최근 Projekt 수업의 최종 과제로 작성한 1980년 이후 세계적인 풍력시설을 발전 분석에 대한 논문을 정리해드립니다. 해당 논문은 Leibniz Uni Hannover의 IWES 인스티튜트와 함께 작성되었으며, Windpower에서 제공하는 데이터를 기반으로 하여 분석이 진행되었으며, 2022년 05월 17일 최종적으로 제출이 되었습니다.
해당 분석내용이 풍력에너지를 전공하고 조사하시는 분들께 조금이나마 도움이 되기를 바랍니다.
개요
급속한 산업화 이후 우리의 삶은 편해졌지만 그를 위한 과도한 석탄 에너지의 사용으로 인해, 온실가스로 인한 지구온난화 등의 문제가 야기되었습니다. 때문에 지구온난화를 막기 위한 세계적인 논의가 있었고, 그 중심에 신 재생에너지의 개발이 있습니다. 이러한 이유로 풍력에너지의 개발은 1980년대부터 지속적인 발전을 거듭하고 있습니다.
하지만 IPCC의 보고서에서도 언급되듯이, 여전히 지구온난화는 전 세계적인 문제로 인식되고 있습니다. 이를 위해 지금까지 이어온 개발을 유지함과 동시에 발전가능성을 새로이 설정하는 등 변화가 필요한 시점이기도 합니다. 따라서 1980년 이후 전 세계적인 풍력에너지 사용의 확장과 풍력에너지 발전시설의 발전을 분석하는 것을 큰 테두리로, 이번 학제간 프로젝트의 목적은 풍력발전시설의 발전현황을 분석 및 시각화하여 향후 발전을 위한 기초 및 근거를 형성하는 것입니다. 이를 위해 Python 프로그램이 사용되었으며, 데이터에 주어진 총 33.072개의 데이터 가운데에서 2019년까지의 데이터를 기반으로 하여, 데이터가 제공되지 않은 데이터를 제외하고 28.169개의 데이터를 대상으로 시각화가 진행되었습니다.
1980년 이후 2019년까지 설치된 풍력단지는 총 450GW의 설치용량을 가지고 있으며, 2004년 이후 세계적으로 풍력에너지 개발은 크게 확장됩니다. 국가적으로, 시기적으로 차이를 보이지만, 1980년 이후 풍력에너지의 발전은 소규모 내륙풍력다지에서 시작되어 대규모로 점진적인 발전을 이루게 됩니다. 더불어 2000년대를 넘어서며 해상풍력단지의 개발이 시작되었으며, 주요한 미래 개발원으로는 해상풍력단지가 각광을 받게 됩니다. 이러한 이유로 현재에는 독일과 덴마크와 같이 풍력발전의 선구자역할을 한 국가들보다는 미국이나 중국과 같은 풍력개발의 후발주자들이 더 큰 설치용량을 가지며 풍력에너지 시장을 이끌어나가고 있습니다.
현재에도 건설 예정중인 풍력단지가운데에서 해상풍력단지가 차지하는 비중이 95% 이상으로 높게 나타나고 있습니다. 하지만 높은 초기투자비용, 기술적인 문제, 대규모 풍력단지에서 나타나는 후류효과 등으로 인한 여러가지 부작용들도 존재합니다. 때문에 이러한 부작용들을 해결할 수 있는 기술개발과 더불어 이를 지원하는 정부차원의 적극적인 투자와 지원을 통해서 풍력에너지 개발의 방향성과 발전가능성을 명확히 할 수 있을 것으로 고려됩니다.
결론
급속한 산업화 이후 우리의 삶은 편해졌지만 그를 위한 과도한 석탄 에너지의 사용으로 인해, 온실가스로 인한 지구온난화 등의 문제가 야기되었습니다. 때문에 지구온난화를 막기 위한 세계적인 논의가 있었고, 그 중심에 신 재생에너지의 개발이 있습니다. 이러한 이유로 풍력에너지의 개발은 1980년대부터 지속적인 발전을 거듭하고 있습니다.
하지만 IPCC의 보고서에서도 언급되듯이, 여전히 지구온난화는 전 세계적인 문제로 인식되고 있습니다. 이를 위해 지금까지 이어온 개발을 유지함과 동시에 발전가능성을 새로이 설정하는 등 변화가 필요한 시점이기도 합니다. 따라서 1980년 이후 전 세계적인 풍력에너지 사용의 확장과 풍력에너지 발전시설의 발전을 분석하는 것을 큰 테두리로, 이번 학제간 프로젝트의 목적은 풍력발전시설의 발전현황을 분석 및 시각화하여 향후 발전을 위한 기초를 형성하는 것입니다. 이를 위해 Python 프로그램이 사용되었으며, 데이터에 주어진 총 33.072개의 데이터 가운데에서 2019년까지의 데이터를 기반으로 하여, 데이터가 제공되지 않은 데이터를 제외하고 28.169개의 데이터를 대상으로 시각화가 진행되었습니다.
