기상자원지도에서 사용되는 단위(Unit)는?

• [풍력 기상자원지도]

  ㎧ : 속도의 단위, 단위시간 (s, second)당 공기가 이동한 거리 (m, meter)
  → 풍속의 단위로 활용

  [예] 10초 동안 100 m 이동시
  

  [태양광 기상자원지도]

  J : 일 (에너지)의 단위, 주울 (Joule), 1 N (Newton)의 힘으로 거리 (m) 이동하게 한 에너지
  → 일사량의 단위로 활용
  → 1 N : 1 kg (질량의 단위)인 물체에 1 ㎨ (가속도의 단위)의 가속도를 주는 힘

  에너지 (J)= 질량 (㎏) × 가속도 (㎨) × 거리 (m)
  1 J = 1 kg·㎡/s2
  1 MJ = 106 J

일사량 단위인 1MJ는 몇 ㎾/h 인가요?

• (사전정보) 1 W (Watt, 일률단위) = J/s

  (변환과정)

  

태양광 기상자원지도에서 전천·산란·직달 일사의 의미는 무엇인가요?

• • 전천일사 : 지표 수평면에 도달하는 태양 복사에너지
  • 직달일사 : 태양의 고도의 수직으로 도달하는 태양 복사에너지
  • 산란일사 : 지표 수평면에 태양의 고도에서 도달하는 태양 복사에너지를 제외하고 주변 공기 등에 의해서 산란되어 도달하는 태양 복사에너지

  

기상자원지도 개요

• 세계는 지금 지구온난화와 기후변화에 큰 관심을 가지고 있습니다.

  기후변화는 우리 일상생활에 영향을 줄 정도로 그 정도가 심각해지고 있습니다. 이에 세계 각국은 국제기후변화 협약과 같은 국제적인 환경규제를 통해 기후변화의 주요인으로 주목 받고 있는 이산화탄소와 같은 온실가스를 줄이기 위해 노력하고 있습니다. 우리나라의 온실가스 배출량은 OECD국가 중 6위이며, 배출량 증가율은 1위입니다. 온실가스를 배출하는 화석연료 사용을 줄이기 위해서는 화석연료를 대체할 대체에너지 개발이 필요합니다.

  대체에너지란 말은 석탄, 석유와 같은 화석연료를 대체한다는 의미에서 사용되었습니다. 그러나 최근에는 환경오염 문제가 심각해지면서 청정에너지, 신·재생에너지, 미래에너지와 같은 말로 사용되고 있습니다. 우리나라에서는 ‘신·재생에너지’라는 단어를 사용하고 있으며 여기에는 8개의 재생에너지(태양광발전, 태양열, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지)와 3개의 신에너지(연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지)가 속해있습니다. 이 중 풍력발전과 태양광발전은 신재생에너지의 핵심주자로 떠오르고 있습니다.

  풍력자원과 태양광자원을 이용하기 위해서는 바람에 의해 돌아가는 풍력발전기와 태양광을 흡수하여 발전하는 태양전지의 설치가 필요합니다. 그런데 이런 발전기를 자원이 부족한 곳에 세우게 되면 발전기가 돌아가지 못하므로 전기를 생산하지 못하게 됩니다. 그러므로 자원이 풍부한 곳에 발전기를 세우는 것은 매우 중요합니다.

  풍력 기상자원지도와 태양광 기상자원지도는 자원의 분포를 알 수 있게 도와주는 지도입니다. 기상자원지도는 정책 수립자 또는 발전단지 개발 사업자로 하여금 어느 곳에 어느 정도의 발전기를 설치할 것인가에 대한 근거자료를 제공함으로써 정책 수립의 당위성과 합리성을 제공해줍니다. 또한 발전사업자로 하여금 자원의 공간분포에 대한 정보를 제공해 줌으로써 많은 장소에 대하여 현장측정을 하지 않고도 유망 후보지를 선정 할 수 있도록 해줍니다. 이는 사업 위험성의 감소와 평가비용의 절감효과를 가져옵니다. 이뿐만 아니라 관련연구자들은 자원지도를 이용하여 다양한 관련 연구를 진행할 수 있으며, 자원지도를 통하여 기상자원에 대해 관심을 가질 수 있고 자원분포에 대한 과학적인 정보를 얻을 수 있습니다

