풍력

Wind power
중국 신장의 풍력발전단지
전원별 전기생산량

풍력은 유용한 일을 발생시키기 위해 풍력 에너지를 사용하는 것입니다.역사적으로, 풍력은 , 풍차, 그리고 풍력발전기에 의해 사용되었지만, 오늘날 그것은 대부분 전기를 생산하는데 사용됩니다.이 글은 전기 발전을 위한 풍력 발전에 대해서만 다루고 있습니다.오늘날 풍력발전은 풍력터빈으로 거의 완벽하게 발전하며, 일반적으로 풍력발전단지로 분류되어 전력망에 연결됩니다.

2022년에 풍력은 세계 전력의 7%, 세계 에너지의 약 2%에 해당하는[1]: 58 2000TWh 이상의 전력을 공급했습니다.[2][3]2021년 중국미국중심으로 약 100GW가 추가되면서 전 세계 설치 풍력 용량은 800GW를 넘어섰습니다.[4][3][5]분석가들은 기후변화를 제한하기 위한 파리협정의 목표를 달성하기 위해서는 연간 전력생산량의 1% 이상을 훨씬 더 빠르게 확대해야 한다고 말하고 있습니다.[6]

풍력은 지속 가능하고 재생 가능한 에너지원으로 여겨지고 화석 연료를 태우는 것에 비해 환경에 미치는 영향이 훨씬 적습니다.풍력은 가변적이기 때문에 안정적인 전력 공급을 위해 에너지 저장소 또는 기타 파견 가능한 발전 에너지원이 필요합니다.육상 풍력 발전소는 생산되는 에너지당 대부분의 다른 발전소보다 경관에 더 큰 시각적 영향을 미칩니다.[7][8]해상에 위치한 풍력 발전소는 일반적으로 가격이 비싸지만 시각적 영향이 적고 용량 요소가 더 높습니다.[4]해상풍력은 현재 신규 설치의 약 10%를 차지하고 있습니다.[9]

풍력은 생산된 에너지 단위당 가장 저렴한 전력 공급원 중 하나입니다.많은 지역에서 새로운 육상 풍력 발전소는 새로운 석탄이나 가스 발전소보다 저렴합니다.[10]

북위와 남위가 높은 지역은 풍력 발전 가능성이 가장 높습니다.[11]대부분 지역에서 야간에는 풍력발전량이, 태양광 발전량이 적은 겨울철에는 풍력발전량이 더 많습니다.이런 이유로 많은 나라에서 풍력과 태양열의 조합이 적합합니다.[12]

풍력에너지 자원

육지와 해안 주변의 풍속 100m 글로벌 [13]지도
콜로라도(Colorado)의 리 랜치(Lee Ranch) 시설에서 2002년 전체에 대한 풍속(빨간색)과 에너지(파란색) 분포.히스토그램에는 측정된 데이터가 표시되고 곡선은 동일한 평균 풍속에 대한 Rayleigh 모형 분포입니다.
풍력발전 밀도 잠재력[14] 글로벌 지도

바람은 지구 대기 중의 공기 운동입니다.예를 들어, 1초 동안, 을 통과한 공기의 부피는 입니다 공기 밀도가 , 이 공기 부피의 은 M = v{\=이고 전력 전송 또는 초당 에너지 전송은 = v = 3 P= {\1}}= {\frac {2입니다.. 따라서 풍력은 풍속의 세 번째 동력비례합니다. 풍속이 두 배로 증가하면 가용 동력은 8배로 증가합니다.풍속을 2.1544배로 변경하면 풍속이 1배(10배) 증가합니다.

1979년부터 2010년까지 전 세계 바람 운동 에너지는 평균 약 1.50 MJ/m2, 북반구는 1.31 MJ/m2, 남반구는 1.70 MJ/m이었습니다2.대기는 열 엔진의 역할을 하여 높은 온도에서 열을 흡수하고 낮은 온도에서 열을 방출합니다.이 공정은 2.46 W/m의2 속도로 바람의 운동 에너지를 생성하여 마찰에 대항하는 대기의 순환을 유지합니다.[15]

풍력 자원 평가를 통해 전 세계적으로, 국가별 또는 지역별로, 또는 특정 현장에 대한 풍력 발전 잠재력을 추정할 수 있습니다.덴마크 기술 대학교세계 은행과 협력하여 제공하는 글로벌 풍력 아틀라스는 풍력 발전 잠재력에 대한 세계적인 평가를 제공합니다.[13][16][17]Renewables.ninja와 같은 도구는 여러 해에 걸쳐 풍속 및 동력 밀도를 평균적으로 추정하는 '정지형' 풍력 자원과는 달리, 시간당 해상도로 다양한 풍력 터빈 모델의 풍속 및 동력 출력에 대한 시변 시뮬레이션을 제공합니다.[18]풍력 자원 잠재력에 대한 보다 상세한 현장별 평가는 전문 상용 공급업체로부터 얻을 수 있으며, 대규모 풍력 개발업체의 상당수는 사내 모델링 기능을 갖추고 있습니다.

