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 분석 내용이 풍력에너지를 전공하고 조사하시는 분들께 조금이나마 도움이 되기를 바랍니다.
1. 도입
국가별로 상이한 시작연도를 언급하고 있지만, 18세기 중반 시작된 산업혁명 이후, 전 세계는 급속한 발전을 이루었습니다. 그로 인해 사람들은 다양한 관점에서 과거보다 편리하고, 안락한 환경에서 지낼 수 있게 되었습니다. 하지만 밝은 빛은 그림자가 어둡다고 했습니다. 급속한 산업화는 우리에게 안락하고 편안한 환경을 제공해주었지만, 다양한 문제점과 악영향을 안겨주었습니다. 과거 빠른 산업화와 발전을 위해서는 많은 석탄에너지의 개발과 사용이 필수적이었고, 그로 인한 악영향이 심각하게 대두되었습니다. 특히 온실가스로 인한 지구온난화가 가장 심각한 문제로 인식되고 있습니다. IPCC(기후변화에 관한 정부 간 협의체)가 발표한 6차 평가보고서에 따르면, 1850년 산업혁명이후 현재까지 전 세계적인 기온은 1.1도가량 증가하였다고 알리고 있습니다. 해당 보고서에 따르면 1.5도 기온 상승을 마지노선으로 보고 꼭 지켜야 할 중요한 포인트로 인식하고 있습니다. 하지만 현재 상승하고 있는 온도의 현황을 미루어보면, 2030~2050년 사이에 온도가 1.5도 상승폭을 넘어설 것으로 예측하고 있습니다.
전 세계적인 기온의 증가뿐만 아니라, 가뭄발생과 집중호우 등 홍수로 인한 피해가 상승하고, 사이클론의 증가 등 많은 악영향이 예상되고 있습니다. 이에 대해 안토니우 구테흐스 유엔 사무총장은 공식 성명에서 “이번 IPCC 보고서가 인류에 울리는 적색경보 알람은 귀청이 떨어질 만큼 크다. 1.5도라는 목표를 지켜내기 위해 결단력 있게 행동해야 한다”라고 강조하기도 하였습니다. 지구온난화에 큰 영향을 끼치는 온실가스의 대표 격이라고 할 수 있는 이산화탄소(CO2)는 석탄을 연료로 사용하였을 경우 992g/kwh를 배출하는데, 이는 석유(782g/kwh), LNG(549g/kwh)보다도 높은 수치이며, 특히 친환경재료인 태양광(54g/kwh)과 비교하면 대략 20배에 가까운 이산화탄소 배출량을 기록하고 있습니다. 풍력에너지는 태양광보다도 더 낮은 이산화탄소 배출량을 기록하고 있는데, 해상풍력시설의 경우 9g/kwh를, 육상풍력시설의 경우 10g/kwh의 이산화탄소 배출량을 기록하고 있습니다. 때문에 풍력시설과 같은 지속가능하고 친환경적인 에너지의 발전은 미래지향적인 에너지 발전에 있어서 중요한 테마로 자리 잡게 됩니다. 이산화탄소 배출량으로도 살펴보았지만, 다양한 관점에서 고려해보았을 때, 지속가능하고 친환경적인 에너지 중 발전 가능성이 가장 큰 에너지원 중의 하나는 바로 풍력에너지일 것입니다. 풍력에너지는 수력, 바이오 및 태양열 에너지와 더불어 유럽의 탈탄소화에 크게 기여하고 있습니다. 특히 전기를 생산하는 가장 중요한 기술로써 발전하고 있습니다.
REN21(Renewable Energy Policy Network for the 21st Century)에서 작성한 Report 2019에 따르면 전 세계 전기의 4분의 1 이상이 이미 재생 에너지에서 생성되고 있습니다. 2019년에 새로 건설된 총 발전 용량(200GW 이상)의 3분의 2가 재생 가능이었습니다. 전 세계 전력 공급에서 재생 에너지가 차지하는 비중은 27.3%였습니다. 수력 발전은 여전히 이것에서 가장 큰 부분을 차지하고 있지만 다른 에너지원, 특히 풍력과 태양 에너지의 성장률은 인상적입니다. 2019년에는 총 출력 60GW의 풍력 발전소와 총 출력 115GW의 태양광 시스템이 새로 건설되었습니다.
