해상풍력 단지의 AEP/RPS를 고려한 경제성 분석방법 연구 : AEP(CF)/RPS(SMP+REC)가 반영된 경제성분석(IRR) 연구 = A Study on the Economic Feasibility Assessment Method for Offshore Wind Farms Considering AEP and RPS

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to quantitatively analyze the impact of key variables in the economic evaluation of offshore wind farms-such as Annual Energy Production (AEP), Capital Expenditure (Capex), and Operational Expenditure (Opex)-on the Internal Rate of Return (IRR), and to present an empirical formula based on the results.

To achieve this, wind measurement data collected over one year using a Lidar installed in the study area was utilized to predict the Annual Energy Production (AEP) using WindPRO software. An Excel-based tool developed by the Offshore Wind Energy Research Institute at Jeonbuk National University was then employed to perform the economic feasibility assessment. The results were visualized using a 3D sensitivity analysis in MATLAB to present the impact of each variable.

Specifically, for two types of wind turbines, we performed layout and design for each scenario in the actual sea area. We then calculated the AEP using the aforementioned Lidar for direct measurement and analysis. After setting key factors for offshore wind farm economic analysis such as Capex, Opex, and LCOE along with case examples, we analyzed the changes in IRR based on variations in AEP (annual energy production) (the sensitivity coefficient of IRR to changes in CF) and RPS (generation cost, SMP+REC) (the sensitivity coefficient of IRR to changes in RPS). The goal of this research is to derive an experimentalformula for the economic feasibility analysis of offshore wind energy complexes.

