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신재생에너지 발전소 위치 선정을 위한 기본 조사 – 기상자원 지도

일반적인 화력 발전소는 증기를 냉각하여 응축하기 위한 냉각수를 얻기 용이한 곳에 설치된다. 원자력 발전소와 석탄화력 발전소가 바닷가에 위치하는 이유가 바로 냉각수를 얻기 용이하기 때문이다. 1929년 한국최초의 발전소인 당인리 화력 발전소(마포구) 역시 한강의 물을 냉각수로 사용하기 위해 한강변에 지어졌다.

이와 같이 신재생에너지 발전의 경우에도 위치 선정이 중요하다. 태양광과 풍력의 경우 증기터빈을 사용하지 않기 때문에 냉각수는 필요 없지만, 일사량이 충분한 곳에는 태양광 발전을, 풍속이 충분한 곳에는 풍력 발전소를 세우는 것이 중요하다.

우리나라에서 태양의 일사량과 풍력에 대한 정보를 얻을 수 있는 곳은 국립기상과학원이며(http://www.greenmap.go.kr/) 자료사용계획서와 보안서약서를 제출하면 정밀도 1kmX1km 해상도의 정보를 얻을 수 있다.

1) 태양광 지도

태양광 발전소 위치 선정을 위해서 가장 중요한 것은 일사량이 얼마나 되는지를 확인 하는 것이 중요하기 때문에 정확한 일사량을 확인하는 것은 태양광 발전소를 건설하는데 중요한 역할을 한다.

국립기상과학원에서는 태양-기상자원지도는 현재 2009년 자료가 제공되고 있다. 이전 자료는 2000년~2009년간의 기상자료가 4kmX4km의 해상도로 작성되었던 것에 비해서 2009년 자료는 1kmX1km 자료로 만들어 졌다. 다만, 2009년 1년간의 자료를 바탕으로 작성되어서 평균적인 일사량을 예측하기에는 어려움이 있다.

해상도가 1kmX1km로 되어 있다고 해서 해당지역에서 일사량을 모두 측정한 것은 아니며, 기본적으로는 수치적으로 계산하여 도출 된 모델이다. 태양에서 지구로 들어오는 과정에 존재하는 기층 및 태양복사 감쇠 성분 등은 경험적인 수치로 결정하여 도출된 자료로 정확도는 떨어질 수 있다. 또한 2009년 1년간의 자료를 바탕으로 계산한 것으로 평균적인 기후 특성은 반영하기 어렵다는 특징을 가진다.

태양광 지도 제작 흐름도
태양광 지도 제작 흐름도(source: 국립기상과학원 http://www.nimr.go.kr/)

수치계산으로 만들어진 자료라고 하지만 국내에 존재하는 지표면 관측자료를 대입하여 보정을 하였기 때문에 일정한 수준의 정확도는 확보하였다고 볼 수 있어서 풍력발전소 건설을 위해서는 필수적으로 확인해야 하는 자료이다.

국내 태양광 지도
국내 태양광 지도(source: 국립기상과학원 http://www.nimr.go.kr)

실제 태양광 지도를 살펴보면 강원영동 지방에는 태양광이 충분하지 않은 것으로 나오는데 이는 산악지형이 많은 지역 특징 때문이라고 볼 수 있다. 서해안 지역에서는 전라북도의 군산, 익산, 전주 지역의 일사량이 높게 나오며, 경상남도 지역에서는 통영에서 대구를 잊는 지역의 일조량이 높은 것을 알 수 있다. 바다의 일조량은 전체적으로 높게 나타나는데 특히 통영 앞바다는 매우 높은 일조량을 보여주고 있다.

소규모 태양광 발전 투자의 경우 일정한 정도의 일사량만 확보해도 괜찮지만 대형 태양광 발전소를 건설하고자 할 때에는 이와 같은 일사량을 반드시 확인하는 것이 필요하다.