바람으로부터 이용할 수 있는 경제적으로 추출 가능한 전력의 총량은 모든 공급원에서 현재의 인간의 전력 사용보다 상당히 많습니다.[19]바람의 세기는 다양하며, 주어진 위치에 대한 평균값만이 풍력 터빈이 그곳에서 생산할 수 있는 에너지의 양을 나타내는 것은 아닙니다.

예상 풍력 발전 현장을 평가하기 위해 관측된 풍속 데이터에 확률 분포 함수가 적합한 경우가 많습니다.[20]위치에 따라 풍속 분포가 달라집니다.Weibull 모델은 많은 위치에서 시간당/10분 풍속의 실제 분포를 밀접하게 반영합니다.Weibull 요인은 종종 2에 가깝기 때문에 Rayleigh 분포를 덜 정확하지만 간단한 모형으로 사용할 수 있습니다.[21]

풍력단지

대규모 육상풍력발전소
풍력단지 용량.
(MW)
나라 Refs
간쑤 풍력 발전소 7,965 중국 [22]
머판달풍력발전소 1,500 인디아 [23]
알타(오크 크릭-모하비) 1,320 미국 [24]
자이살메르 윈드 파크 1,064 인디아 [25]

풍력 발전소는 같은 위치에 있는 풍력 터빈의 집단입니다.대규모 풍력 발전소는 넓은 지역에 분포된 수백 개의 개별 풍력 터빈으로 구성될 수 있습니다.터빈 사이의 땅은 농업용 또는 기타 용도로 사용될 수 있습니다.풍력 발전소도 해안에 위치할 수 있습니다.거의 모든 대형 풍력 터빈은 동일한 디자인을 가지고 있습니다. 3개의 블레이드가 있는 상향식 로터를 가진 수평축 풍력 터빈이며, 높은 튜브형 타워 위의 나셀에 부착되어 있습니다.

풍력 발전소에서 개별 터빈은 중전압(종종 34.5 kV) 전력 수집 시스템[26] 및 통신 네트워크와 상호 연결됩니다.일반적으로, 완전히 개발된 풍력 발전소에서는 각각의 터빈 사이에 7D(풍력 터빈의 로터 직경의 7배)의 거리가 설정됩니다.[27]변전소에서, 이 중전압 전류는 고압 전력 전송 시스템에 접속하기 위한 변압기로 전압을 증가시킵니다.[28]

발전기 특성 및 안정성

대부분의 현대 터빈은 터빈 발전기와 수집기 시스템 사이의 부분 또는 완전 규모 전력 변환기와 결합된 가변 속도 발전기를 사용하는데, 이들 발전기는 일반적으로 그리드 상호 연결에 더 바람직한 특성을 가지며 낮은 전압 주행 관통 능력을 갖습니다.[29]현대의 터빈은 부분 스케일 컨버터 또는 다람쥐 케이지 유도 발전기가 있는 이중 급전 전기 기계 또는 풀 스케일 컨버터가 있는 동기 발전기(영구 및 전기적으로 여기된)를 사용합니다.[30]블랙 스타트가 가능하며[31] 대부분의 전기를 바람으로 생산하는 장소(아이오와 같은 곳)를 위해 추가로 개발되고 있습니다.[32]

송전 시스템 운영자는 풍력 발전소 개발자에게 송전 그리드에 대한 상호 연결 요구 사항을 명시하기 위한 그리드 코드를 제공합니다.여기에는 역률, 주파수의 일정성, 시스템 고장 시 풍력 발전 터빈의 동적 거동이 포함됩니다.[33][34]

해상풍력

포르투갈 Póvoa de Varzim에서 약 5km 떨어진 해상에서 정격 용량(2MW)으로 운영되는 세계 두 번째 규모의 부유식 풍력 터빈(및 최초로 무거운 리프트 선박을 사용하지 않고 설치됨) WindFloat
부유식 풍력 발전소를 포함한 해상 풍력 발전소는 전체 풍력 발전의 작지만 증가하는 부분을 제공합니다.이러한 발전 용량은 기후 변화대응하기 위해 2050년까지 IEA의 Net Zero를 달성하는 데 도움이 되도록 크게 증가해야 합니다.[35]

