New & Renewable Energy 2015. 12 Vol. 11, No. 4 ISSN 1738-3935 http://dx.doi.org/10.7849/ksnre.2015.12.11.4.31 [2015-12-WD-003] 한경 성산풍력개발및운영사례와발전방향 박영철 1) ㆍ이석현 2)* ㆍ문상수 3) Development, Operational Practices and Future Direction of Hankyeong/Sungsan Wind Farm Young-Chul Park 1) ㆍ Seok-Hyun Lee 2)* ㆍ Sang-Su Moon 3) Received 27 May 2015 Revised 7 October 2015 Accepted 7 October 2015 ABSTRACT Worldwide interest in green energy is increasing due to heightened concerns over carbon dioxide emissions and global warming. In this paper, we introduce the operating practices of the Hankyong and Seongsan wind power plant in the island of Jeju, Korea, locates south of the Korean peninsula. This paper contributes to the expansion of wind power by introducing and discussing development issues associated with Korea s growing wind power facilities. We also discuss the management of wind power facilities, including a breakdown of maintenance practices which have developed during the operation of the wind power plant. Key words Wind Farm( 풍력 ), Renewable Energy( 신재생에너지 ), Jeju Wind Power( 제주지역풍력 ), Wind Speed( 풍속 ), Availability( 이용률 ), Maintenance Grade( 정비급수 ) 1. 서론 화석에너지사용에따른이산화탄소배출과이로인한지구온난화문제로전세계는그린에너지에대한관심이지대하다. 특히국내에서도풍력과태양광그리고조력등신재생에너지에대한관심이매우높다. 본논문은그린에너지중풍력설비를대상으로하여풍황자원이가장우수한제주지역에서의운영사례를소개하고자한다. 특히풍력설비개발을위한단지조성과관련하여건설시애로사항과문제점을소개하고이에대한개선방안도함께제시하여풍력발전설비의확충에기여하는기회를갖고자한다. 1) Dept. of Business Development, Korea Southern Power Co., LTD., Korea 2) Dept. of Electrical Engineering, Inha University, Korea E-mail: plasma@inha.ac.kr Tel: +82-32-860-7392 3) Dept. of Electrical Engineering, Inha University, Korea 또한제주지역한경과성산풍력단지에대한설비운영실적을분석하고운영과정에서의고장과정비사례및대안을제시하여풍력설비유지보수에참고기준이될수있도록하고자한다. 특히신뢰성확보와납기지연등의문제해결을위해주요자재인외국제품을국산화한사례를소개함으로써국산화기반을제공하는기회가될것이다. 2. 제주풍력산업현황 2.1 제주지역의풍황현황제주지역은그림 1과같이풍황자원이매우우수함을알수있다. 특히해상풍황은제주지역이타지역에비해월등하다는것을알수있다. 또한지리적으로진입도로건설과산악운반부담비경감등건설과운영면에서매우경제적이다할수있다. 그림 1은우리나라풍황현황을육상과해상으로구분하여나타낸다. [1] Copyright c2015 by the New & Renewable Energy This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
