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[풍력발전의 미래와 기술동향 2] 일본의 풍력발전 잠재력과 도입 로드맵

2014-06-01

[풍력발전의 미래와 기술동향 2] 일본의 풍력발전 잠재력과 도입 로드맵 교토 의정서 체결 이후 세계 각국에서 CO₂등 온실효과 가스의 배출 절감 및 화석연료의 대체 에너지 개발을 목표로 풍력발전의 도입량이 급속도로 증가하고 있다. 일본풍력발전협회는 풍력발전의 장기 도입목표로 육상과 해상에서의 50GW 도입목표 시나리오를 발표한 바 있다. 또한 경제산업성 및 자원에너지청에서도 5년간의 풍황 데이터를 근거로 풍력에너지의 부존량 및 잠재력 조사를 실시하고 있다. 본고에서는 대형풍차에 의한 일본의 풍력 도입 잠재력과 장기 도입 로드맵에 대해 소개한다. 번역·정리 김대근 기자 일본의 육상풍력 발전의 잠재력은 2003년도에 자원에너지청이 실시한 「신에너지 등 기초조사」(이하, 신에너지 기초조사)에서 산정된 6.4GW가 기본이 되고 있다. 2009년의 경제산업성 신에너지 부회의 장기 에너지 수급 전망(재계산)의 최대도입 사례에서 2020년과 2030년의 도입량은 5.0GW와 6.7GW로 시산되고 있다. 신에너지 기초조사는 풍황 데이터가 통계적 수법을 근거로 하는 지상 30m의 높이를 기준으로 산정된 잠재력이 한계로 여겨져 2010년도까지 인용되고 있었다. 또 2005년도의 독일 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO) 「풍력발전 로드맵 검토 결과 보고서」에서는 2020년과 2030년의 도입 목표에 해상풍력을 추가하여 10GW와 20GW로 설정하고 있다. 대형화로 상공에서 증속된 바람에 의한 풍력발전기 및 해상풍력이 설치되는 현황과는 큰 괴리가 있어 잠재량에 있어서 재검토가 필요했다. 환경성이 실시한「 2009년도 재생가능에너지 도입 잠재력 조사」(이하 ’09년 환경성 조사)에서는 수치유체해석에 의한 연간 풍황(80m 높이)에서 지리·사회적 제약 조건을 근거로 한 부존량과 잠재력의 재검토가 이루어졌다. 일반 사단법인 일본풍력발전협회(이하, 일본풍력발전협회)는 문헌4의 조사결과를 바탕으로 2008년과 2010년에 공표한 로드맵에서 2020년에 8~12GW, 2030년에 13~28GW의 높은 도입목표를 제안해 2050년까지의 장기 도입목표로서 육상과 해상에서 50GW의 도입목표 시나리오를 발표한 바 있다. 또한 경제산업성 및 자원에너지청에서도 5년간의 풍황 데이터로부터 지리·사회적 제약 조건에 근거한 부존량과 잠재력의 위탁조사를 실시하고 있다. 풍력에너지의 부존량과 잠재력의 정의 및 풍황 조건 ● 용어의 정의 재생가능에너지는 분야에 따라 정의가 달라지며,「부존량」은 JIS C14000에 따르면,“ 이론적으로 산출 가능한 에너지 자원량(확실하게 이용 불가능한 것은 제외)으로 갖가지 제약 요인(토지용도, 이용기술, 법령, 시공법 등)을 고려하지 않은 것”이다. 구체적으로는 지상 80m의 고도에서 육상풍력은 풍속 6.0m/s 이상, 해상풍력은 이안거리(離岸距離) 30km 이내의 범위로 하며, 1㎢당 설비용량은 풍차 간의 풍차후류(Wake) 등의 영향을 감안하여 10MW/㎢으로 산정했다. 「잠재력」이란 “에너지의 채취 및 이용 관련 다양한 제약 요인을 고려한 에너지의 자원량”으로 정의되어 있다. 환경성 조사에서는 복수의 제약 요인에 관한 시나리오를 설정하여 구체적으로는 육상풍력: 5.5m/s, 6.5m/s, 7.5m/s 이상, 해상풍력: 6.5m/s, 7.5m/s, 8.5m/s 이상에서 산정하고 있다. 일본풍력발전협회에서는 육상풍력 6.5m/s 이상, 해상풍력 7.5m/s 이상에서 산정하고 있다. NEDO 기술 로드맵에서는 육상풍력 6.0m/s 이상, 해상풍력 7.0m/s 이상을 개발 목표로 삼고 있다. 