- 833 - 대한지리학회지 제49권 제6호 2014(833~848) 기후변화 시나리오를 활용한 한반도 미래 풍력에너지의 시공간적 변동성 전망 김유미*·임윤진**·이현경***·최병철**** Spatio-temporal variability of future wind energy over the Korean Peninsular using Climate Change Scenarios Yumi Kim* · Yoon-jin Lim** · Hyun-Kyoung Lee*** · Byoung-Choel Choi**** 요약 : 풍력발전단지의 신규 개발과 안정적인 운영 계획 수립을 위해 기후변화에 따른 미래 풍력에너지의 변동 성 정보를 파악하는 것이 필요하다. 본 연구는 IPCC 5차 보고서에서 새롭게 도입된 대표농도경로(Representa- tive Concentration Pathway)를 적용한 기후변화 시나리오 자료를 활용하여 2006년부터 2040년까지의 가까운 미래에 대한 풍력에너지(풍력에너지밀도와 잠재전력생산량)의 시·공간적 변동성을 분석하고자 한다. 사용된 기후변화 시나리오는 지역기후모델 HadGEM3-RA를 이용해 생산된 RCP2.6과 8 .5자료이다. 시나리오 생산의 기반이 된 지역기후모델을 과거기간에 대하여 ECMWF의 ERA-interim 재분석자료와 비교분석한 결과, 지역 기후모델은 풍력에너지를 육지에서는 과소, 바다에서는 과대 모의하였다. 그리고 변동성 역시 육지에서 과소, 바다에서는 과대 모의하였다. 미래 풍력에너지는 RCP 시나리오별로 다소 차이가 나타나지만 육지에서 증가, 바다에서는 감소할 것으로 예측되었으며 고도가 높은 산지 및 해안지역에서 미래 풍력에너지의 변동성이 증가 할 것으로 분석되었다. 지역별 풍력에너지밀도 분석결과 제주에서 크게 증가할 것으로 예상되었으며 변동성도 크게 증가하였다. 미래 풍력에너지의 변동은 주변 기상장의 변화와 연관 지어 해석이 가능하였으나 큰 변동성 으로 인한 불확실성이 증가할 것으로 판단할 수 있다. 본 연구를 통해서 분석된 결과는 미래 에너지 수급 및 활 용계획 수립에 있어 기초자료로 활용될 수 있으리라 판단한다. 주요어 : 기후변화 시나리오, 풍력에너지밀도, 잠재전력생산량, 변동성 Abstract : The assessment of the current and future climate change-induced potential wind energy is an important issue in the planning and operations of wind farm. Here, the authors analyze spatio- temporal characteristics and variabilities of wind energy over Korean Peninsula in the near future (2006-2040) using Representative Concentration Pathway(RCP) scenarios data. In this study, National Institute of Meteorological Research (NIMR) regional climate model HadGEM3-RA based RCP 2.6 and 8.5 scenarios are analyzed. The comparison between ERA-interim and HadGEM3-RA during the 이 연구는 국립기상연구소 주요사업 “응용기상기술개발연구(Ⅱ)”의 지원으로 수행되었습니다. * 기상청 국립기상연구소 응용기상연구과 연구원(Researcher, Applied Meteorology Research Division, National Institute of Me- teorological Research, KMA), akahana@korea.kr ** 기상청 국립기상연구소 응용기상연구과 연구관(Senior research scientist, Applied Meteorology Research Division, National Institute of Meteorological Research, KMA), yoonjin.lim@korea.kr *** 기상청 연구사(Research scientist, KMA), hyunk@kma.go .kr **** 기상청 국립기상연구소 응용기상연구과장(Director, Applied Meteorology Research Division, National Institute of Meteo- rological Research, KMA), cbc123@korea.kr
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?대한지리학회지 제49권 제6호 2014(833~848)
기후변화 시나리오를 활용한 한반도 미래 풍력에너지의 시공간적 변동성 전망
김유미*·임윤진**·이현경***·최병철****
Spatio-temporal variability of future wind energy over the Korean Peninsular using Climate Change Scenarios
요약 : 풍력발전단지의 신규 개발과 안정적인 운영 계획 수립을 위해 기후변화에 따른 미래 풍력에너지의 변동
성 정보를 파악하는 것이 필요하다. 본 연구는 IPCC 5차 보고서에서 새롭게 도입된 대표농도경로(Representa-
tive Concentration Pathway)를 적용한 기후변화 시나리오 자료를 활용하여 2006년부터 2040년까지의 가까운
미래에 대한 풍력에너지(풍력에너지밀도와 잠재전력생산량)의 시·공간적 변동성을 분석하고자 한다. 사용된
기후변화 시나리오는 지역기후모델 HadGEM3-RA를 이용해 생산된 RCP2.6과 8.5자료이다. 시나리오 생산의
기반이 된 지역기후모델을 과거기간에 대하여 ECMWF의 ERA-interim 재분석자료와 비교분석한 결과, 지역
기후모델은 풍력에너지를 육지에서는 과소, 바다에서는 과대 모의하였다. 그리고 변동성 역시 육지에서 과소,
바다에서는 과대 모의하였다. 미래 풍력에너지는 RCP 시나리오별로 다소 차이가 나타나지만 육지에서 증가,
바다에서는 감소할 것으로 예측되었으며 고도가 높은 산지 및 해안지역에서 미래 풍력에너지의 변동성이 증가
할 것으로 분석되었다. 지역별 풍력에너지밀도 분석결과 제주에서 크게 증가할 것으로 예상되었으며 변동성도