기상자원 단기예측정보 자료현황

• 일반적으로 지형이 복잡한 경우 수치모델의 해상도 한계로 수치예측 과정에서 지형의 효과가 완전히 반영되지 못하여 기상변수의 예측 값이 과소 혹은 과대 모의되는 경우가 있습니다. 이를 개선하기 위하여 국립기상과학원 응용기상연구과에서는 규모상세화 체계(Korea Meteorological Administration Post Processing, KMAPP)를 개발하였습니다.

  이는 영국 기상청에서 개발한 규모상세화 패키지(United Kingdom Post Processing, UKPP)를 활용하여 기상청 현업 국지예보모델(LDAPS)을 기반으로 합니다. 본 체계는 저해상도 수치모델자료에 고해상도의 지형자료를 반영하고, 기상변수별 내삽법을 적용하는 규모상세화 과정과 목표 지점에 대한 지점특화 정보를 산출하는 지점특화 가이던스과정이 포함됩니다. 이를 바탕으로 생산된 초고해상도(100m 수평해상도) 기상자료는 우리나라처럼 산악지역이 많은 복잡지형에 대하여 상세하고 정확한 정보를 생산할 수 있는 장점이 있으며, 도시, 농업, 스포츠, 신재생에너지 등의 다양한 분야에서 활용할 수 있습니다.

  이에 본 체계에서는 풍력과 태양광의 기상자원에 대한 단기예측 자료와 함께 발전단지별 지점특화정보가 생산됩니다. 현재 국립기상과학원에서는 남한영역을 대상으로 풍력과 태양광에 대한 36시간의 단기예측 자료를 생산하여 시범 운영하고 있으며, 현재 장기간의 자료 축적을 진행 중에 있습니다.

기상자원지도 자료현황

• 풍력 기상자원지도

  지도설명

  

  풍력자원지도(Wind Resource Map)란 풍력자원에 대한 정보를 지리 공간상에 투영한 것입니다. 풍력자원에 대한 평가는 해당 지역에서의 풍력발전을 계획하는데 있어 매우 중요한 요소가 됩니다. 바람이 불면서 만드는 에너지는 풍속의 세배에 비례합니다. 즉, 풍속이 2배가 되면 에너지는 8배가 증가하게 되는 것입니다. 이렇듯 풍력발전은 풍력발전기가 서 있는 곳의 풍속이 매우 중요합니다.

  풍력자원지도가 좀 더 세밀해져서 지역의 풍력자원 변화를 세밀하게 볼 수 있다면 정말 좋겠죠? 독일·미국과 같은 풍력 선진국에서는 격자간격 1km의 풍력자원지도를 구축하고 풍력자원이 풍부한 곳을 평가하고 있답니다. 바람은 지형에 큰 영향을 받기 때문에 우리나라와 같이 지형이 복잡한 나라에서 풍력자원을 평가하기 위해서는 격자간격이 1km이하이어야 합니다. 이에 국립기상과학원에서는 1998년부터 2008년까지 11년간의 기후특성을 반영한 격자간격이 1km인 바람자원지도를 개발하였습니다.

  위 그림은 지상으로부터 80m 높이의 연평균풍속을 나타낸 지도입니다. 내륙지방은 초속 5m/s속도 이하의 바람이 부는 지역이 대부분이지만 태백산맥과 해안지역에서 부는 바람은 대부분 5m/s보다 강합니다.