1.1. 풍력시설의 역사
풍력발전의 역사를 짧게 살펴보면, 서기 1100년도 최초의 풍차인 "Bockwindmuhle"가 생성되었고, 이어 14세기말 독일에서 최초의 "Bockwindmuhle"가 건설되었습니다. 이후 1854년 Daniel Halladey에 의해 „Western-Windrad “라고 불리는 역사적인 풍차가 건설되었고, 1879년 풍력에너지 사용의 선구자로 불리는 미국인 Chales F. Bruch에 의해 전기를 생산하는 최초의 자동 풍력터빈(로터 직경 17m, 12kW 시스템)이 발명됩니다. 하지만 이 터빈은 풍력터빈의 속도가 낮아 풍력터빈의 효율이 낮다는 문제점에 직면하게 되는데, 이를 해결한 것이 „Paul la Cour “의 터빈이었습니다. 터빈에 의한 전기 생산에 몰두했던 그는 더 높은 풍력터빈의 속도가 풍력터빈의 효율을 증가시킨다는 것에 집중을 하여, 1891년 첫 풍력터빈을 건설하게 됩니다. 이후 1920년 독일의 물리학자 Albert Betz는 "Betz공식"이라 불리는 풍력터빈은 바람의 운동에너지의 최대 59%만을 활용할 수 있다는 공식을 공식화하게 되는데, 이 공식으로 인해 현대식 로터 블레이드의 개발에 가속도가 붙게 됩니다. 마지막으로 1958년, Ulrich Hutter이 개발한 W34라는 100KW 시스템의 풍력터빈이 개발됩니다. 이후 1980년대에 들어서 활발하게 전 세계적으로 풍력터빈이 생성되게 되는데, Enercon, Hodwed 그리고 Vestas 등의 회사들이 활발하게 건설을 하였으며, 독일, 덴마크, 이탈리아 등 유럽 국가뿐만 아니라 미국 등 세계 각지에서 많은 기술의 발전과 새로운 건설이 이어집니다. 하지만 이후 1960년대가 되면서 저렴한 석유에너지의 개발이 이루어지게 되면서 풍력에너지의 개발은 정체를 맞게 됩니다.
1.2. 프로젝트의 배경
하지만 온실가스로 인한 지구온난화 등의 문제점으로 인해 여러 문제점에 직면하게 되고, 유럽의 경우 2015년도에 파리 유엔기후회의를 통해 신에너지에 대한 합의를 이끌어내게 됩니다. 이 회의의 주요한 목적은 온실가스 배출량의 20% 감소와 에너지 효율 20% 상승을 들 수 있습니다. 이를 목표로 전략을 세운 유럽연합은 지난 2016년 말 온실가스 22.4% 감소라는 성과를 이루었고, 2014년에는 에너지 효율을 20% 올리는 것에, 다시 말해 에너지 소비를 20% 줄이는 것에 성공을 하며 성공적인 에너지 개발 및 활용을 이어가고 있습니다. 하지만, 여전히 많은 문제점을 가지고 있으며, 새로운 발전의 방향을 설정하여 개발을 이어가야 합니다. 긍정적인 부분은 여전히 다양한 측면에서 발전 가능성이 많으며 다른 에너지원과의 결합 등을 통해서도 새로운 발전을 모색할 수 있다는 것입니다.
