주자로서의 현재위치 사업단 주도의 기술개발현황 소형: 10kW, 100kW (준마, 한진산업) – 도서벽지, 수출 중형: 750 kW (효성,유니슨) – 산간, 수출 대형: 2MW (효성, 유니슨) 3MW(미정) – 육상, 해상단지, 수출 기술개발의 목적: 기술도입 후 제품생산 보다는 독자적 설계기술이 중요 원천기술의 확보 없이는 기술 및 시장의 독립성 확보 불가능 기술개발 속도가 아니라, 개발된 기술의 질적 성장이 중요

국내 풍력 발전의 이슈(3) Issue 4: 기술개발 필요성 풍력발전의 경우 3개 사업단 중 기술개발의 보급 연계성이 가장 시급하고도 중요한 분야 발전사업자: 기술개발에 소극/부정적 (보전액수에 민감) 기기사업자: 기술개발의 필요성을 절감, 그 회사의 BM에 따라 다양한 시각 소규모시스템업체: 설계도면도입, 컨설팅의뢰, 부분기술도입 후 제품생산 대규모시스템업체: 세계선도업체로서의 입지위한 원천/독자기술중시 요소기기업체: 해당업체의 BM에 따라 기술개발 국가기술개발 자금의 선택과 집중, 그리고 신중한 기획 절실

국내 풍력 발전의 이슈(4) Issue 5: 과거 대체에너지 분야 기술투자 효과 Issue 6: 보급과 기술개발의 균형감각 01년까지는 공단 주도하의 부분적 기술개발, 미미한 수준의 투자 본격적인 기술개발 투자는 2002년 부터 시작 (사업단 출범은 04년) 효율적인 사업수행을 위해 권한과 책임이 분명한 추진체계가 필요 Issue 6: 보급과 기술개발의 균형감각 발전업체주장: 보급없이 기술개발 없다. 보급 후 개선을 위한 기술개발 기기업체주장: 보급을 서둘면 외국업체 잔치가 된다. 국내보급프로그램과 국산화 기술개발속도의 균형감각 필요

국내 풍력 발전의 이슈(5) Issue 7: 보급을 위한 제도 정비 Issue 8: 해당지역의 민원 발전차액보전제도의 불확실성 107.66원의 적정성 문제 (태양광 703원) 2006년 10월 한도의 불확실성 내포 행정처리의 간소화 (One-stop 제도) 미비 계통연계비용 (한전 민영화후 사용료 징수 예정) Issue 8: 해당지역의 민원 토지수용 및 환경영향(소음 등)에 대한 민원 및 분쟁의 소지 가능성 존재 풍력단지 조성시 지역주민의 프로젝트 참여 모델 개발(주식공모) 등을 통한 문제해결 방법 제시

후보단지 선정 기준 지정학적 조건 건설조건상 조건 국내 풍력단지 후보지 분석 풍력자원의 잠재량 조건 국내 풍력단지 후보지 분석 후보단지 선정 기준 지정학적 조건 풍력자원의 잠재량 조건 주변 장애물의 존재 및 난류성 기류의 발생 가능성 여부 동절기 혹한 또는 하절기의 고온 등의 발생 여부 건설조건상 조건 도로 등의 기본시설이 갖추어져 중장비의 출입이 용이한 지역 토양의 배수조건과 하중에 견딜 수 있는 압축강도의 조건 추후 발전단지의 확장 가능성 검토

주변에 승압설비나 보호설비를 위한 설치공간 확보 여부 국내 풍력단지 후보지 분석 후보단지 선정 기준 행정상의 조건 부지의 소유가 공공기관으로서 공공사업으로의 개발에 지장이 없어야 함 지역주민의 민원제기 가능성 여부 구조물의 건축에 대한 제한 여부 전력망과의 연계조건 인근에 연계선로의 배치 여부 주변에 승압설비나 보호설비를 위한 설치공간 확보 여부

이곳은 1997년 산불로 인해서 산림이 소실된 적이 있는 곳으로서 최상의 입지조건 영덕 7미터 이상의 바람이 연중 불어 우수한 동력자원을 보유한 곳 영덕발전소는 앞으로 가동률 28% 정도만 유지한다면 연간 104억원의 매출 이곳은 1997년 산불로 인해서 산림이 소실된 적이 있는 곳으로서 그만큼 발전소를 짓기 위한 산림훼손면적이 적다는 이점도 가지고 있다. 민간자본 670억원이 투입된 24기의 발전소로 연간 97MWH의 전력을 생산 국내 최대 규모로 20,000가구의 전기를 공급할 수 있는 전력량이라고 한다.