박영철ㆍ이석현ㆍ문상수 서 이중 한국남부발전이 19기(한경, 성산) 41MW, 에너지 공사(신창, 가시리, 행원)가 44기 59MW, 민간단체(월령, 월정, 김녕, 삼달)가 14기 56MW를 운영중에 있으며, 한국 남부발전은 제주지역 풍력발전용량의 약 26%를 차지하고 있다. 그림 2는 제주지역 풍력발전설비 현황을 운영회사별 로 구분하여 나타낸 그림이다. 제주지역의 우수한 풍황자원과 관련하여 육상 및 해상풍 력을 건설하고자 총 444.8MW 규모의 풍력설비를 현재 계 (a) 해상 풍황현황 (b) 육상 풍황현황 획 중에 있으며 그중 육상풍력은 146MW, 해상풍력은 298.8 MW 규모로 구상하고 있으며 상세한 내역은 그림 3과 같다. 그림 1. 우리나라 풍황 현황도 2.2 제주지역의 풍력설비 설치현황 풍력설비는 국내 총 용량 641MW로서 제주지역에서 차 지하는 풍력설비 용량은 156MW로 국내총용량의 24%를 담당하고 있다. 제주지역 풍력설비 운영대수는 총 78기로 3. 풍력단지 개발 현황 3.1 풍력단지 운영 및 개발현황 한국남부발전(주)의 풍력단지는 최초 제주지역 한경풍 력 1단계(1.5MW 4대)를 2003. 6월 착공을 시작으로 한 경풍력 2단계(3.0MW 5대, 2007.6~2008.3), 성산풍력 1,2단계 (2.0MW 10대, 2008.06~2010.03) 그리고 국산 풍력 100기 건설을 목표로 태백풍력 9기, 창죽풍력 8기를 표 1. 한국남부발전 풍력단지 운영 및 개발현황 조사기준 : 2015.3월 조사방법 : 한국남부발전 자체조사 그림 2. 제주지역 풍력발전 설치현황 기준년도 : 2015.3월 조사방법 : 한국남부발전 자체조사 그림 3. 제주지역 풍력발전 설치계획 32 신재생에너지 그림 4. 한국남부발전 풍력단지 운영 및 개발현황
한경 성산풍력개발및운영사례와발전방향 준공하여운영중에있으며, 평창풍력 10기, 영암풍력 10기를건설중에있다. 표 1과그림 4는한국남부발전의풍력단지운영과개발현황을나타낸다 (2015.03 기준 ). [2] 3.2 풍력발전단지개발업무흐름도풍력발전단지개발을위한세부업무절차는아래와같다. [3] 1 기본자료검토풍력발전단지개발을위한기본입지자료확보및분석하며, 주변개발여건등검토하는단계이다 2 건설입지예비조사건설및운영여건등검토로서입지예비조사와풍력자원측정지점선정등건설입지예비조사단계이다. 3 풍력자원측정및분석자원측정용철탑설치및자원측정과분석을 1년동안시행하는단계이다. 4 발전단지최적화검토발전설비최적용량산정과계통연게검토및설비배치계획을시행하는단계이다. 5 투자비산출기자재및건설공사비와연도별자금소요계획등을산출한다. 6 경제성평가 7 건설기본계획수립 8 건설세부추진계획수립 9 설계용역및기자재계약공사용설계기술용역시행과기자재기술규격서를작성하는단계이다. 10 대관인허가발전사업허가, 공사계획인가, 부지매수, 개발사업시행승인등이이루어지는단계이다. 대관인허가단계에서부지매수즉사유지와국 공유지에대한협의매수와공유수면인경우권리자동의를구하는등부지매수행위가이루어진다. 또한개발사업시행승인을위해농지 / 산지전용허가, 공유수면점 사용허가, 건축허가 ( 고도심의 ), 개발행위허가, 도로점용허가, 전기사업신고등의개발사업시행승인단계이다. 11 건설공사수행 12 준공 상기와같이풍력설비설치를위한건설소요기간은설비용량 20MW기준 (2MW 10기) 으로하였을경우통상적으로사업계획수립 ( 입지검토 ~ 기본계획수립 ) 에약 16개월, 인허가 10개월, 건설추진기간 ( 기본계획이후 ~ 준공 ) 약 30 개월이소요된다. 3.3 풍력건설문제점및개선방안풍력건설에있어가장문제가되며애로사항은 1 풍력발전기주변의주민과인근토지주로부터의민원이다. 