이러한 미래의 발전 가능성과 방향성을 예측하기 위해서는 과거의 발전과정을 되돌아보고, 그 발전의 과정을 파악할 필요성이 커지게 됩니다. 이를 위해 데이터베이스 분석을 통해 발전과정 및 현황을 살펴보게 될 것입니다. 분석을 위해 사용된 데이터베이스는 연구소 IWES를 통하여 입수하게 되었으며, 그 자료를 기반으로 풍력단지의 수량 뿐만 아니라, 분포와 규모 등 종합적인 비교분석을 통해 이 프로젝트의 기초를 형성하게 될 것입니다.
1.3. 프로젝트의 목적
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.
다음 Kapital 1.3. 에서 구체적으로 설명이 이어지겠지만, 이러한 시각화를 통해서 데이터를 보다 명확히, 쉽게 파악할 수 있습니다. Excel로 이루어진 데이터는 총 27개의 카테고리로 구분이 되어 있습니다. 때문에 각 카테고리별로 따로따로 비교를 해야 하지만, 시각화를 통해서 원하는 카테고리별로, 또는 두 개 이상의 카테고리를 결합하여 지도 및 그래픽을 만들어 쉽게 비교를 할 수 있습니다. 이러한 분석과 시각화는 현재까지 구축되어 있는 데이터를 세밀하게 각각의 테마에 맞게 분석할 수 있을 뿐만 아니라, 이를 통해서 발전과정과 현황을 파악하는 것뿐만 아니라, 앞으로의 발전방향성 등에 대해서 고려를 해볼 수 있을 것입니다. 더불어 이러한 분석과 시각화를 통해 앞으로 풍력발전이 나아가야 할 방향성뿐만 아니라, 미래의 에너지원으로서의 발전가능성을 찾을 수 있을 것입니다.
앞서도 언급했던 바와 같이, 현재 전 세계적인 풍력단지의 발전은 대륙별, 국가별, 지역별로 상이한 발전과정을 보여주고 있습니다. 특히 1990년대에 유럽에서 많은 발전이 이루어진 반면, 2000년대 이후 미국과 중국 등에서 대형화된 풍력단지의 건설이 이어지며 많은 발전을 이루고 있습니다. 이러한 발전과정 및 추세는 결국 미래의 풍력에너지의 사용과 발전에 중요한 Grundlage가 됩니다.
이러한 이유로 이번 프로젝트는 1980년 이후 전 세계적인 풍력에너지 사용의 확장과 풍력에너지 발전시설의 발전을 분석하는 것을 목적으로 두고 있으며, 이번 학제간 프로젝트는 연구되게 되었습니다.
1.4. 프로젝트의 주요과제
Teil.2에서 설명될 풍력발전의 데이터는 전 세계 국가의 풍력발전 시설의 현황과 각각의 풍력발전 시설의 디테일에 대한 정보를 담고 있습니다. 때문에 이러한 디테일들을 파악하고 이 정보들 가운데에 어떠한 정보를 토대로 비교분석을 할 수 있을지 프로젝트의 방향성을 구축하고, 시각화와 최적화를 진행합니다. 이를 위해서 필요한 정보들의 선정 및 어떠한 기준으로 재정렬을 할 것이며, 어떠한 추가적인 계산 작업이 필요한지 등에 대해서 논의가 필요했습니다.
시각화를 함에 있어서 Python 프로그램을 활용하였는데, 이에 대한 자세한 정보는 2장에서 명확히 설명될 것입니다. 풍력발전 시설의 정보를 시각화 함께 있어서 아래와 같은 디테일들이 고려되었습니다. 이는 경도와 위도 등 지형적인 정보뿐만 아니라, 풍력시설의 터빈의 개수, 터빈의 용량, 이를 통한 출력밀도(Leistungsdichte)에 이르기까지 다양한 정보를 분석하게 될 것입니다.
다른 중점은 간단한 변형만으로도 자동적으로 지도가 형성될 수 있도록 파이썬 스크립트를 형성하고 최적화하는 것입니다. 프로젝트에서 중점으로 두고 있는 것은 단순히 풍력발전 시설의 현황과 정보를 시각화하는 것을 넘어서, 어떻게 보다 더 한눈에 쉽고 명확하게 비교 분석한 정보를 시각화하고, 읽는 독자들이 쉽게 파악할 수 있게 하느냐를 담고 있습니다. 때문에, 여러 가지 다양한 방법으로 시각화가 이루어졌으며, 그중에서 담고자 하는 정보별로 더욱 명확한 시각화를 위한 최적화 방법을 시도하였습니다.