해상풍력은 보통 바다와 같은 큰 수역에 있는 풍력 발전소입니다.이러한 설치는 이러한 위치에서 사용할 수 있는 더 빈번하고 강력한 바람을 사용할 수 있으며, 지상 프로젝트보다 경관에 대한 시각적 영향이 적습니다.하지만 건설비와 유지비는 상당히 높습니다.[36][37]

영국 혼시 풍력단지는 2021년 11월 기준 1,218MW로 세계 최대 규모의 해상풍력단지입니다.[38]

수집 및 전송망

가까운 해상 풍력 발전소는 AC로 연결되고 먼 해상은 HVDC로 연결될 수 있습니다.[39]

풍력 발전 자원이 항상 높은 인구 밀도 근처에 위치하는 것은 아닙니다.전송 선로가 길어지면, 전력 전송과 관련된 손실이 증가합니다. 더 낮은 길이에서의 손실 모드가 악화되고, 길이가 길어지면 새로운 손실 모드가 더 이상 무시할 수 없게 되어, 큰 부하를 장거리로 운송하는 것이 더 어려워집니다.[40]

송전 용량이 발전 용량을 충족하지 못할 경우 풍력 발전소는 최대 잠재량 이하로 생산하거나 아예 가동을 중단해야 합니다.이로 인해 잠재적인 재생 가능 발전이 미개발 상태에 놓이게 되는 반면, 발생 가능한 그리드 과부하 또는 신뢰성 있는 서비스에 대한 위험을 방지합니다.[41]

일부 국가에서 풍력 전력망 통합에 대한 현재 가장 큰 과제 중 하나는 바람의 가용성으로 인해 주로 인구 밀도가 높은 해안가의 바람 농장에서 고부하 지역으로 전력을 운반하기 위한 새로운 송전선 개발의 필요성입니다.[42]원격지에 있는 기존의 전송선로는 대량의 에너지 수송을 위해 설계되지 않았을 수도 있습니다.[43]특정 지리적 지역에서, 최대 풍속은 해상이든 육상이든 전력 수요의 피크와 일치하지 않을 수 있습니다.미래의 가능한 옵션은 광범위하게 분산된 지리적 영역과 HVDC 슈퍼 그리드를 상호 연결하는 것일 수 있습니다.[44]

풍력발전용량 및 생산

성장추세

재생 가능한 에너지원, 특히 태양광과 풍력은 전력 용량의 증가하는 부분을 제공하고 있습니다.[45]
지역별[46] 풍력발전량
국가별 풍력발전
전 세계 풍력 누적 용량 로그 그래프 (자료:GWEC)[47]

2020년에 풍력은 전 세계 전기 발전량의 5% 이상과 에너지 소비의 약 2%에 해당하는 약 1600TWh의 전기를 공급했습니다.[2][3]2020년 중국중심으로 100GW 이상이 추가되면서 전 세계 설치 풍력 용량은 730GW 이상에 달했습니다.[4][3]그러나 분석가들은 기후변화를 제한하려는 파리협정의 목표를 달성하기 위해서는 연간 전력생산량의 1% 이상을 훨씬 더 빠르게 확대해야 한다고 말하고 있습니다.[6]화석연료 보조금으로 풍력발전 확대에 걸림돌이 되고 있습니다.[48][49][50]

바람이 실제 생산할 수 있는 전력량은 명판 용량용량 인자를 곱하여 계산되며, 이는 장비와 위치에 따라 다릅니다.풍력 설비의 용량 인자 추정치는 35%에서 44%[51] 사이입니다.

기가와트 규모의 풍력 용량을 보유한 국가의 수
10
20
30
40
2005
2010
2015
2019
풍력 기가와트 시장의 증가
1GW 이상 국가
  • 2018 Pakistan Egypt
    2017 Norway
    2016 Chile Uruguay South Korea
    2015 South Africa Finland
    2012 Mexico Romania
    2011 Brazil Belgium
    2010 Austria Poland Turkey
    2009 Greece
    2008 Republic of Ireland Australia Sweden
    2006 Canada France
    2005 United Kingdom China Japan Portugal
    2004 Netherlands Italy
    1999 Spain India
    1997 Denmark
    1995 Germany
    1986 United States
10GW 이상 국가
  • 2018 Italy
    2016 Brazil
    2015 Canada France
    2013 United Kingdom
    2009 India
    2008 China
    2006 United States Spain
    2002 Germany
100GW 이상 국가
  • 2019 United States
    2014 China

