신재생에너지 시장의 성장과 발전량 예측을 위한 정밀한 기상정보 및 3차원 자원지도 기술의 중요성 doc_id PCY_201908010325134581_2

최근 ‘新기후체제’라는 표현이 심심찮게 보이고 있다. 新기후체제는 고효율에너지 및 신재생에너지 시대의 시발점으로 국가 온실가스 감축목표 이행을 위해 당사국들의 참여를 본격화하는 체제를 의미한다. 2011년 유엔기후변화협약 당사국총회(COP17)를 통해 新기후체제 성립에 합의하고, 2015년 COP21을 통해 ‘파리기후협정(Paris Agreement)’을 도출하였는데, 이러한 국제적인 협약이 新기후체제 즉, 신재생에너지 시대의 본격적인 시작점으로 여겨지고 있다. 전 세계적인 동향이 이렇듯 국내ㆍ외 신재생에너지 시장 또한 활성화되고 있다. 해외의 경우 정부 차원에서 신재생에너지 산업을 확대 및 활성화하는 정책을 펼치고 있으며, 일찌감치 관련 정책을 도입하여 시행 중에 있다. 반면 우리나라의 경우에는 최근에 들어서야 신재생에너지가 이슈화 되면서 정책과 규제가 생겨나고 있다. 산업통상자원부(2017)는 2030년까지 태양광과 풍력 등 재생에너지 비중을 20%까지 끌어 올리겠다는 계획인‘재생에너지 3020 이행계획’ 을 발표하고 신규 설비용량의 95% 이상을 태양광, 풍력 등의 청정에너지로 공급하겠다고 밝혔다. 이에 따라 각 지자체 또한 신재생에너지 보급 확대를 위한 로드맵을 수립하여 신재생에너지 설비 보급 사업을 추진하고‘태양광 미니 발전소’보급을 추진하는 등 신재생에너지 확충에 노력을 기울이고 있다. 또한 기후변화 대응체계를 개편하고 분산전원 확대를 위한 전력중개시장, ESS(Energy Storage System), 연료전지 등의 육성 등 에너지신산업 창출에 힘쓰고 있다. 이렇듯 해외뿐만 아니라 국내 시장 또한 신재생에너지에 대한 관심이 꾸준히 증가하고 있고 열기 또한 뜨겁다. 기상자료가 신재생에너지 예측에 미치는 영향력은 본 원고에 작성된 것보다 훨씬 더 클 수 있다. 태양광과 풍력에너지가 각각 일사량, 바람에 의한 영향을 많이 받기 때문에 신재생에너지의 발전설비가 증가하고, 시장이 활성화됨에 따라 기상정보의 영향력은 더 증가할 것이다. REN21에서 발표한 보고서에 따르면, 2050년까지 전력의 100%를 신재생에너지로 채우겠다고 조사된 국가는 4개국으로 나타났으며, 전 세계 146개국이 전력에서 신재생에너지의 비중을 증가시키겠다는 목표를 설정하고 계획을 추진 중에 있음을 알 수 있다. 일부 국가에서는 이미 목표치를 초과하기도 하였다. 우리나라 또한 전 세계 신재생에너지 시장의 성장 규모와 추세에 따라 신재생에너지를 활용한 발전 규모를 늘려갈 것으로 보이며, ‘재생에너지 3020 이행계획’등이 그 근거가 된다. 신재생에너지의 시장 규모가 커지는 만큼, 신재생에너지 예측에 대한 준비를 갖출 필요가 있다. 신재생에너지 중에서도 단연 관심을 많이 끄는 에너지원은 태양광과 풍력이다. 2017년 기준 전 세계의 신재생에너지 설비용량은 2,195GW로 기록되었는데, 그 중 약 50%가 태양광과 풍력에너지의 설비용량으로 나타났다. 특히 2007 년부터 10년 간 태양광과 풍력에너지가 차지하는 비중에서도 가장 큰 증가가 있었다는 점을 주목할 필요가 있다(REN21, 2018). 한편, 산업통상자원부에서는 에너지 신사업의 하나인 ‘소규모 전력중개사업’을 본격 시행(2018.12.13. 전기사업법 및 하위법령 개정)함에 따라 2019년 2월부터 전력중개시장 개시 및 전력과 REC(Renewable Energy Certificate) 중개거래를 시작한다고 발표하였다. 