그리고 2 건축계획심의시자연과의조화및관광 ( 세계자연유산등재 ) 과관련한검토요구이다. 3 각종규제강화문제즉사전환경성검토, 문화재지표조사, 동굴조사등이있으며, 특히소음의영향범위요구등이있다. 4 인허가기간장기화이다. 이는풍력발전을난개발로인식하는분위기가팽배하다. 따라서설비용량, 규격, 경제성분석자료가필요하며, 이는기자재계약시가능한자료이다. 5 제주지역풍력발전한계용량산정으로 ESS 설치및출력제한장치구비요구이다. 상기와같은건설애로사항과관련하여아래와같이개선방안을제시하고자한다. 첫번째로사업자는 1 법이나규정을무시한무리한사업추진을지양하며, 2 지역주민과의사전협의를통해풍력이친환경발전방식임을알리고충분한공감대를형성한이후에사업을추진하도록한다. 두번째로는시민및환경단체는 1 풍력발전이현실적인대체에너지수단임을이해하고 2 지역주민과함께환경훼손을최소화하는방안을강구하도록인식의전환이필요하다. 셋째로정부와관련단체는 1 신재생에너지인풍력설비에대한건설필요성을이해하고 2 풍력발전기를유치하였을때의경제적인이득과 3 사업자와주민이서로상생하고있는국내외사례등을홍보하여친환경적인발전설비로후세들에게온전히보전된자연환경을물려주는현명한자세를견지하여야할것이다. 4. 한경 / 성산풍력단지운영실적 4.1 최근 5년간월별풍속및이용률그림 5는한경과성산풍력단지에대한최근 5년간의월 2015. 12 Vol.11, No.4 33
박영철ㆍ이석현ㆍ문상수 (a) 2010 년월별풍속및이용률 (b) 2011 년월별풍속및이용률 (c) 2012 년월별풍속및이용률 (d) 2013 년월별풍속및이용률 (e) 2014 년월별풍속및이용률 그림 5. 최근 5 년간한경및성산풍력단지통합월별풍속및이용률 별풍속및이용률을나타낸그래프이다. 상기에서보듯이년도별차이는있지만대부분 4월에서 9월까지는풍황조건이비교적다른기간에비해좋지않아이용률이비교적적은것을확인할수있다. 2012 년및 2014년도를제외하고여름성수기인 7월에단기적으로풍황이좋아져이용률이상승하는것을볼수있다. 이는태풍에의한영향으로비교적단기적인상황으로파악된다. 동절기에는비교적풍황이좋아이용률이상승되어동계피크에기여함으로서전력수급안정에기여함을확인할수있었다. 4.2 단지별이용률현황표 2와그림 6은한경과성산풍력단지의준공이후년도별풍속과이용률을나타낸다. 특이사항으로표 2의한경 1,2단계설계이용률이 35.7% 로서성산 1,2단계의설계이용률 28.2% 대비약 7% 차이와실제이용률과도 7~10% 의차이가발생됨을확인할수있다. 이는한경 1,2단계초기설계시풍속을실제 6.7~7.3m s대비 7.9m s로과다하여설계계상에따른이용률오류로볼수있다. 또한표 2의한 표 2. 단지별발전량및이용률현황경1단계의경우실제풍속이 6.7m s로서비교적적음에도이용률이 28.5% 를상회함은설비용량이 1.5MW 임에도불구하고 1.6MW 까지전력생산되어과다출력에따른결과로분석된다. 그림 6의한경1 단계이용률이 2011년 23.4% 로서평균 28.5% 대비 5% 하락됨을볼수있는데이는표 3에서보는바와같이제작사하자기간종료후자체정비에따른기술력자립이완료되지않아정비결함과미흡한조치결과로분석된다. 현재는그림 6과같이기술자립구축으로 2013 년이후부터풍속대비이용률이안정적으로유지됨을확인할수있다. 34 신재생에너지
한경 성산풍력개발및운영사례와발전방향 표 4. 급수별정비체계 (a) 한경 1 단계풍속및이용률 (b) 한경 2 단계풍속및이용률 (a) 년도별발생건수 (c) 성산 1 단계풍속및이용률 (b) 설비별발생비율 그림 7. 고장정지발생건수 (d) 성산 2 단계풍속및이용률 그림 6. 단지별풍속및이용률현황 표 3. 단지별제작사하자보증및경상정비현황 있으며 A급정비는시운전이후 3개월에시행하며운전수명기간중 1회에한하여시행한다. 정비대상은타워와요시스템그리고전기판넬에대한토르크점검이며, 소모품교체와그리스주입등기본적인점검정비를포함한다. 그리고 B급과 C급은매 6개월마다교대하여 (B-C-B-C-B..) 시행하며, A급에서시행하는기본적인점검정비가정비대상에해당된다. 다만수명기간동안최초단 1회에한하여시행한다는의미에서 A급이 C급과상이하다할수있다. 5.2 10 일이상고장정지발생건수 5. 한경 / 성산풍력설비고장및정비사례 5.1 풍력발전기유지정비체계 풍력발전기의정비급수는표 4 와같이 A 급부터 C 급까지 그림 7은과거 10년간발생된고장정지통계이다. 풍력설비도입초기대수가비교적적어고장건수가비교적많지않은반면 2010년이후성산1 단계및 2단계준공등으로설비대수증가와도입이후설비불안정에따라고장건수가증가한것으로보인다. 2015. 12 Vol.11, No.4 35