일본대학의 연구실에서는 이 목표에 따라 도입 적지 및 잠재력의 산정을 행하고 있다. ● 풍황 데이터 일본의 연단위 풍속 데이터베이스에는 NEDO가 개발한 LAWEPS(Local Area Wind Energy Prediction System)와 이토츄(伊藤忠) 테크노 솔루션즈㈜(이하, CTC)가 개발한 WinPAS의 2종류가 존재한다. LAWEPS는 육상을 대상으로 하고 있으며, 해상 구역의 범위가 작기 때문에 1㎞ 메시 풍황 맵을 사용하고 있다. WinPAS는 국지기상예측 평가시스템 LOCALS(LOCAL Circulation Assessment and Prediction System)로 기상수치예보 데이터 GPV(Grid Point Value) 등의 입력 데이터를 이용하여 1시간마다의 연간 수치 시뮬레이션의 결과로 작성된 것이다. 본고에서는 2000년의 연평균 풍속을 쌍일차 내삽법(內揷法, 보간법interpolation 補間法)에 의해 500m 메시 풍속으로 세분화시켜 사용하고 있다. 잠재력 추정 방법 지리정보시스템(GIS: Geographic Information System)은 지리적 위치를 근거로 한 공간 데이터의 고도 분석 및 판단과 시각화를 가능하게 하는 기술이다. 위·경도 풍속 및 적지 조건을 벡터나 래스터(직사각형)로 변환하여 도입 가능 지역의 해석을 실시하고 있다. 2009년의 환경성 조사에서는 100m 메시의 동일 직사각형의 셀(Cell)에 풍속 및 모든 제약조건을 셀(Cell)화시켜 1ha 단위의 셀로 풍속 적지 구역을 각 조건의 적합성 여부로부터 산정하고 있다. 본고에서는 해안선 및 공원 구역 등 경계 형태의 복잡성을 고려해 전력회사의 관할로 나누고, 적합성 여부의 해석을 통해 제약조건을 벡터 형태로 하여 적합 구역을 찾아냈다. 이것을 육상과 해상의 각 전력 관할의 결과에 통합시켜 도입 적지 맵과 데이터베이스를 작성하고 있다. 최근 공표된 육상·해상풍력 발전의 설치 조건 및 풍속 조건을 [표 1]에 나타냈다. 신에너지 기초조사와 다른 점은 평가 고도가 30m에서 80m로 변경된 점과 적지 구역에 설치된 풍차의 실적으로부터 삼림 지구(국토면적 44%, 보안림 제외)가 도입 후보지로 추가되었다는 점이다. 또한 환경보전 및 풍차의 저주파·소음 문제를 배려하는 차원에서 제약 조건에 주민 거주지로부터 500m의 이격지역을 제외범위에 포함시켜 도입 가능 적지 구역을 산출하고 있다. 해상풍력은 이안거리 30km 이내에서 풍차 지지 기초구조물이 해저에 구축되는 ‘착상식’의 수심 0~50m와 지지 기초구조가 수몰되어 앵커(Anchor, 닻)에 의해 계류되는 ‘부체식’의 수심 50~200m의 범위를 설치조건으로 하고 있다. 잠재력 추정 결과 풍력발전 도입이 가능한 육상풍력 6m/s 이상 및 해상풍력(착상식, 부체식) 7m/s 이상의 잠재력 지역을 [그림 2]에 나타냈다. [표 1]에 보이는 도입 가능 풍속이 상이한 도입 잠재력의 공표 결과를 [표 2]에 정리했다. 신에너지 기반조사의 육상풍력 6.4GW에 대해 일본풍력발전협회의 6.5m/s 이상에서는 168.9GW로 약 26배의 도입 잠재력이 나타나 설치풍속 조건이 낮아질수록 잠재력은 증가하는 경향을 보였으며, 일본대학 연구실의 6m/s 이상에서는 219.9GW로, 이는 기존의 약 36배이다. ●지역별 도입 가능 잠재력 풍차의 가동에는 소내전력의 구입, 전력송전 및 매전에는 전력회사와의 연계접속이 필요하므로 설치장소의 영업 관할 전력회사와 계약을 맺는다. 그 때문에 각 전력회사의 발전설비용량과 잠재력과의 관계가 풍차 도입 가능량을 좌우하게 된다. 전력 관할별 육상풍력의 풍속 계급별 면적 및 합계 면적과 발전설비용량을 [표 3]과 [그림 3]에 나타냈다. 이 결과로부터 홋카이도(北海道), 도호쿠(東北), 규슈(九州), 오키나와(沖繩)에서는 풍황 적지가 많고, 전력수요가 많은 도쿄(東京), 주부(中部), 간사이(關西)에서는 적지가 한정되어 있음을 알 수 있다. 1㎢당 설비용량 10MW에서 평균풍속 6.0m/s 이상의 도입 잠재력인 219.9GW에 대해 모든 전력회사의 발전설비용량은 202.2GW로 1.09배의 설비 가능성이 기대된다. 