크게 증가하였다. 미래 풍력에너지의 변동은 주변 기상장의 변화와 연관 지어 해석이 가능하였으나 큰 변동성
으로 인한 불확실성이 증가할 것으로 판단할 수 있다. 본 연구를 통해서 분석된 결과는 미래 에너지 수급 및 활
용계획 수립에 있어 기초자료로 활용될 수 있으리라 판단한다.
주요어 : 기후변화 시나리오, 풍력에너지밀도, 잠재전력생산량, 변동성
Abstract : The assessment of the current and future climate change-induced potential wind energy is an important issue in the planning and operations of wind farm. Here, the authors analyze spatio-temporal characteristics and variabilities of wind energy over Korean Peninsula in the near future (2006-2040) using Representative Concentration Pathway(RCP) scenarios data. In this study, National Institute of Meteorological Research (NIMR) regional climate model HadGEM3-RA based RCP 2.6 and 8.5 scenarios are analyzed. The comparison between ERA-interim and HadGEM3-RA during the
이 연구는 국립기상연구소 주요사업 “응용기상기술개발연구(Ⅱ)”의 지원으로 수행되었습니다.
* 기상청 국립기상연구소 응용기상연구과 연구원(Researcher, Applied Meteorology Research Division, National Institute of Me-teorological Research, KMA), [email protected]
** 기상청 국립기상연구소 응용기상연구과 연구관(Senior research scientist, Applied Meteorology Research Division, National Institute of Meteorological Research, KMA), [email protected]
*** 기상청 연구사(Research scientist, KMA), [email protected] **** 기상청 국립기상연구소 응용기상연구과장(Director, Applied Meteorology Research Division, National Institute of Meteo-
Pryor et al. 2005, 2012a,b; Pryor and Schoof 2010;
Hueging et al. 2013). 한 예로, Bloom et al.(2008)은
PRECIS 지역기후모델을 활용하여 지중해 부근의 미
래 지상 10m 풍속과 잠재풍력에너지를 분석하여 에
게해 지역에서 풍력에너지밀도(WED, Wind Energy
Density)가 증가하고 그 외에 지역에 대해서는 감소
할 것이라고 전망하였다. Pryor et al.(2012)는 미국을
6개 영역으로 나누어 WED와 풍속에 대하여 모델별
로 모의 성능을 분석한 결과, 미 서부에서 강도가 약
한 풍속을 잘 모의하였고, 과거 대비 극한풍속의 차
이가 크게 나타나지 않음을 확인하였다. 최근에는
Hueging et al.(2013)이 지역기후 모델 앙상블 기법을
활용하여 유럽전역의 미래 잠재 풍력에너지의 변동
성에 대하여 분석하였다.
이에 비해, 국내에서는 미래 풍력에너지의 변동성
에 대한 이해가 부족한 실정이다. 이전 연구들은 주
로 현재의 풍력 잠재량을 진단하거나, 과거 변동성
분석에 집중되어 온 경향이 있었다(김현구 2008; 김
도우·변희룡, 2008; 김진영 등, 2010; 허철운 등,
2010; 변재영 등, 2010; 김현구·강용혁, 2012; 이승
호, 2012). 최근에는 변재영 등(2014)이 RCP 기후변
화 시나리오 자료에 근거한 미래 풍속과 지면도달일
사량 자료에 대한 공간 평균 자료를 분석하여 한반도
지역 전체에 대한 미래 풍력과 태양광 에너지의 감소
period of 1981-2005 indicates that the historical simulation of HadGEM3-RA slightly overestimates (underestimates) the wind energy over the land (ocean). It also shows that interannual and intraseasonal variability of hindcast data is generally larger than those of reanalysis data. The investigation of RCP scenarios based future wind energy presents that future wind energy density will increase over the land and decrease over the ocean. �e increase in the wind energy and its variability is particularly signi�cant over the mountains and coastal areas, such as Jeju island in future global warming. More detailed analysis presents that the changes in synoptic conditions over East Asia in future decades can inf luence on the predicted wind energy abovementioned. It is also suggested that the uncertainty of the predicted future wind energy may increase because of the increase of interannual and intra-annual variability. In conclusion, our results can be used as a background data for devising a plan to develop and operate wind farm over the Korean Peninsula.