Consequently, this study presents an economic analysis standard applicable in practical offshore wind farm development. This enables rapid IRR prediction using the derived formula during project planning and preliminary feasibility studies for offshore wind farm development projects. This is expected to contribute to future feasibility assessments and policy design for offshore wind projects.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.1.1 해외 해상풍력 기술 동향 4
• 1.1.2 국내 해상풍력 기술 동향 6
• 1.2 연구 목적 8
• 1.3 연구 범위 및 대상 9
• 1.4 연구 방법 10
• 제2장 해상풍력단지 경제성 평가 분석이론 14
• 2.1 해상풍력단지의 경제성 평가 분석 개요 14
• 2.2 경제성 평가 주요 지표 및 평가법 15
• 2.2.1 LCOE (Levelized Cost of Energy, 에너지 균등화 발전비용) 15
• 2.2.2 IRR (내부수익률) 평가법 17
• 2.2.3 NPV (순현재가치) 평가법 19
• 2.2.4 비용편익분석법(Benefit Cost Ratio, B/C) 평가법 20
• 2.2.5 본 연구 E-IRR 지배방정식 21
• 2.3 IRR 분석·평가 구성요소(AEP, CAPEX, OPEX, RPS) 설명 22
• 2.3.1 연간발전량(AEP) 결정 기준 22
• 2.3.2 CAPEX 세부 항목 25
• 2.3.3 OPEX 세부 항목 25
• 2.3.4 RPS 제도 (Renewable Portfolio Standard) 26
• 제3장 해상풍력단지의 풍황분석 28
• 3.1 서론 28
• 3.2 AEP산출을 위한 풍황계측 29
• 3.2.1 풍속의 확률밀도함수 지배방정식 33
• 3.2.2 PDF·CDF를 이용한 AEP 산출 36
• 3.3 연간발전량(AEP, Annual Energy Production) 산출 37
• 3.3.1 AEP산정 절차 37
• 3.3.2 MCP(Measure Correlation Predict) 39
• 3.3.3 지형(Height contour)·표면거칠기(Surface Roughness) 반영 43
• 3.3.4 터빈 배치 44
• 3.4 K-해상풍력단지 경제성분석 모델링 실증 46
• 3.4.1 K-해상풍력단지 풍황분석 Data 및 터빈의 특징 46
• 3.4.2 K-해상풍력단지 설비용량별 터빈배치 및 시뮬레이션 47
• 3.4.2.1 K-해상풍력단지 설비용량별 AEP 시뮬레이션 결과(S-S01) 49
• 3.4.2.2 K-해상풍력단지 설비용량별 AEP 시뮬레이션 결과(S-S09) 53
• 3.4.2.3 K-해상풍력단지 설비용량별 AEP 시뮬레이션 결과(S-S18) 57
• 제4장 경제성 분석 61
• 4.1 본 연구의 CAPEX, OPEX 기준 61
• 4.1.1 CAPEX, OPEX 산출조건 61
• 4.1.2 CAPEX, OPEX 비용 61
• 4.1.3 CAPEX 산출내용 및 점유율 65
• 4.1.4 OPEX 산출내용 및 점유율 69
• 4.2 본 연구 적용 발전단가(한국 전력거래소 기준가 고려) 70
• 4.3 연구 모델링 방법 70
• 4.3.1 기존 IRR 계산 구조 71
• 4.3.2 해상풍력 에너지 E-IRR 계산 구조 71
• 4.3.3 가중치(Weight)에 따른 IRR 민감도(Sensitivity) 분석 72
• 4.3.4 AEP 변화에 따른 IRR 민감도 분석 72
• 4.4 K-해상풍력단지 경제성 분석 수행 74
• 4.4.1 경제성 평가 Program 입력 구조 74
• 4.4.2 경제성 평가 Program (Excel 기반) 구성 77
• 4.4.2.1 연구대상 시나리오-1 (S-S01) 78
• 4.4.2.2 연구대상 시나리오-2 (S-S09) 82
• 4.4.2.3 연구대상 시나리오-3 (S-S18) 86
• 4.5 K-해상풍력단지의 시나리오 수립 및 IRR 분석 90
• 4.5.1 연구대상 시나리오-1 (S-S01) 90
• 4.5.2 연구대상 시나리오-2 (S-S09) 97
• 4.5.3 연구대상 시나리오-3 (S-S18) 104
• 제5장 연구 결과 111
• 5.1 K-해상풍력단지의 시나리오별 민감도 분석 결과 111
• 5.1.1 S-S01 이용률(CF) 및 발전단가(RPS) 변화에 따른 E-IRR의 민감도 111
• 5.1.2 S-S09 이용률(CF) 및 발전단가(RPS) 변화에 따른 E-IRR의 민감도 114
• 5.1.3 S-S18 이용률(CF) 및 발전단가(RPS) 변화에 따른 E-IRR의 민감도 117
• 5.2 K-해상풍력단지에서 IRR과 E-IRR 비교분석 결과 120
• 5.2.1 연구대상 시나리오-1 (S-S01) 120
• 5.2.2 연구대상 시나리오-2 (S-S09) 121
• 5.2.3 연구대상 시나리오-3 (S-S18) 123
• 5.2.4 연구대상 3종 시나리오에 대해 IRR 및 E-IRR 기준으로 시각화 124
• 5.3 다른 터빈과 E-IRR 민감도에 대한 비교검증 127
• 5.3.1 설치 터빈 변경으로 IRR 민감도 비교검증 127
• 5.3.1.1 연구대상 시나리오-4 (S-E01) 128
• 5.4 경제성분석 모델링에 따른 가중치 산정 137
• 5.4.1 IRR의 민감도에 대한 선형 근사식 E-IRR 138
• 5.4.1.1 E-IRR 민감도(Sensitivity) 실험식 138
• 5.4.1.2 연구대상에 대한 평균 가중치 결정 138
• 5.4.2 가중치 평준화 실험식 산출 139
• 제6장 연구 결론 및 향후 연구 141
• 6.1 연구 결론 141
• 6.1.1 E-IRR 민감도 분석결과에 대한 결론 142
• 6.1.2 연구결과 전반에 대한 결론 143
• 6.2 향후 연구 방향 144
• APENDIXS 145
• 부록 A - 시나리오별 풍황분석 결과 145
• 부록 B - Excel 계산식 세부 내역 228
• 부록 C - 회귀분석 결과표 259
• 참고문헌 267