용량계수

풍속이 일정하지 않기 때문에 풍력 발전소의 연간 에너지 생산량은 발전기 명판 등급의 합에 1년 동안의 총 시간을 곱한 것만큼 많지 않습니다.이 이론적 최대치에 대한 연간 실제 생산성의 비율을 용량 계수라고 합니다.일부 지역에서는 온라인 데이터를 이용할 수 있으며, 연간 생산량으로 용량 계수를 계산할 수 있습니다.[52][53]

침투

2022년[54] 풍력발전 비중

바람 에너지 침투량은 바람에 의해 생성된 에너지의 총 발전량 대비 비율입니다.2021년 전 세계 전력 사용량에서 풍력이 차지하는 비중은 2015년 3.[55]5%에서 거의 7%로 증가했습니다.[56][57]

일반적으로 허용되는 최대 바람 침투 수준은 없습니다.특정 그리드의 한계는 기존 발전소, 가격 메커니즘, 에너지 저장 용량, 수요 관리 및 기타 요인에 따라 달라집니다.상호 연결된 전력망은 이미 장비 고장에 대비하기 위한 예비 발전송전 용량을 포함할 것입니다.이러한 예비 용량은 풍력 발전소에서 생산되는 다양한 발전량을 보상하는 역할도 할 수 있습니다.연구에 따르면 연간 총 전기 에너지 소비의 20%가 최소한의 어려움으로 통합될 수 있다고 합니다.[58]이러한 연구는 지리적으로 분산된 풍력 발전소, 어느 정도의 디스패치 가능한 에너지 또는 저장 용량, 수요 관리를 갖춘 수력 발전소, 그리고 필요할 때 전력의 수출을 가능하게 하는 넓은 그리드 영역에 상호 연결된 지역을 대상으로 해 왔습니다.전력회사들은 풍력발전의 대규모 침투가 시스템 안정성에 미치는 영향을 계속 연구하고 있습니다.[59]

풍력 에너지 침투 수치는 다양한 시간 동안 지정될 수 있지만, 종종 매년 인용됩니다.매년 바람으로부터 거의 모든 전기를 생산하기 위해서는 다른 시스템과의 상당한 상호 연결이 필요합니다. 예를 들어 스코틀랜드의 일부 풍력 발전영국 그리드의 나머지 부분으로 보내집니다.[60]월, 주간, 일일 또는 시간 단위로 바람은 현재 사용량의 100% 이상을 공급하고 나머지는 저장, 수출 또는 축소할 수 있습니다.그러면 계절 산업은 바람이 많이 불고 바람 생산량이 정상 수요를 초과할 수 있는 밤과 같은 낮은 사용 시간을 이용할 수 있습니다.이러한 산업에는 실리콘, 알루미늄,[61] 철강 또는 천연 가스, 수소 등의 생산이 포함될 수 있으며, 가변적인 재생 에너지로부터 100% 에너지를 공급하기 위해 미래의 장기 저장을 사용할 수도 있습니다.[62][63][better source needed]가정과 기업은 원격으로 온수기 온도 조절 장치를 켜서 전기 수요를 변화시키도록 프로그램할 수도 있습니다.[64][65][66]

변동성

풍력 터빈은 일반적으로 바람이 많이 부는 곳에 설치됩니다.사진 속 스페인의 풍력 발전기, 오스본 황소 근처.
Roscoe Wind Farm: Roscoe 근처에 있는 West Texas의 육상 풍력 발전소

풍력은 가변적이며, 바람이 적은 기간에는 다른 동력원으로 교체해야 할 수도 있습니다.송전망은 현재 타 발전소의 정전 및 일상적인 전력수요 변화에 대응하고 있으나, 풍력 등 간헐적인 발전원의 변동성이 기존 발전소의 변동성에 비해 빈번하여 가동예정일,약 95%의 시간 동안 명판 용량을 제공할 수 있습니다.

풍력 발전에서 발생하는 전력은 시간당, 일일 또는 계절에 따라 매우 다양한 시간 척도로 변동이 심할 수 있습니다.연도별 변동도 존재하지만 유의하지는 않습니다.[citation needed]그리드 안정성을 유지하기 위해서는 순간적인 전기 발전과 소비가 균형을 유지해야 하기 때문에 이러한 변동성은 대량의 풍력 발전을 그리드 시스템에 통합하는 데 상당한 어려움을 초래할 수 있습니다.풍력 에너지 생산의 간헐성과 비분산성은 규제, 운영 예비비 증가를 위한 비용을 증가시킬 수 있으며, (높은 침투 수준에서) 이미 존재하는 에너지 수요 관리, 부하 배출, 저장 솔루션 또는 HVDC 케이블과의 시스템 상호 연결을 증가시켜야 할 수 있습니다.