파이썬 프로그램과 패키지인 Pandas에 대해서는 아래에 2장(2.3)에서 자세히 다루어질 것입니다. 이와 같은 Python의 특성을 토대로 해당 분석과정을 명확히 규정하여, 추후에 다른 연도, 혹은 다른 대륙, 국가 등 각각 다른 파라미터들을 기준으로 정보를 분석하고 시각화 및 최적화하고자 할 때에, 보다 쉽게 작업할 수 있도록 분석과정을 확립하는 것 까지를 프로젝트의 목표(과제)로 삼고 있습니다.
마지막 과제는 정치적인 전제조건을 조사하는 것입니다. 이를 위해 전 세계에서 가장 많은 풍력시설(풍력단지)을 가진 두 나라, 독일과 덴마크를 비교해보겠습니다. 두 나라는 가장 많은 개수의 풍력단지를 가졌을 뿐만 아니라, 풍력발전 시설의 건설을 위한 긴 역사를 가지고 있습니다. 유럽에서 첫 번째 풍력발전 시설이 덴마크에서 지어진 이후, 선구자의 역할로써 덴마크가 많은 풍력단지를 건설하면서 풍력개발의 신호탄을 쏘아 올렸고, 뒤이어 독일 역시 풍부한 풍력자원을 기반으로 많은 풍력단지를 건설하였습니다. 두 나라는 각각 2019년도까지 11.168개와 3,339개의 풍력단지를 가지고 있어 대표적인 유럽의 친환경적인, 풍력발전에 앞서있는 국가라고 할 수 있겠습니다. 때문에 우선, 이 두 나라의 풍력개발 시설 및 풍력단지의 현황과 발전과정을 간략하게 비교합니다. 더불어 독일과 덴마크 두 국가에서 풍력발전을 위한 어떤 노력이 이루어졌는지, 특히 정치적으로 어떤 시도들이 있었는지를 파악하고자 합니다. 두 국가 모두 유럽에 속해있는 국가들로써, 유럽연합의 기준과 파리 기후협약이라는 큰 틀 안에서는 동일한 정책적인 방향성을 가집니다. 하지만 시기적으로나, 구체적인 방향성, 달성 목표 등에 있어서 차이점을 가지고 있습니다. 때문에 이러한 정치적인 기준을 고려함으로써, 두 나라의 차이점을 파악하고 비교하는 것을 넘어서 양 국가, 나아가 유럽의 풍력발전 시장이 가지고 있는 잠재성과 방향성에 대해서 고찰할 수 있을 것으로 예상할 수 있습니다.
이 프로젝트는 위에서 설명한 바와 같은 큰 틀에서 3가지의 과제를 가지고 진행이 되었습니다. 하지만 궁극적인 목표는 앞서 1.3장에서 언급한 바와 같이 미래시장을 위해 과거를 분석하고 미래 시장의 수요 및 방향성, 발전 가능성을 파악하는 것에 있습니다. 그에 대한 기초가 될 수 있도록 보다 정확하고, 구체적이며, 명확한 시각화와 최적화하는 것에 중점적인 프로젝트의 목표가 설정이 되어 있습니다. 이를 위한 구체적인 작업의 흐름과 방법, 프로세스는 2장에서 설명이 될 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)
0. Kurzfassung, Zusammenfassung und Ausblick / 서론 및 결론
https://herr-kwak.tistory.com/1096
1980년 이후 세계적인 풍력시설의 발전 분석 / 서론 및 결론 - (Analyse des globalen Windenergieausbaus seit 19
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2. Visuelle Darstellung von Daten / 데이터의 시각화
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읽어주셔서 감사합니다.