  풍속이 강한 곳일수록 풍력발전을 하기에 좋을까요? 풍속이 강하기만 하다고 풍력발전을 하기에 좋은 것은 아닙니다. 너무 바람이 강할 경우 풍력발전기가 고장 날 수 있기 때문에 풍력발전기는 일정풍속이 되면 자동으로 멈추도록 설계되어 있습니다. 그리고 풍속이 높을수록 발전량이 많아질 것 같지만 일정풍속이상에서는 항상 같은 양을 생산하게 됩니다.

  

  왼쪽 그림을 보면 이 풍력발전기의 경우 4m/s에서 발전을 시작하여 13m/s에서 최대 발전량을 보이고 그 이후로 풍속이 증가해도 발전량이 증가하지 않는 것을 볼 수 있습니다. 풍력발전기마다 발전이 시작되는 풍속이나 최대전력이 생산되는 풍속이 다를 수는 있지만 일정이상의 풍속에서는 같은 전력을 생산합니다. 2MW이상의 대형풍력발전기의 경우 대부분 3m/s~4m/s에서 운전을 시작해서 25m/s가 되면 운전을 멈춥니다. 그리고 12m/s 안팎에서 최대 발전량을 냅니다.
  -> Enercon사 E40/600(600kW) 터빈의 50m에서의 출력곡선(출처: Cassola, F.et al.2008)

  개발과정

  풍력-기상자원지도는 국립기상과학원 응용기상연구과에서 수치모델을 이용하여 개발하였습니다.
  사용된 수치모델은 미국 대기과학연구소(NCAR, National Center for Atmospheric Research)에서 개발된 중규모나 미규모 기상현상을 모의하기 적합한 WRF(Weather Research and Forecasting) 모델입니다. WRF 모형을 우리나라에 최적화하기 위하여 지형과 지표이용도 자료는 우리나라의 상세 자료를 입력하였습니다.

  [모델 입력자료]
  · 기상자료 : 미국 국립환경예보센터(NCEP, National Centers for Environmental Prediction)의 재분석 자료(위·경도 1° 해상도)
  · 지형자료 : 미국지질조사소(USGS, United States Geological Survey)의 3초 자료(약 100m 해상도)
  · 지표이용도 자료 : 수자원공사 1초 자료 (약 30m 해상도)

  풍력자원지도 제작과정

  

  태양광 기상자원지도

  지도설명

  태양으로부터 출발한 태양에너지는 대기권에 도달하기 전까지 어떤 간섭도 받지 않고 우주공간을 통과합니다. 그러나 지구의 대기권에 진입하면서 태양에너지는 지구의 대기와 여러 가지 상호작용을 하게 됩니다. 대기권에 있는 구름, 수증기, 이산화탄소, 대기 오염물질과 같은 대기 중에 부유하는 작은 입자들(에어로솔)은 태양에너지를 흡수하거나 흩어지게 만들어 태양에너지를 감쇠시킵니다. 그러므로 지표에 도달하는 태양에너지를 알기 위해서는 구름, 강수량과 같은 기상정보가 필요합니다. 또한 태양에너지는 지형과 지면의 방향, 주변 건물과 같은 환경적인 요소들에 영향을 받습니다. 높은 산이나 건물의 주변은 이들에 가려져 태양에너지를 받지 못하기 때문입니다. 그러므로 지표면에 도달하는 태양에너지를 알기 위해서는 주변지형에 대한 정보가 필요합니다.

  

  다양한 기상정보와 지형정보를 이용하여 지표면에 도달하는 태양에너지의 강도를 시공간에 대하여 통계 분석하여 표출된 자료가 바로 태양자원지도(solar map)입니다. 태양자원지도는 태양광 및 태양열 발전을 위한 중요한 기반자료가 됩니다. 지표면에 도달하는 태양광의 양이 막대함(약 23,000 TW/year)에도 불구하고 태양광 활용률은 0.1%에도 미치지 못하고 있기 때문에 태양광발전을 극대화시키고 그 효율을 높이기 위해서는 태양자원지도가 반드시 필요합니다.