전력거래 시장은 중개사업자의 발전량 예측정보가 시장에 제공됨에 따라 전력 및 REC 가격이 결정되므로 신재생에너지 특히, 태양광 및 풍력에너지 예측기술이 전력분야에서 차지하는 비중이 매우 크다. 그리고 기상의 영향을 많이 받는 에너지원의 특성 상 기상정보의 중요성 또한 날로 증가하고 있다. 본 원고에서는 발전량 예측에서의 기상정보 활용과 기상정보를 활용한 신재생에너 지 발전량 예측 기술, 그리고 예측 오차율에 대해 짚어보고자 한다. 먼저, 신재생에너지 맞춤형의 산업용 기상정보가 필요하다. 기상청에서 제공하는 예측정보는 기온, 습도, 풍속 등으로 대부분 일반인을 대상으로 제공되는 기상정보에 속한다. 하지만, 이보다 더 상세하고 다양화된 산업용 기상정보를 생산하면 신재생에너지 발전량 예측에 활용도가 클 것으로 사료된다. 또한 관측정보를 제공하고 있지만, 예보가 이루어지지 않는 기상변수에 대한 예측정보 제공노력이 필요하다. 예를 들면, NOAA가 제공하는 기상관측변수에는 기상 조건, 상대습도, 온도, 풍속, 강수량, 시정 등이 있는데 제공하는 기상예측변수는 기상 조건과 강수량, 시정을 포함하지 않는다. 마지막으로 기상예측자료의 시ㆍ공간적 범위 간격을 줄이고 예측자료 제공 시간의 확대 등 제공 범위와 주기에 대한 개선도 필요하다. 신재생에너지 예측에서 기상정보의 중요성과 활용도는 무궁무진하다. 어떠한 기상정보를 어떻게 사용하느냐에 따라 신재생에너지 예측정보의 정확도는 높아질 수도 혹은 낮아질 수도 있다. 신재생에너지 예측에 필요한 다양한 기상정보들을 통해 신재생에너지를 예측하고 정확도를 향상시킬 때, 기상정보의 필요성과 활용 가능성 또한 높아질 것이다. 기존 태양광에너지 자원지도는 기상청과 한국에너지연구소에서 2차원적인 분석 사례가 있었고 서울시에서는 지면과 건물의 옥상면의 일사량을 분석하는 2.5차원의 햇빛지도를 서비스하고 있다. 하지만 건축물이 고층화되고 건물 전체 표면적에서 옥상면보다 입면의 비율이 높아짐에 따라 옥상면뿐만 아니라 입면의 일사량까지 표현되는 3차원 태양광에너지 자원지도가 필요하다고 판단하여 국내 최초로 대한민국 전역을 시뮬레이션할 수 있는 실시간 3차원 태양광 자원지도를 개발하였다. 이 솔루션은 건물의 옥상면뿐만 아니라 입면에 조사되는 일년 누적 일사량까지 제공하기 때문에 BIPV(Building Integrated Photovoltaic, 건물일체형태양광 발전) 패널 설계시 기초 자료로 활용이 가능하다. 특히 직관적인 사용자 인터페이스를 제공하여 비전문가도 쉽게 3차원 태양광자원지도를 확인할 수 있게 되었다. 또 다른 친환경적 기후요소가 적용된 빅데이터 기반 일사, 바람길 시뮬레이터를 개발하기 위하여 TMY (Typical Meteorological Year) 기후데이터를 활용한 일사, 대기흐름 데이터를 추출하고 DB화 하였다. 공개된 데이터는 전국 16개 관측지점이 있으며, 임의지점의 기후데이터를 추출하기 위하여 정의된 16개 TMY 데이터를 이용하여 전국을 보간하였다. 다양한 고차보간법을 시도하였으나 최종적으로 기후 보간 분야에서 가장 많이 활용되고 있는 크리깅을 사용하여 전국을 1㎞ 간격으로 격자화한 후 전일사량, 풍향, 풍속 데이터를 DB화 하였다. 특히 전일사량 데이터는 전국에 대하여 직달과 산란일사를 분리하였고, 이 데이터로 전국 1㎞ 간격의 Sky patch를 생성하여 실시간 3차원 태양광자원 지도를 제작할 수 있었다. 그리고 바람길 시뮬레이터를 위한 풍향/풍속 데이터는 기상청 30년 풍향/풍속 데이터를 이용하여 TMY데이터 형식으로 자체 제작하여 DB화 하였다.