박영철ㆍ이석현ㆍ문상수 특히고장설비별분류는그림 7의 (b) 에서와같이전기제어설비고장이전체의 40% 이상을차지하고있어전기제어설비에대한신뢰성확보를위한대책방안강구가요구된다. 5.3 고장유형표 5는설비별고장유형을분석한내용이다. 아래에서볼수있듯이기계, 전기, 제어, 기타전분야에서고장이발생하고있으며, 기계는유압계통이고장이잦으며, 전기분야는절연에가장문제가있는것으로파악되었다. 5.4 자재국산화사례 5.4.1 유압메니폴드등유압부품 6종한경1 단계는최초도입이후장기사용에따라블레이드유압메니폴드의재질열화가진행되고있었으며, 파손시윤활유누출로인한주변환경오염우려와특히제작사고유규격에따른제품호환불가등의문제점등이발생된다. 이러한결함발생시정비일수는 1일정도소요되나자재수급에최소 3주이상소요되어기술자립이요구되는실정에따라국산화를추진하였다. 그림 8은국산화된유압메니폴드사진이며, 국산화기간은 2011. 8~ 2012. 11. 총 15개월소요되었다. 호기별표 5. 고장유형 교체는표 6과같이 2012년을시작으로 2015년까지진행되었으며, 국산화이후 2015년현재까지안정적으로운영되고있다. 5.4.2 슬립링및브러시등전기계통 8종슬립링및브러시등은특별사양제작으로인해제작사의존도가높을뿐아니라외자구매로고가비용및염분에의한영향등에따라고장빈도가높아유사설비인한경2 단계와성산풍력단지를대상으로국산화를추진하였다. 국산화는 2013. 11.~12 까지약 2개월소요되었으며, 적용은표 7과같이 2013년을시작으로 2015년까지한경 2단계와성산풍력단지를대상으로국산화자재로교체하였으며 2015 년현재까지안정적으로운영되고있다. 5.4.3 Yaw Gear Yaw Gear는자재공급기간이장기이며국내감속기업체의기술활용을통한국산화가가능할뿐아니라국내중소표 6. 한경1 단계유압매니폴드국산화실적 ( 개수 ) 구분 1호기 2호기 3호기 4호기 12년 1 13년 2 2 14년 1 1 15년 2 계 1 3 2 3 그림 9. 슬립링및브러시 표 7. 슬립링및브러시국산화실적 ( 개수 ) 그림 8. 유압메니폴드 구분 한경2 단계 성산 13년 3 5 14년 4 10 15년 3 5 계 10 20 36 신재생에너지
한경 성산풍력개발및운영사례와발전방향 기업육성에기여하고자국산화추진하였다. 국산화기간은 2011. 8~ 2012. 11. 총 15개월소요되었으며, 호기별교체는표 8과같이 2012년을시작으로 2014년까지진행되었으며, 국산화이후 2015년현재까지안정적으로운영되고있다. 상기제품결함시복구소요기간은원활한자재수급시 1~2일이면가능하나자재수급에어려움이있어 3주정도소요됨에따라국산화추진에대한유 무형효과는표 9와같다. 표 10은풍력발전기상태감시시스템의기능을시스템별로구별하여정리한내용이다. 6.2 풍력발전기타워변위모니터링그림 11은풍력발전기기초및타워진동감시시스템으로서이는풍력발전설비의안정적설비운영을위한감시기능표 10. 풍력발전기상태감시시스템현황및기능 1 일괄감시용 HMI 2 열화예측알고리즘 6. 원격감시시스템 6.1 풍력발전기상태감시시스템풍력발전기상태감시시스템은운전감시설비및상태감시설비시스템을통합한시스템으로서통합 DATA Base 를기반으로한다. 이는고장진단과분석알고리즘적용으로예측진단정비를위한기반구축에기여할뿐아니라실시간운전감시와화재방지시스템도입을통한신속한대응체계를수립할수있는장점이있다. 통합 HMI 를통한풍력단지운영현황일괄감시가능 3 진동분석트랜드 Data Scanning Time 단축으로진동및 Trend 분석가능 진동, 운전정보분석을통한열화진단및고장진단가능 4 너셀열화상감지및화재감시설비 열화상, 화재감지설비구축으로너셀내부상시온도감시및화재감시 그림 10. 요기어 표 8. Yaw Gear 국산화실적 ( 개수 ) 구분 한경2 단계 성산 12년 1set(6ea) 2set(4ea) 13년 1set(6ea) 14년 1set(4ea) 계 2 3 표 9. 자재국산화현황 그림 11. 풍력발전기기초및타워진동감시시스템 2015. 12 Vol.11, No.4 37