  태양자원지도가 세밀할수록 좁은 지역의 태양자원 변화를 쉽게 알 수 있으므로 좀 더 태양자원이 풍부한 곳에 장소에 발전소를 세울 수 있는 가능성이 커집니다. 많은 선진국에서는 이미 태양자원지도의 중요성을 느끼고 2000년대 초부터 태양광자원지도를 개발 및 제작하였고, 현재는 격자간격이 1km인 고해상도 자원지도를 개발하여 자국민들에게 제공하고 있습니다.

  우리나라와 같이 지형이 복잡한 곳에서 태양자원을 평가하기 위해서는 격자간격이 1km이하이어야 합니다. 이에 국립기상과학원에서는 2008년에 제작된 격자간격 4km인 태양자원지도를 보완·개선하여 2009년 격자간격이 1km인 고해상도 태양자원지도를 개발하였습니다. 또한 자세한 정보를 제공하기 위하여 태양광에너지를 전천일사량, 직달일사량, 산란일사량으로 나누어 제공하고 있습니다.

  개발과정

  태양자원지도는 GWNU(Gangneung-Wonju National University) 단층 태양복사 모델을 이용하여 개발하였습니다.
  GWNU(Gangneung-Wonju National University) 단층 태양복사 모델은 NREL(National Renewable Energy Laboratory)의 SPECTRAL2모델을 기반으로 개발되었으며, 다층상세모델을 이용하여 보정되었습니다. GWNU 단층 태양복사 모델은 지형에 의해 태양광이 가로막히는 현상을 고려하기 위하여 지형의 경사, 향 및 천공율을 포함하여 계산이 이루어졌습니다. 1km 해상도의 자료들(구름, 가강수량, 오존, 에어로솔)을 입력하여 계산됩니다. 태양광 에너지의 진행성분에 따라 직달일사량, 산란일사량, 전천일사량으로 나누어 계산됩니다.

  [모델 입력자료]
  · 고해상도 지형자료(고도에 따라 변함)
  · 지표면 알베도(지표면의 상태에 따라 변함)
  · 위성자료(오존, 에어로솔)
  · 지역예보모델(기온, 기압, 가강수량)
  · 22개 일사관측자료

  태양광 기상자원지도 제작과정

  

미래기상자원지도 자료현황

• 미래풍력자원지도

  지도설명

  미래 풍력기상자원지도는 미래의 풍력자원에 대한 정보를 지도화한 것입니다. 기존의 기상자원지도는 과거 풍력자원의 분포를 지도화 한 것이라면 미래 풍력기상자원지도는 미래에 풍력자원이 어떻게 변화할 것인지에 대한 정보를 담은 지도라고 할 수 있습니다.

  일반적인 풍력발전단지의 수명은 약 20~30년 정도로 알려져 있습니다. 현재 운영중인 풍력발전단지의 운영 및 새로운 단지개발을 위한 미래 기후의 경향성, 변동성, 그리고 향후 활용 가능한 자원 분포 등의 정보는 풍력발전단지를 운영해 나가는데 있어 필수적인 정보 입니다.

  따라서 미래 기상자원지도는 IPCC 5차 평가보고서에서 새롭게 도입된 RCP(대표농도경로) 시나리오를 적용하여 생산한 기후변화 시나리오를 활용하여 제작되었습니다. 기상청/국립기상과학원의 지역기후모델(HadGEM3-RA)에서 생산된 RCP2.6, RCP4.5, RCP8.5 시나리오 3종을 채택하였고, 2014년부터 2040년까지 약 27년의 가까운 미래에 대한 연?월평균 풍속의 분포를 지도화 하였습니다. 기상자원지도에서 표현한 영역과 동일하게 육지의 해안선으로부터 약 35km 영역까지 나타내었으며, 풍력발전기 터빈고도가 높아지는 추세를 반영하여 80m, 100m, 120m 고도의 풍속 분포를 나타내었습니다.