Geared/ Multibrid Type 다양한 풍력 시스템 개발의 필요성 용량에 따른 서로 상이한 시스템 기술 및 요소기술 필요 소 형 중형/ 준대형 대 형 블레이드 직경 20m 이하 스틸제작 가변속 운전 직경 50~80m 저소음 정속운전/가변속운전 직경100m이상 탄소 복합재 가변속운전 제어 시스템 스톨제어 피치/스톨제어 피치제어 요잉 시스템 Wind Vane 유압식/ 전기식 동력전달계 Direct Drive Train Geared/Gearless Type Geared/ Multibrid Type 발전기 동기식 발전기 유도 발전기/동기 발전기 유도발전기/(영구자석형)동기발전기

3. 블래이드(Blade) Stall(失速) controll * 출력제어방식에 따른 구분 Stall(失速) controll ·한계풍속 이상이 되었을 때 양력이 회전날개에 작용하지 못하도록 날개의 공기역학적 형상에 의한 제어 날개의 경사각(pitch) 조절로 출력을 능동적 제어(경사도 조절장치는 유압으로 작동. 장기간 운전시 유압장치실린더와 회전자간의 기계적 링크부분 손상우려되며, 빠른 풍속변화시 순간적피크발생으로 시스템손상우려) Pitch controll ·날개의 경사각(pitch) 조절로 출력을 능동적 제어 한계풍속 이상이 되었을 때 양력이 회전날개에 작용하지 못하도록 날개의 공기역학적 형상에 의한 제어로 고효율 발전량생산 및 기계적 링크가 없어 유지보수 수월 (피치각에 의한 능동적 출력제어 못하므로 과출력가능성 존재하며, 제동효율 좋지못함. 복잡한 공기역학 설계적용 필요

3. 블래이드(Blade)

국내 기술 개발의 필요성-시장 2040년까지 매년 30%의 성장률을 유지할 것으로 전망 2040년까지 전세계 전력 공급량의 23%를 차지할 것으로 전망 2025년까지 주기기 시장만 1조 5천억 달러 이상으로 전망 이와 같은 세계 시장의 공략을 위해 국산화 기기의 개발은 필수적임 2003 2010 2020 2030 2040 23.26% 0.51% 2.16% 11.94% 21% 5000 15000 25000 35000 TWh/year +2.47% +2.11% +1.50% Global TWh Wind TWh +2.67% Projected global electricity consumption and wind electricity output % figure is the increase in global electricity demand 시장 규모

보급 목표 달성을 통한 국내 산업 기여도와 고용 효과 국내 기술 개발의 필요성-시장 국내 산업 기여도, 고용효과 → 2012년 국산화를 통한 보급목표 달성시 → 직접적으로 약 3조원의 국내 산업 육성 기여도 → 약 5만명의 고용효과를 달성할 수 있음(2012년 2,237MW 보급 기준) 49,254 12,100 6,600 4,400 2,640 2,310 1,210 1,254 고용효과(명) 26,684 3,600 2,400 1,440 1,260 660 684 국내산업 기여도(억원) 2,237 550 300 200 120 105 55 57 보급 목표 (MW) 계 2012 2011 2010 2009 2008 2007 2006 2005 ~2004 년도 보급 목표 달성을 통한 국내 산업 기여도와 고용 효과

국내 기술 개발의 필요성-풍황 국내 풍황에 적합한 기기 개발 → 유럽의 경우도 같은 용량의 기기라도 설치 장소의 풍황에 적합하도록 다양한 사양의 기기 개발 및 생산 → 국외 모델의 경우 국내 풍황에 적합하지 않아 효율이 낮아짐 → 최적의 발전량의 생산과 발전 단가의 감소를 위해서는 국내 풍황에 적합한 모델의 개발이 필수적임 국외 1.5MW 풍력 발전기 제원 현황

기반 조성 전략 (~2018) 1단계(04~07) 기반조성 및 기술 확보 3단계(13~18) 고부가가치 사업화 2단계(08~12) 기술 자립 및 국제화 대비 육상 및 해상 풍력자원 지도 작성 중규모 기상 예측 및 국내 지형에 적합한 풍황 예측 기술개발 육,해상 풍력 자원 잠재량 평가 환경문제 연구 성능평가 및 실증 단지 조성 성능 평가 절차 개발 국지 풍황 예측 기술 확립 및 계통과의 조화를 위한 풍력 예보기술 연구 해상 풍력에 의한 해양 환경 연구 IT 기반의 분산전원 네트워크 IT 기반의 시스템 감시, 진단 기술 개발 및 적용 전국 풍력단지 계통연계 및 최적 운영 기술 개발 풍력자원지도 정밀화 수행 초대형 해상 풍력발전 단지 계통 연계 운영 기술 및 발전량 예측 타 전원과 연계 기술 개발 심해용 부유형 해상풍력 단지 조성 기술 개발 기반 조성 기술 해외응용성 확대 기술의 실증 및 상품화

수고 하셨습니다.