Key Words : Climate Change Scenario, Wind Energy Density, Potential Electronic Production, Variability
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기후변화 시나리오를 활용한 한반도 미래 풍력에너지의 시공간적 변동성 전망
를 전망하고 있으나, 사용된 자료에 대한 검증 및 공
간적 변동성이나 경년 변동 경향, 그리고 그 원인에
대한 해석이 요구되고 있다.
실제로 기후학적인 역학구조의 변동성은 우리나라
지역의 지역적인 풍속 및 풍력발전량의 변화를 가져
올 수 있다. 이순환 등(2011)은 기후학적인 접근을 통
해 엘리뇨/라니냐의 강도변화와 연관된 풍속의 변동
성을 분석한 결과 라니냐의 강도가 커지면 지상풍속
이 감소하며, 기후변화에 대한 풍속은 중규모의 강제
력이 미약한 산악지역에서 가장 민감하게 나타난다
고 하였다. Kim et al.(2013)은 풍력에너지의 공간 분
포는 몬순 시스템에 영향을 받으며 한반도의 풍력에
너지는 지난 1981년부터 2010년까지 약하게 증가하
는 경향을 보이고 있다는 결과를 보인바 있다(0.0002
ms-1yr-1).
국립기상연구소는 미래 기후변화 평가를 위하여
새로운 온실가스 시나리오 RCP를 선정하여 국제 기
후변화 시나리오 개발사업(CMIP5)에 따라 전지구
기후변화 시나리오를 개발하여 IPCC 5차 기후변화
평가보고서 발간에 참여하였다. 또한 한반도 지역기
후변화와 영향평가 및 적응대책을 위해서 지역기후
상세화 실험을 통해 아시아 영역뿐만 아니라 한반도
영역에 대한 12.5km 해상도의 지역 기후 시나리오를
산출하고 우리나라 기후변화를 분석하고 미래 전망
을 평가하였다. 분석 결과 미래 한반도 주변의 몬순
시스템은 약간 북상하는 것으로 나타났으며, 기온 상
승 및 강수량 증가를 예상하고 있다(국립기상연구소,
2013).
본 연구에서는 풍력발전단지의 최적화된 설계 및
효율적인 운영계획 수립을 위한 기초자료 제공을 목
적으로 향후 20~30년 후의 미래 풍력에너지 변화의
시·공간적인 변동성을 분석하고자 한다. 이를 위해
국립기상연구소 RCP 기후변화 시나리오 자료를 이
용하여 미래 풍력에너지의 공간 분포 및 경년 변동성
을 조사하였으며 지역적으로 나타나는 변화를 기후
변화와 연관지어 파악하고자 하였다.
2. 분석 자료 및 방법
1) 분석 자료
본 연구에서 사용된 자료는 국립기상연구소 Had-
GEM3-RA 지역기후모델로 산출된 기후변화 시나리
오이다. IPCC 5차 평가 보고서는 대표온실가스 농도
시나리오(RCP 시나리오)를 선정하여 미래 기후변화
전망의 불확실성을 줄이고자 하였다. RCP 시나리오
는 인간 활동이 대기에 미치는 복사량으로 온실가스
농도가 정해진 시나리오이며, 현재 추세로 온실가스
가 배출되는 경우를 RCP8.5, 지구가 회복력을 가질
수 있는 최대 한계 값인 RCP2.6, 온실가스 저감 정책
이 어느 정도 실현되는 경우의 정도에 따라 RCP4.5,
6.0으로 선정하여 적분된 총 4개의 시나리오가 IPCC
보고서에 채택되었다. 현재 기상청은 2013년부터
모델자료의 안정성 확보를 위하여 200년과 400년 제
어적분1)된 자료를 생산하여 제공하고 있다.