  ※ 자료 활용 시 유의점
  미래 풍력-기상자원지도는 RCP 기후변화 시나리오의 평균풍속자료를 활용하여 제작된 자료입니다. 미래풍력-기상자원지도는 미래를 예측한 시나리오 자료이기 때문에 값 자체의 정확도보다 기상자원의 변동성과 변화 추이를 중심으로 분석해 주시기 바랍니다.

  개발과정

  

  01. 지상풍 분석을 위한 지상풍 분석을 위한 netCDF 파일 읽기

  지상풍 분석은 기후변화 시나리오 자료를 읽어 들여 분석하면 되기 때문에 기후변화 시나리오의 자료를 GIS 상에서 파일을 읽어주면 ] 됩니다. 일반적으로 GIS의 포맷은 SHP(쉐이프)입니다. 기후변화 시나리오 자료는 nc file로 제공되기 때문에 이 자료를 GIS 상에서 분석을 하려면 포맷변환을 해주어야 합니다. 미래 풍력-기상자원지도 작성을 위해 사용된 자료인 RCP 시나리오의 경우 한반도 시나리오이며 164*184 격자로 이루어진 자료이며 총 격자의 포인트는 30,176개 입니다. GIS 프로그램의 make netcdf feature layer 툴을 활용하여 자료를 불러오고, SHP 파일로 저장해 줍니다.

  02. 상층풍 산출을 위한 풍속 변환

  지상풍과 달리 상층풍의 경우 ASCII 파일로 추출 후, 풍속 변환식을 이용해 계산을 해준 뒤, GIS에서 읽을 수 있는 자료 형식으로 정리해 줍니다. 기후변화 시나리오 자료의 고도는 10m인데 반하여 풍력발전기의 터빈의 고도는 50, 80m 혹은 그 이상에 위치합니다. 따라서 10m 고도의 풍속을 풍력발전기 터빈고도에 해당하는 높이로 풍속을 변환해 줍니다. 상층 풍속 산출을 위해 Deacon Equation 식을 이용하였습니다.

  
  - Deacon Equation 식 -

  V는 풍력발전기 높이의 풍속, V0 는 관측 높이의 풍속, h 는 풍력발전기 높이, h0는 관측 높이, α 는 지표면 거칠기 길이(Roughness Length)입니다. 지표면 거칠기 길이는 토지이용에 따라 결정되는 값으로 알려져 있습니다. 미래 풍력-기상자원지도에서는 MODIS 토지이용도 자료를 활용하여 지표면 거칠기 길이를 산출하였습니다. MODIS 토지이용도를 사용하게 된 이유는 LUH(Land-Use Harmonization)에서 제공하는 미래 토지이용도 분석결과 한반도 영역의 경우 미래의 토지이용 변화가 없었기 때문입니다. 따라서 토지이용에 따른 거칠기 길이의 변화가 없음으로 가정하고 현재의 토지이용도 자료에 해당하는 MODIS 자료를 이용하여 추출하였습니다. 거칠기 길이 추출절차는 >그림 2>와 같습니다. 1km의 해상도의 자료를 기후변화 시나리오의 공간해상도 격자로 추출하였습니다.

  03. 버퍼영역 설정 및 공간분포도 작성

  미래 풍력-기상자원지도는 남한영역을 대상으로 분석을 수행하였습니다. 기존의 기상자원지도처럼 육지와 육지에서 약 35km 까지의 영역을 대상으로 분석을 수행하였습니다. 버퍼영역 설정은 GIS 프로그램의 지오프로세싱(Geo-processing)의 버퍼(Buffer)툴을 활용하였고, 자료를 분포도 형태로 작성을 해주기 위해서 GIS 프로그램의 공간 분석 툴(Spatial Analyst Tools)의 IDW(Inverse Distance Weighted) 공간 내삽 방법을 활용하여 작성하였습니다.