1980년 이후 2019년까지 설치된 풍력단지는 총 450GW의 설치용량을 가지고 있으며, 2004년 이후 세계적으로 풍력에너지 개발은 크게 확장됩니다. 국가적으로, 시기적으로 차이를 보이지만, 1980년 이후 풍력에너지의 발전은 소규모 내륙풍력단지에서 시작되어 대규모로 점진적인 발전을 이루게 됩니다. 더불어 2000년대를 넘어서며 해상풍력단지의 개발이 시작되었으며, 주요한 미래 개발원으로는 해상풍력단지가 각광을 받게 됩니다. 이러한 이유로 현재에는 독일과 덴마크와 같이 풍력발전의 선구자역할을 한 국가들보다는 미국이나 중국과 같은 풍력개발의 후발주자들이 더 큰 설치용량을 가지며 풍력에너지 시장을 이끌어나가고 있습니다.
현재에도 건설 예정중인 풍력단지가운데에서 해상풍력단지가 차지하는 비중이 95% 이상으로 높게 나타나고 있습니다. 하지만 높은 초기투자비용, 기술적인 문제, 대규모 풍력단지에서 나타나는 후류효과 등으로 인해서 여러가지 부작용들도 존재합니다. 때문에 이러한 부작용들을 해결할 수 있는 기술개발과 더불어 이를 지원하는 정부차원의 적극적인 투자와 지원을 통해서 풍력에너지 개발의 방향성과 발전가능성을 명확히 할 수 있을 것으로 고려됩니다.
데이터를 시각화 하기 위해서는 Python 프로그램을 사용하였고, Python의 패키지 가운데에서 Pandas를 기본으로 하여 작업을 수행하였습니다. 시각화를 위해서 여러가지 방안들을 고려하였고, 그 가운데에서 각각의 장단점을 파악하여 분석테마에 맞는 지도표기 방식을 선택하였습니다. 기본적으로 고려되어진 지도 표기방법은 각각의 데이터를 하나의 점으로 도출하여 지도에 표기하는 것입니다. 이 방법은 각각의 데이터의 정확한 포인트를 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 집중도를 통해서 해당 지역에 설치된 풍력단지의 빈도를 확인할 수 있다는 점이 우수합니다. 더불어 상이한 포인트의 농도를 이용하여 설치용량을 구분하였기 때문에, 풍력시설의 주된 설치용량을 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 설치용량의 규모에 따라서도 구분이 가능할 수 있습니다.
도출된 1980년대 이후의 풍력시설의 발전과정은 시간이 지남에 따라 소규모 풍력시설에서 대규모 풍력시설로 규모의 확장이 이루어졌다는 점과, 2000년대 이후 해상풍력시설의 건설이 시작되었다는 점을 명확히 확인할 수 있습니다. 특히 해상풍력시설은 내륙풍력시설에서 구현할 수 없었던 확연한 규모의 확장을 이룩할 수 있는 혁신적인 전환점이었습니다. 하지만 이러한 국가적으로 풍력에너지의 개발에는 정치적인 조건들이 중요한 역할을 하게 됩니다. 독일의 경우 신재생에너지법(EEG)이 입법되기 시작한 2000년대에 들어서 풍력에너지의 발전에 가속도가 붙기 시작했으며, 덴마크의 경우 1976년 첫번째 Energieplan을 입법한 이후 시민사회의 참여 등과 함께 1990년대에 많은 성장을 이루게 되었습니다. 이후 덴마크 전력시장의 자유화로 인해 풍력발전에 암흑기가 도래하는 등, 국가별 정치적인 조건들은 풍력개발을 위한 중요한 전환점으로 인식되어집니다. 이러한 점을 고려하여 1980년대 이후 풍력발전 시장을 이끌어온 두 국가인 독일과 덴마크의 정치적인 조건들은 자세히 분석되어졌습니다. 이를 통해 정치적인 조건들이 풍력에너지의 발전에 미치는 영향에 대해서 조사함과 더불어, 풍력 발전을 시작하는 국가 혹은, 더욱 높은 풍력 발전을 기대하는 국가들이 가져야 할 정치적인 조건들에 대한 본보기를 제시할 수 있을 것으로 고려되었습니다.