박영철ㆍ이석현ㆍ문상수 표 11. 풍력발전기타워변위모니터링 1 가속도계 가속도를측정하여시스템의변위분석 3 기울기계 기울기를측정하여시스템의기울기, 침하분석 을강화하기위해적용된운영시스템이다. 2 변형률계 변형률을측정하여시스템의응력분석 4 간극수압계 지하수위변동계측으로지반의침하, 변위, 거동분석 특히외부하중 ( 바람 ) 에따른영향을지속적으로감시하 고분석함으로써주변환경의안전성을보장할수있으며, 타워진동에의한휨및지반과기초침하를감시하는기능을한다. 본시스템은타워이상상태의예측및분석을통해예측진단정비를가능하도록한다. 상기시스템구현을위한모니터링장치는표 11과같다. 7. 풍력단지유지보수문제점및대책 풍력단지유지보수를위해인력과장비측면에서검토해보면우선풍력유지보수를위한유경험자가절대적으로부족하여인력 Pool 형성의어려움이있다. 이를해결하기위해서는사업초기필요시유경험전문고급인력에대한수입과양성을통해인력 Pool 을확보하여야할것이다. 대규모풍력설비유지정비를위해서는특수공기구등의대형장비가필요하지만육지에비해장비수급이곤란하여이로인한긴급정비에어려움이있고, 고가로서경제적으로부담이있다할수있다. 이의개선을위해서는풍력시장확대에따른장비수요증대대비공동이용협약등을통해이를해결할수있을것이다. 풍력운영과정비기술측면에서제작사로부터의기술이전이미비하여핵심설비정비에대한제작사의존도가높은측면이있다. 또한여러기종도입으로인한정비능력과노하우축적에도어려움이있는것이사실이다. 이를개선하기위해서는풍력발전단지간기술교류확대를통한기술력배양이필요하다. 각단지간에보유하고있는정비노하우를기술교류로서확보할수있으며, 상호간 Win Win 할수있는상생의기술력배양이될수있을것이다. 또한핵심기술력확보를위해제작사를통한교육수강등정기적인기술역량확보가필요하다. 풍력설비의핵심분야는대부분제작사 (Vestas) 가외산으로예비품구매시가격상승과납기지연등의문제가있으며, 정비측면에서어려움이가중되어기술능력확보를통한국산화가요구된다. 소형풍력발전단지의경우예비품비용상승으로풍력발전기기종선정시단일기종을선택할수있는방안을강구하는것도바람직하다할수있다. 또한동일기종을보유한단지간자재공동이용협약을체결하여상호간정비자재수급면에서유리하게할필요가있다. 8. 결론풍력설비는그린에너지중에서가장경제성이있고친환경성등으로인해발전설비확충에있어가장관심높은분야중의하나이다. 본논문에서는이러한풍력설비의개발과운영관련하여제주지역의한경풍력과성산풍력을위주로소개하였다. 특히풍력단지개발시발생되는문제점과이에대한개선대책을제안함으로써제주지역풍력설비건설시예상되는문제점을사전에조치할수있어효과적이고경제적인풍력건설이이루어질수있는기초를제공하였다. 또한제주지역의월별계절별풍력자원현황과이에따른설비이용률실적을분석하여설비유지보수를위한정비일수선정에참고할수있도록하였다. 특히설비별고장발생빈도를분석하여신뢰성확보를위해보완이요구되는부분을파악할수있도록하였다. 주요자재가외산으로인해납기지연과재고자재확보 38 신재생에너지
한경 성산풍력개발및운영사례와발전방향 측면에어려움이있는것을국산화를통해외화절감은물론주요자재에대한국산화기반을제공하는기회가될것이다. 감사의글본논문은산업통상자원부해양플랜트특성화대학사업과한국해양과학기술진흥원해양에너지융복한인력양성 사업그리고인하대학교의지원을받아수행되었습니다. References [1] 대한민국풍력에너지자원지도, 한국에너지기술연구원, 2007. [2] 한국남부발전신성장사업실풍력발전단지개발현황판, 2015.3. [3] 풍력단지개발업무및건설인 허가절차검토, 한국남부발전, 2005.6. 2015. 12 Vol.11, No.4 39