2) 풍력

풍력발전은 바람이 일정한 속도로 꾸준히 불어 주는 지역에서 적용이 가능한 발전 방식이다. 최근 문제가 생긴 수자원공사가 아라뱃길에 설치한 2대의 풍력발전기는 풍속이 부족한 지역에 설치하여 발전량이 매우 적은 것으로 나타났다. http://news.kbs.co.kr/news/view.do?ref=A&ncd=3078720

최근 설치 비용과는 차이가 있지만, 300kwh 풍력발전기 2대를 설치하는데 74억원을 들였는데 2014년 2억5천원만의 수익을 내어서 문제가 되었던 사례이다. 기사 내용중에 비용대비 수익이 1.02가 나왔는데 높은 수치가 아니라고 나와 있는데 공공사업의 경우에는 1.0만 넘어도 사업이 진행되는 경우는 많기 때문에 큰문제는 없다. 현재 수자원공사가 풍력발전기를 설치한 곳은 인천 터미널 부근으로 인천공항 고속도로에서 보이며 영종대교 휴게소에서 보이는 곳으로 풍력발전기가 가지는 장식적인 효과를 고려하면 크게 문제 될 상황은 아니라고 본다. 사실 [녹색성장 대한민국]이라고 광고판을 세우려고 해도 수 억원의 비용이 드는데 풍력발전기는 전기도 생산하고 광고판보다 효과적이니 오히려 좋은 사례라고 볼 수 있다.

아라뱃길 풍력발전소
아라뱃길 풍력발전소(source: 다음 지도)

다만, 이 사례에서 우리가 확인해야 하는 것은 풍력자원이 충분하지 못한 곳에 발전소를 세우면 수익성이 매우 낮거나 최악의 경우에는 발전소가 손실을 발생 할 수 있다는 사실이다.

풍력자원에 대한 지도는 역시 국립기상과학원에서 구할 수 있으며 1kmX1km 해상도를 가진다. 풍력자원 지도도 역시 수치적으로 계산해서 만들어진 지도이며 실제 측정된 풍력자원을 바탕으로 정확도를 높였다. 풍력발전소는 보통 지상으로부터 높은 위치에 설치하기 때문에 풍력자원 지도도 지표면에서 50m와 80m 높이의 풍력자원 지도를 제공해 준다.

풍력자원 지도
풍력자원 지도 (source: 국립기상과학원 http://www.nimr.go.kr)

풍력발전은 보통 평균 풍속이 5.0m/sec 즉 초속 5미터의 바람이 있을 때 경제성이 있다고 말한다. (풍력 발전기의 블레이드 등 기술의 발전에 따라 경제 풍속은 낮아지고 있다) 이를 바탕으로 우리나라 지도를 보면 내륙지방은 풍력발전을 적용할 수 없는 지역이다. 예를 들면 서울 강남역에 삼성전자 사옥의 옥상에는 수직형 풍력발전기가 설치되어 있는데 그 높은 빌딩 옥상에서도 평균 5미터의 속도가 안나와서 큰 효용은 없다고 알려져 있다. (*신규 건축물은 따라 일정비율의 신재생에너지 시설 설치가 의무사항임.)

가능한 지역은 주로 해안가를 따라서 분포하며 특히 태백산 지역 일부에서 7m/sec 이상의 풍력자원이 존재하는 것으로 나타난다. 이에 따라 태백산에는 풍력발전 단지가 있으며 대부분의 풍력발전소는 해안가에 위치한다.

풍력 발전소 역시 풍력자원의 영향을 많이 받는 방식으로 발전소 건설 계획전에 해당 지역의 풍력자원 현황을 확인하는 것은 필수라고 하겠다.

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풍력발전소 재무모델

재무예측 – 풍력

블로그에 아래와 같은 실질적인 질문이 들어와서 이를 바탕으로 재무예측을 해보자

1) 질문내용

  1. 에너지원 : 풍력
    2. 설치규모 : 50MW
    3. 이용율 : 24%
    4. 상업운전기간 : 20년
    5. SMP : 130원
    6. REC : 50원
    7. REC 가중치 : 2.0
    8. 총사업비 : 1,600억
    – 자기자본 : 320억
    – 타인자본 : 1,280억(금리 4.5%)
    9. 상업운전기간중 모든 고정지출비(연)
    – 유지보수, 보험, 판관비 등 일체 : 35억

이 질문을 분석하면, REC 가중치가 2.0인 것을 볼 때 해상풍력으로 연계거리 5km의 해상풍력발전을 고려하고 있는 것으로 보인다.