그러나 각 전력회사의 설비용량을 상한으로 하는 경우의 도입 잠재력은 76.33GW로 모든 발전설비용량의 0.38배가 된다. 해상풍력(착상식, 부체식)도 전력 관할 경계 연장선을 해역경계로 하여 전력 관할별 적지 면적과 도입 잠재력 및 각 회사의 발전설비용량을 상한으로 하는 도입 잠재력을 [표 4]와 [그림 4]에 나타내었다. 이 결과로부터 해상 평균풍속 7.0m/s 이상의 도입 잠재력은 착상식(180.4GW)과 부체식(961.9GW)의 합계인 1142.3GW가 된다. 전체 발전설비용량 202.2GW의 5.46배인 방대한 잠재력이 해상풍력에 존재하는 것이다. 전력 관할별로는 육상풍력과 마찬가지로 홋카이도, 도호쿠, 규슈, 오키나와 관내의 해역에 풍황 적지가 많고, 도쿄, 주부 관내의 착상식(수심 50m 미만) 해역에서도 적지와 잠재력이 존재하며, 또한 호쿠리쿠(北陸), 간사이(關西), 주고쿠(中國) 관내에서는 부체식(수심 50~200m 미만)에 잠재력이 존재한다. 그러나 각 전력회사의 설비용량을 상한으로 하는 경우의 도입 잠재력은 착상식 74.8GW와 부체식 139.6GW의 합계인 214.5GW로 전체 발전설비용량과 같은 정도인 1.06배로 저하되지만, 육상풍력 잠재력이 적은 도쿄, 호쿠리쿠, 주부, 간사이, 주고쿠, 시코쿠 관내에서의 풍력발전을 기대할 수 있다. 이에 따라 어업 등의 해상 이용자와 해역이용 협의를 실시하여 도입에 필요한 상세조사와 영향평가를 고려한 개발이 요망되고 있다. ● 지역별 연계 가능 도입량 풍력발전은 잉여전력 매입 제도로부터 RPS 제도(신재생에너지 의무할당제, Renewable Energy Portfolio Standard)하에 각 전력회사에 연계되었다. 2009년도 말까지 2041MW가 도입되었으며, 각 회사별 연계 현황 및 발전설비용량의 비율을 [표 5]에 나타냈다. 풍황 적지가 많고 잠재력이 높은 홋카이도, 도호쿠, 규슈 관내에서는 연계비율이 5.5%, 7.0%, 4.99%로 병렬 입력률 5%에 점점 근접하고 있다. 일부 지역에서는 야간 등의 저전력 수요 시 연계를 정지해 송전하지 않는 해열(解列) 범위를 설정하거나 풍차에 축전지를 병설하여 저수요 시 발전전력을 충전하여 주간에 전기를 판매하는 축전지 범위에 의한 풍차 도입량이 증가하고 있다. 한편, 육상풍력의 잠재력이 낮은 관내에서는 풍력발전의 도입은 진전되고 있지 않지만, 해상풍력의 개발에 의해 서서히 도입량이 증가될 것으로 기대되고 있다. 장기도입목표와 로드맵의 설정 각 전력회사의 설비용량을 상한으로 하는 도입 잠재력을 [표 3]과 [표 4]에 나타낸 바와 같이 해상풍력의 도입에 의한 풍력발전의 가능성은 점차 확대되고 있다. 장기도입목표의 설정은 풍력발전의 도입에 의한 CO₂절감 효과를 명확하게 하기 위해 발전 전력량에 있어 『2050년까지 풍력발전의 전력량 공급 비율을 전체 수요 전력량의 10% 이상으로 한다』를 근거로 책정을 실시했다. 2050년의 전력수요는 지금으로서는 불분명하지만, 에너지 절약 기술의 발전으로 효율적인 운용과 고풍속의 해상풍력에 따른 발전량의 증가가 기대된다. 각 전력 관내의 도입량은 개발율을 ①육상풍력은 50%, 해상풍력은 착상식 20%, 부체식 30%로 가정하고, ②전체 설비용량에 대해 풍력도입용량 50% 미만 ③풍력발전 전력량 공급비(kWh)를 20% 미만으로 하는 3가지 조건으로부터 산정한 각 전력회사의 도입 목표치를 구해 [표 6]에 그 프로세스를 나타냈다. 또한 각 전력 관내별 목표 및 관할면적에 대한 개발 비율을 [표 7]에 나타냈다. 이상의 연도 누적 도입 로드맵([그림 5] 참조)으로부터 각 전력 관할면적의 0.3~2.2%의 개발율로 도입 목표를 달성할 수 있으며, 2038년도에 육상풍력 25GW, 착상식은 2044년도에 10GW, 부체식은 2048년도에 15GW의 완성으로 가동을 계획하고 있다. < Energy News >