전망
Python을 활용하여 풍력에너지의 현황을 위한 지도를 생성하기 위해서는 Python내의 여러가지 패키지 가운데에서 사용할 패키지를 선택하여 이를 사용하기 위한 작업환경 구축이 우선시 되어야 합니다. 이를 위한 패키지 역시 하나만 있는 것이 아니라 여러가지 패키지가 존재합니다. 이 가운데에서 이번 프로젝트를 위해서는 Plotly라는 패키지가 사용이 되었습니다. Plotly는 Matplotlib에서 발전된 패키지로써 웹 시각화 라이브러리인 d3.js를 활용하여 보다 인터렉티브하게 그래픽 결과를 도출할 수 있습니다. Plotly는 코드 생성이 용이하고 명확하며 지도의 시각화를 위한 스타일 도구들이 사용자 편의적으로 생성되어 있다는 장점이 있기 때문에 사용이 되어졌습니다. 하지만 Plotly를 통해 도출된 지도에서 문제점과 제한사항이 발견이 되었습니다. 이는 국경선의 디테일이 명확하지 않다는 점과 모든 섬이 표기가 되어있지 않다는 점입니다. 더불어 줌인과 줌아웃으로 생성가능한 지도의 크기와 규모 변경이 가능하지만, 기본적으로 제공되어지는 범위가 "World"와 함께 각각의 대륙들을 기준으로 6개(아시아, 유럽, 아프리카, 남미, 북미 / 전세계)만이 가능하기 때문에 국가별로 명확한 지도의 크기를 추출하기 어렵다는 점입니다. 때문에 Python의 결과물을 Photoshop을 통해 2차작업이 필요하였습니다. 이러한 제한을 해결하기 위해 다양한 지형학적으로 알맞은 패키지의 선정과 사용의 필요성이 대두됩니다. 그 예로 Folium과 같은 패키지를 들 수 있습니다. 이번 프로젝트에서 기능적, 시간적인 제약으로 인해 Folium을 활용한 결과를 추가적으로 도출해내지 못하였기 때문에 아쉬움이 존재하며, 향후 이와 비슷한 프로젝트를 수행하게 될 경우 Plotly의 활용보다 Folium을 활용한 시각화가 추천됩니다. 이러한 시각화를 통해 프로젝트 결과값이 더욱 명확해지고 신뢰도가 높아질 수 있을 것으로 예상됩니다.
더불어 이번 프로젝트를 수행함에 있어서 작성된 파이썬 코드를 토대로 원하는 정보를 포함하는 지도를 생성하기 위한 하나의 어플(App)을 개발하는 것이 가능할 것으로 예상됩니다. 이는 국가별, 시기별로 상이한 조건을 입력함을 통해서 상이한 지도들을 자동으로 생성해주는 어플을 의미합니다. 이러한 어플의 개발은 파이썬 코드를 이해한다면 쉽게 코드 생성이 가능하지만, 이를 이해하지 못하는 사용자도 쉽게 해당 어플을 이용하여 결과치를 도출해내기 위한 목적을 가지고 있습니다. 이러한 개발을 토대로 정보의 분석이 간편해지며 시간적인 절약이 가능하기 때문에, 추후 다른 범위의 풍력발전의 연구에 도움이 될 것으로 예상됩니다. 아래 논문의 마지막에 첨부한 파이썬 코드는 간편한 입력값의 변경을 통한 지도의 생성이 가능하도록 도출되었기 때문에, 하나의 어플으로의 개발에 사용되어질 수 있을 것입니다.
전체 논문 (Analye des Windenergiebaus seit 1980 / 독일어)은 아래 파일에서 확인하실 수 있습니다.
또한, 한글 내용은 아래 포스팅에서 각 장별로 확인하실 수 있습니다. (추후 업데이트 예정)
1. Einfuhrung / 서론
https://herr-kwak.tistory.com/1099
1980년 이후 세계적인 풍력시설의 발전 분석 / 소개 및 도입 - (Analyse des globalen Windenergieausbaus seit 19
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2. Visuelle Darstellung von Daten / 데이터의 시각화
https://herr-kwak.tistory.com/1105
1980년 이후 세계적인 풍력시설의 발전 분석 / 데이터의 시각화 - (Analyse des globalen Windenergieausbaus se
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3.1. Windparkenergieausbaus in Deutschland seit 1980 als Onshore / 1980년대 이후 독일의 내륙풍력시설의 발전과정 및 현황
3.2. Windparkenergieausbaus in Deutschland seit 1980 als Offshore / 1980년대 이후 독일의 해상풍력시설의 발전과정 및 현황
4.1. Windparkenergieausbaus in Dänermark seit 1980 als Onshore / 1980년대 이후 덴마크의 내륙풍력시설의 발전과정 및 현황
4.2. Windparkenergieausbaus in Dänermark seit 1980 als Offshore / 1980년대 이후 덴마크의 해상풍력시설의 발전과정 및 현황
5. Weltweite Windparks / 전 세계 풍력시설의 발전과정 및 현황 비교분석
읽어주셔서 감사합니다.