SMP를 130원, REC를 30원으로 가정한 것으로 보면 상당히 보수적으로 재무예측을 하는 경우라고 볼 수 있다.

이용율 24%의 경우 24시간 중 발전하는 비율이 24%인 것으로 볼 수 있으며 365일로 따지면 87.6일, 시간으로 따지면 2,102.4시간을 50MW로 발전하는 것으로 예상할 수 있다.

상업운전 기간 20년은 일반적인 기계장치의 감가상각 기간을 예상한 것으로 보인다. 풍력발전의 일반적인 상업운전 가능시간은 확인을 못하였으나, 화력발전의 경우에는 감가상각을 20년으로 하여도 실제 운영은 35년 정도 가능한 것으로 보고 있다.

자기자본 320억원, 타인자본 1280억원일 경우 자기자본 비율은 20% 수준으로 전기원회의 인가를 받을 때 일반적으로 제출하는 자기자본 비율 수준으로 볼 수 있다. 일부 발전 방식에 대해서는 더 높은 자기자본 비율을 요구하기도 한다. 전기위원회의 발전사업 인가 과정에 대해서는 향후 포스팅에서 설명할 예정이다.

2) 재무모델 설정

풍력발전
풍력발전

주요 요소 설정은 위의 그림과 같다. REC는 가중치가 2.0이고 REC단가는 50원으로 가정하였기 때문에 간단하게 100원으로 정리하였다. 운영비용은 전체적으로 35억원으로 가정하였기 때문에 보수 유지비로 정리하였다.

3) 재무모델 결과

이대로 입력하여서 재무모델을 보면 IRR부분에서 #NUM! 에러가 발생한다. IRR을 계산하는 방식이 NPV가 0이 되는 할인율을 계산하는 방식으로 단번에 계산하는 방식이 아니라 뉴튼-랩슨(Newton-Raphson) 방식을 사용하는데 이는 반복계산을 통해 근사치를 찾는 방식이다. 엑셀 프로그램은 반복계산을 20번 실시하는데 20번 하는 동안 근사치를 못찾는 경우 #NUM!에러가 발생한다. 이럴 경우 IRR함수에 추정치(guess)를 넣어 주면 계산이 완료 된다. 이 경에는 0.05를 추정치로 넣어주었다.

그 외에도  #NUM!에러가 발생하는 경우는 수치가 너무 클 경우 해를 찾기 어려운 문제가 발생하기 때문이다. 이 때에는 문제가 발생하는 현금흐름을 일정하게 나누어주어서 IRR을 계산하면 문제를 해결할 수 있다. 예를 들면 현금흐름을 1,000으로 나누어서 IRR을 계산하면 해결되는 경우가 있다.

최종적으로 할인율을 5.6%(자기 자본 기대수익률 10%, 타인자본 이율 4.5%)로 할 경우 세전 NPV는 539억원이며 세전 IRR은 9.6%가 나온다.