본 연구에서는 40 0년 제어적분된 RCP2.6과
RCP8.5 시나리오 기반의 10m 고도 풍속을 활용하
여 기후변화에 따른 미래 풍력에너지의 불확실성 범
위를 알아보고자 한다. 그림 1에 제시된 영역에 대하
여 가까운 미래에 해당하는 2040년까지 기간에 대한
풍력에너지의 공간 변동성 분석을 수행하였다. 사용
된 시나리오에 대한 자세한 내용은 국립기상연구소
(2013)와 변재영 등(2014)를 참고하기 바란다.
미래 기후변화 시나리오 자료의 적용 가능성을
확인하기 위해 과거 기간(1981~2005년)에 대하여
ECMWF의 ERA-interim 재분석 자료와 비교검증을
수행하였으며, 한반도 지역에 대한 지역적인 풍력 에
너지 변화와 대규모 순환과의 연관성을 알아보기 위
하여 전지구 기후변화 시나리오를 추가적으로 분석
하였다. 사용된 자료에 대한 구체적인 내용은 표 1에
제시하였다.
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김유미·임윤진·이현경·최병철
2) 분석 방법
본 연구에서는 기후변화 시나리오 자료를 활용하
여 미래 풍력에너지밀도(WED, Wind Energy Densi-
ty)와 잠재전력생산량(PEP, Potential Electric Produc-
tion)을 분석하였다. 본 연구에서 분석하고자 하는 풍
력에너지밀도와 잠재전력생산량은 풍력발전단지를
운영해 나가는데 기준이 되는 요소이다. 풍력에너지
밀도는 풍력발전기의 날개가 회전하는 면적에 통과
하는 에너지를 지칭한다. 즉, 풍력에너지밀도는 풍력
발전단지에 적합한 곳임을 알려주는 지표인 셈이다.
본 연구에서는 지상 10m 고도의 풍속을 활용하여 풍
력에너지밀도를 산출하였다. 풍력에너지밀도(WED)
는 다음 식을 이용하여 계산하였다.
WED=12ρV 3 [Wm-2]
ρ는 공기밀도, V 평균풍속이다. 본 연구에서는 공
기밀도의 값을 표준대기밀도 1.225kg m-3으로 가정
하였다.
실제 설치되어있는 풍력발전기 터빈의 고도는
80m 혹은 그 이상에 위치한다. 따라서 10m 고도의
풍속을 풍력발전기 터빈고도에 해당하는 80m로 풍
속으로의 변환이 필요하다. 풍속변환은 다음의 풍속
외삽식을 활용하였다.
V(h)V0(h0)
=⎛⎝
hh0
⎞⎠
α
그림 1. 분석대상영역과 지역기후모델에 사용된 지형 자료(단위: m)
표 1. 분석에 사용된 자료
Model Scenario PeriodSpatial
resolutionTime
resolutionVariable
GCM(HadGEM2-AO)
historical1981-2005(25yr)
1981-2004(24yr, seasonal)1.34°
mon
PSL(Sea level pressure)RCP2.6
2006-2040(35yr)RCP8.5
RCM(HadGEM3-RA)
historical1981-2005(25yr)
1981-2004(24yr, seasonal)0.11 ° sfcWind
(Surface wind speed)
RCP2.62006-2040(35yr)
RCP8.5
ERA-interim1981-2005(25yr)
1981-2004(24yr, seasonal)0.125 °
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기후변화 시나리오를 활용한 한반도 미래 풍력에너지의 시공간적 변동성 전망
V는 풍력발전기 높이의 풍속, V0는 지상 풍속, h는
풍력발전기 높이, h0는 지상 풍속 높이, α는 지표면
거칠기 길이이다. 지표면 거칠기는 토지이용에 따라
결정되는 값으로 본 연구에서는 MODIS 토지이용도
자료를 활용하여 지표면 거칠기 길이를 산출하였다.
Hueing et al.(2013)의 경우 거칠기 길이를 육상, 해상
두 가지로 일괄 적용했으나, 지형의 복잡성을 고려하
여 거칠기 길이를 반영한 자료를 사용했다. 풍력발전
기의 잠재전력생산량(PEP)은 다음 식을 활용하였다.
PEP=12ρπR 2V 3 [W]
R은 풍력발전기 날개의 회전반경이며 본 연구에서
는 국내 풍력발전단지 중 약 48%로 가장 많은 설치
비율을 차지하고 있는 Vestas 社의 풍력발전기를 샘
플로 선정하였고, 이 풍력발전기 날개의 회전반경은
36m이다.