  ※ 자료 활용 시 유의점
  미래 풍력-기상자원지도는 RCP 기후변화 시나리오의 평균풍속자료를 활용하여 제작된 자료입니다. 미래풍력-기상자원지도는 미래를 예측한 시나리오 자료이기 때문에 값 자체의 정확도보다 기상자원의 변동성과 변화 추이를 중심으로 분석해 주시기 바랍니다.

기상자원지도 활용사례

• 활용사례

  국립기상과학원은 자원지도 관련정보를 제공하기 위하여 2010년 1월 자원지도 홈페이지를 개설하였으며, 2011년 내용을 보완하여 새로운 자원지도 홈페이지를 공개하였습니다. 홈페이지에는 전문가 포럼 메뉴가 있어 전문가들이 연구를 서로 공유하고 의견을 나눌 수 있도록 하였습니다.

  기상자원지도는 자원의 분포를 알 수 있게 해줌으로써 풍력과 태양광 발전소의 입지분석에 사용될 수 있습니다. 아래의 연구는 국립기상과학원의 1km 해상도의 풍력자원지도를 이용하여 강원도 지역에서 풍력발전소가 입지하기에 적절한 지역을 찾고자 한 것입니다. 실제로 풍력발전소의 입지를 결정하고자 할 때에는 풍력자원뿐만 아니라 환경적인 부분과 경제적인 부분들도 고려가 되어야하므로 아래 연구에서는 풍력자원지도뿐만 아니라 다양한 데이터(골짜기 각도, 산림밀도, 국립공원, 송전선로 등)를 사용하였으며, 중요정도에 따라 가중치를 주어 분석하였습니다. GIS프로그램을 이용하여 자원이 풍부하면서 풍력발전기가 세워지기에 좋은 지역을 한 눈에 알아볼 수 있습니다.

  

기상자원지도 전망

• 

  우리나라는 지형이 매우 복잡하여 풍력발전기의 허브(날개중심)가 위치하는 80m고도의 바람에서도 지형의 영향이 매우 크게 작용합니다. 그림에서 보는 것처럼 바로 인접한 칸에서도 바람자원의 양은 매우 다르게 나타납니다. 이런 이유로 우리나라에서는 고해상도의 풍력자원지도가 필요한 것입니다. 우리나라 전체의 풍력자원 분포를 알아보기에는 1km×1km 해상도만으로 충분하지만, 선정된 입지에서 발전기의 배열까지 판단하기 위해서는 10m×10m 해상도의 정보가 필요합니다. 이에 국립기상과학원는 국가의 ‘녹색성장’ 활성화를 위하여 시범지역에 대해서 10m 해상도의 자원지도를 개발하였습니다. 앞으로 10m해상도의 지역을 확대해 갈 예정이며 지속적인 개선을 통해 풍력자원지도의 품질을 높여갈 것입니다.

  

  기상자원지도는 자원의 분포를 알 수 있게 해줌으로써 풍력과 태양광 발전소의 입지분석에 사용될 수 있습니다. 아래의 연구는 국립기상과학원의 1km 해상도의 풍력자원지도를 이용하여 강원도 지역에서 풍력발전소가 입지하기에 적절한 지역을 찾고자 한 것입니다. 실제로 풍력발전소의 입지를 결정하고자 할 때에는 풍력자원뿐만 아니라 환경적인 부분과 경제적인 부분들도 고려가 되어야하므로 아래 연구에서는 풍력자원지도뿐만 아니라 다양한 데이터(골짜기 각도, 산림밀도, 국립공원, 송전선로 등)를 사용하였으며, 중요정도에 따라 가중치를 주어 분석하였습니다. GIS프로그램을 이용하여 자원이 풍부하면서 풍력발전기가 세워지기에 좋은 지역을 한 눈에 알아볼 수 있습니다.