4) 풍력 발전 분석

풍력발전의 가장 큰 걸림돌은 주변의 민원이 상당히 크다는 것이다. 풍력 발전기의 블레이드가 돌아가는 소리에서 나는 소음에 대한 민원이 많으며 기타 민원들도 제기되고 있다. 이 때문에 발전사업 인허가를 받기 어려워 국내에서 확산 되기가 어려웠다. 해상 풍력의 경우에는 주변에 민가가 없어 민원의 소지가 적기는 하지만 어민들의 민원제기가 있어 역시 발전사업을 시작하기 쉽지 않다. 현실적으로 이러한 민원을 어떻게 잠재울 수 있는가가 풍력 발전 사업의 핵심이라고 볼 수 있다.
이 사례에서는 1MWh 당 약 32억원의 투자비를 고려하고 있다. 태양광발전이 20~25억원 수준인 것을 고려하면 상당히 높은 투자비용이며, 바이오매스 발전소 등과 비교해도 높은 수준의 투자비용을 요구 하고 있다. 문제는 풍력 발전의 문제는 일정하게 발전이 가능한 것이 아니라 기후 상황에 따라 발전량이 결정된다는 것이다. ESS와 연계된 풍력발전에 대하여 가중치를 높게 인정하더라도 불확실성이 높은 상황에서 투자가 증가하기 어려운 상황이다.
또한, 유지보수 비용이 상당히 크게 발생할 수 있다. 발전효율을 위해 대형 블레이드를 사용할 수록 불의의 사고로 인한 고장 및 파손 시 수리/교체 비용이 높게 발생하는 위험성을 가지고 있다.
이 때문에 풍력발전 업계에서는 더 높은 가중치를 요구하며, 풍력발전소 설치에 대한 제한을 완화하는 요구를 하고 있다.
현 재무 예측상으로는 세전 IRR이 9.6%에 달하기 때문에 투자를 하기에는 좋은 조건이며, 매출액도 200억 이상으로 상당한 규모를 확보할 수 있는 산업이며, 상대적으로 고정비용과 변동비용이 적은 발전방식이다. 20년간 기계 설비의 안정성에 문제 없이 운전할 수 있다면 투자자의 특징에 따라 충분히 투자할 가치가 있는 발전 프로젝트라고 볼 수 있다.

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이번 내용의 엑셀파일은 재무예측-풍력.xlsx () 에서 다운받을 수 있다.

계산치가 바뀌지 않을 경우에는 ‘F9′ 키를 눌러서 계산을 수행한다.

위 링크를 클릭하면 아래 그림과 같은 화면이 나온다.

엑셀파일 공유 화면
엑셀파일 공유 화면

빨간색 사각형으로 표시한 파일 이름을 클릭하면, 아래와 같은 화면이 나온다.

엑셀파일 공유-2
엑셀파일 공유-2

현재 파일 공유는 ‘보기’만 가능하기 때문에 웹에서 바로 수정이 불가능하다, 엑셀 프로그램이 깔려 있는 경우에는 빨간 사각형을 눌러 파일을 다운받아 수정 및 작업이 가능하다.

사용하는 컴퓨터에 엑셀 프로그램이 없을 경우에는 원드라이브에 가입(무료)하고 파일을 자신의 계정에 업로드하면 웹에서 수정 및 작업이 가능하다.

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1. 발전소의 역사와 종류

1. 발전소의 역사와 종류

발전은 자연에 존재하는 여러가지 형태의 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 과정을 말하며, 발전소는 발전을 시행하는 시설을 말한다. 발전에서 가장 중요한 것은 발전기이며, 코일과 자석으로 구성되어 회전에너지는 전기에너지로 변환하는 것이 일반적이다. 다만 태양광발전의 경우에는 빛에너지를 직접 전기에너지로 바꾸는 경우도 있다.

 1)     발전소의 역사

세계 최초의 발전소는 Lord Armstrong에 의해서 1868년 영국에 건설되었다. 호수에서 끌어온 물을 이용하여 Siemens dynamos를 동작시켜 직류를 생산했다. 이후 공공에서 건설한 발전소는 Edison Electric Light Station으로 런던에 건설되어서 1882년부터 가동하였으며 스팀을 이용한 발전소이다. 미국에서는 1882년 뉴욕에 건설 된 Pearl Street Station이 최초의 발전소이며 1890년 화재로 소실될 때까지 운영되었다.

한국에서는 1887년 대한제국의 경복궁내 건청궁에 전기불을 켜기 위해서 향원정 연못가에 세워졌으며 석탄화력을 이용하였으며, 냉각수를 향원정의 물을 사용하였기 때문에 물고기가 익어서 떠오르는 경우가 있었다고 한다. 1898년에는 한성전기회사가 최초로 설립되어 국내 첫번째 전기회사로 설립되었으며, 배전시설을 설치하여 가정과 사무실 등에 전력을 공급하는 역할을 하였다.