기후모델의 결과물을 활용할 때 자료의 신뢰도를
높이기 위하여 기후모델이 현재기후를 얼마나 잘 모
의하는지 관측 자료와 비교하여 확인하는 과정이 필
요하다(Carter et al. 1999; 이경미 등, 2012). 본 연구
에서는 지역기후모델(HadGEM3-RA)의 과거 모의
자료에 대하여 ECMWF의 ERA-interim 재분석자료
를 활용하여 연평균 풍력에너지밀도(WED)와 잠재
전력생산량(PEP)에 대한 지역기후모델의 모의성능
과 불확실성 범위를 알아보기 위하여 상호비교를 수
행하였다. 또한 WED와 PEP의 연평균과 경년변동성
을 분석하였다. 경년변동 분석은 표준편차를 평균값
으로 나누어서 계산하였으며(σ/mean) 자료간의 비교
가 통계적으로 유의미한지의 여부를 확인하기 위하
여 T-test와 F-test를 수행하였다.
3. 결과 및 고찰
1) 과거 기후모의 평가
HadGEM3-RA 모델의 기후변화 시나리오의 미래
풍력에너지 변동성 분석에 앞서, HadGEM3-RA를
통해 적분된 기후자료에 대한 특성 분석이 필요하다.
본 연구에서는 400년 제어적분된 HadGEM3-RA의
RCP 2.6과 8.5 기후변화 시나리오의 과거기후 예측
자료와 같은 기간의 ECMWF ERA-interim 자료와
비교 분석을 통해 사용될 자료의 특성을 알아보고자
하였다. 검증을 위해 사용된 기간은 1981년부터 2005
년까지 25년이다.
그림 2는 HadGEM3-RA의 1981년부터 2005년까
지 25년간 풍력에너지밀도(WED)와 잠재전력생산량
(PEP)의 연평균 공간분포도이다. WED는 지상 10m
고도의 풍속을 변환한 값이며 PEP는 지상 10m 고도
의 풍속을 토지피복에 따른 지표 거칠기 길이가 반
영된 80m 고도의 상층바람을 이용하여 계산된 값
이다. 따라서 WED와 PEP의 값이 바다에서는 유사
한 값을 보이지만, 육지에서는 차이를 나타내었다.
HadGEM3-RA의 과거기후 모의결과, WED는 육지
에서 약 5~35Wm-2, 바다에서 약 40~320Wm-2의
분포를 보인다. PEP는 육지에서 50~300kW, 바다에
서 300~1,000kW의 범위로 분포하고 있다(그림 2).
또한, 태안반도 일부, 제주도, 동해 남부 해안, 전남
서해안 부근에서 WED, PEP가 타 지역에 비해 비교
적 높게 나타났으며, 특히 제주에서 400~1,000kW
의 높은 PEP 분포를 보이고 있다.
ERA-interim 재분석 자료와의 비교 분석 결과, 대
체로 육지에서 ERA-interim의 WED가 6.58Wm-2 내
외로 크게 나타났으며 반대로 바다에서는 Hindcast
자료가 약 42.64Wm-2 정도 큰 값을 보였다(표 2). 강
원 남부 해안, 남해안 일부, 제주도에서 ERA-interim
재분석자료가 Hindcast 보다 다소 크게 모의하고 있
었지만, WED와 PEP 둘 다 대체로 육지에서 과소모
의, 바다에서는 과대모의 하는 경향을 나타내었다.
이 결과는 해상과 육지의 일부를 제외하고 대부분의
지역에서 95% 수준에서 유의한 것으로 확인되었다.
HadGEM3-RA(Hindcast)기반 WED, PEP의 경년
변동 분석 결과 고도가 높은 산지의 풍상, 풍하측 및
해안가 근처에서 변동성이 큰 것을 확인하였다(그림
3). 풍속의 세제곱에 비례하는 WED와 PEP는 큰 경
년 풍속의 경년변동에 비해 큰 결과를 나타내었지만
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김유미·임윤진·이현경·최병철
대체로 풍속의 경년변동 분포와 유사한 패턴을 보이
며 강원 동해안, 남해안, 제주, 태안반도 등지에서 높
은 값을 보였으며, 가장 큰 값을 보이고 있는 지역은
대체적으로 고도가 높은 백두산 부근이었다. PEP의
경년변동 분포 또한 WED와 유사한 분포 패턴을 보
이고 있지만 남한 내륙 일부에서는 변동성이 적음을
나타내고 있었다. ERA-interim 자료와의 비교 분석
결과, Hindcast 자료가 ERA-interim에 비하여 큰 경
그림 2. HadGEM3-RA의 연평균 WED(단위: W m-2), PEP(단위: kW)의 연평균 분포(좌), ERA-interim과 HadGEM3-RA의