2)     발전소의 분류

(1) 화력발전소: 화력발전은 연료를 연소하여 발생한 열을(스팀, 가스 등) 터빈에서 회전 운동에너지로 전환하고 회전운동에너지를 전기에너지로 바꾸는 방식을 말한다. 화력발전소는 다시 아래와 같이 분류가 가능하다.

  • 기력발전소: 열을 고온고압의 스팀으로 만들어 증기 터빈(Steam Turbine)을 이용하는 방식
  • 내연력발전소: 디젤엔진 등 엔진을 발전기에 직접연결하여 발전하는 방식으로 주로 벙커C유, LNG등을 사용하며, 대형빌딩의 비상발전소, 도서지역의 발전소 등이 해당한다.
  • 가스터빈발전소: 연소가 가능한 가스를 터빈 내에서 연소시켜 발전기를 구동하는 방식의 발전소이다. LNG를 주로 사용한다.

사진: 위키피디아

(2) 원자력발전소

원자력 발전소는 우라늄과 같은 방사선 동위원소가 분열할 때 발생하는 열에너지를 이용하여 고온고압의 스팀을 생산하고 이 스팀으로 터빈을 구동하여 발전하는 방식이다.

사진: 위키피디아

 (3) 수력발전소

댐을 통하여 물을 가두었다가, 방류하면서 수차를 구동하고 이를 통해 전기에너지를 생산하는 방식을 말한다. 전력사용이 적은 시간에 양수기를 이용하여 하류의 물을 댐에 채워놓았다가 전력사용이 많은 시간에 발전하는 양수발전 방식도 있다. 24시간 발전을 계속하는 원자력발전, 석탄화력발전 등에서 생산하는 여유 전력을 활용하는 방식으로 많이 사용된다.

사진: 위키피디아

 (4) 태양광발전소

빛을 받으면 광전효과에의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용하여 발전하는 방식이다. 태양광의 경우에는 계속적으로 공급되는 에너지이기 때문에 재생에너지라 불리며 환경오염 등에 대한 우려가 적은 방식이다. 단, 구름이 짙게 끼거나 야간 등 햇빛이 충분하지 않은 경우에는 발전을 하지 못하는 단점이 가장 크다.

 사진: 위키피디아 (아래쪽 검은 부분)

 (5) 태양열발전소

태양광이 가지고 있는 열에너지를 집중하여 스팀을 만들고 이를 이용하여 터빈을 구동하여 전력을 생산하는 발전 방식이다.

사진: 위키피디아 (위쪽 은색 부분)

(6) 풍력발전소

바람의 운동에너지가 풍차를 돌려 발전기를 구동시키는 방식이다. 효율성을 높이기 위해서는 풍자의 블레이드가 대형화해야 하나, 높은 기계기술이 필요한 방식이다. 다만, 발전이 가능한 규모의 바람이 있어야 발전이 가능하다

사진: 위키피디아

 (7) 지열발전소

지하에 존재하는 열을 활용하는 방식으로 낮게는 1km에서 5km까지 깊이 지하에 물을 주입하고, 지하에서 가열된 물을 이용하여 발전하는 방식으로 성공할 경우 연료비가 필요 없으며, 24시간 언제나 발전이 가능한 방식이다. 현재는 화산지역을 보유한 국가에서 상용화 되어 있다.

사진: 위키피디아

 (8) 조력/파력발전소

조력은 조석간만의 차를 이용하여 발전하는 방식으로 밀물/설물 때 발생하는 바다의 운동에너지를 전기에너지로 전환한다. 우리나라의 경우 서해와 같이 조석간만의 차가 큰 지역에서 활용이 가능한 방식으로 매일 발전이 가능한 것이 특징이다. 파력발전은 파도의 운동에너지를 이용하는 발전으로 파도의 운동에너지를 전기에너지로 바꾸는 방식이다.

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