부하의 변동과 대형 화석 연료 발전 장치의 고장에 대한 허용량은 가동 예비 용량을 필요로 하며, 이는 풍력 발전의 변동성을 보상하기 위해 증가될 수 있습니다.

유틸리티 스케일 배터리는 종종 시간당 편차와 더 짧은 시간대 변화의 균형을 맞추기 위해 사용되지만,[67][68] 자동차 배터리는 2020년대 중반부터 자리를 잡을 수 있습니다.[69]풍력 발전 옹호자들은 바람이 적은 기간은 단순히 준비 상태로 유지되어 있던 기존의 발전소를 재가동하거나 HVDC와 상호 연계함으로써 대처할 수 있다고 주장합니다.[70]

가변형 재생에너지를 유형별, 지역별로 다양화하고, 그 변화를 예측하여 디스패치 가능한 재생에너지, 유연한 연료를 사용하는 발전기, 수요 대응 등과 통합하여 전력 공급 수요를 안정적으로 충족시킬 수 있는 전력 시스템을 구축할 수 있습니다.점점 더 높은 수준의 재생 에너지를 통합하는 것이 실제 세계에서 성공적으로 입증되고 있습니다.[71]

이상화된 가정 하에서 유럽의 풍력 및 태양광 발전 용량 요소의 계절적 주기.그림은 계절 규모에 따른 풍력과 태양에너지의 균형효과를 나타낸 것이다(Kaspar et al., 2019).[72]

태양열은 바람과 보완적인 경향이 있습니다.[73][74]하루에서 일주일 간격으로 고기압 지역은 맑은 하늘과 낮은 표면 바람을 몰고 오는 반면, 저기압 지역은 바람이 더 많이 불고 구름이 많은 경향이 있습니다.계절에 따라 태양 에너지는 여름에 최고조에 달하는 반면, 많은 지역에서 풍력 에너지는 여름에 더 낮고 겨울에 더 높습니다.[A][75]따라서 풍력과 태양열의 계절적 변화는 서로를 다소 상쇄시키는 경향이 있습니다.[72]풍력 하이브리드 전력 시스템은 점점 더 대중화되고 있습니다.[76]

예측가능성

특정 발전기의 경우 한 시간 안에 풍력 출력이 10% 미만으로 변화할 확률이 80%이고 5시간 안에 10% 이상 변화할 확률이 40%입니다.[77]

2021년 여름, 영국의 풍력은 70년 만에 가장 낮은 바람으로 인해 감소했습니다.[78] 앞으로 녹색 수소를 생산하여 정점을 평활화하는 것은 바람의 발전 비중이 더 클 때 도움이 될 수 있습니다.[79]

단일 터빈의 출력은 국지적 풍속이 변화함에 따라 크게 그리고 빠르게 변화할 수 있지만, 더 많은 터빈이 점점 더 넓은 지역에서 연결됨에 따라 평균 출력의 변동성이 낮아지고 예측 가능성이 높아집니다.[29][80]일기예보를 통해 전력망은 발생하는 예측 가능한 생산 변동에 대비할 수 있습니다.[81]

가장 신뢰할 수 있는 저탄소 전기 시스템은 풍력 발전의 많은 부분을 포함할 것으로 생각됩니다.[82]

에너지저장장치

일반적으로, 종래의 수력발전은 풍력발전을 매우 잘 보완합니다.바람이 강하게 불 때, 근처의 수력 발전소들은 일시적으로 물을 억제할 수 있습니다.바람이 떨어지면 발전 용량만 있다면 보상을 위해 생산을 빠르게 늘릴 수 있습니다.이를 통해 전체적으로 매우 고른 전력 공급이 가능하며 사실상 에너지 손실이 없으며 더 이상의 물도 사용하지 않습니다.

대안적으로, 적합한 물의 헤드를 사용할 수 없는 경우, 양수 저장 수력 전기 또는 압축 공기 에너지 저장 및 열 에너지 저장과 같은 다른 형태의 그리드 에너지 저장은 강풍 기간에 의해 개발된 에너지를 저장했다가 필요할 때 방출할 수 있습니다.필요한 스토리지 유형은 바람의 침투 수준에 따라 다릅니다.[citation needed] 침투율이 낮으면 매일 스토리지를 사용해야 하고 침투율이 높으면 단기 및 장기 스토리지를 모두 사용해야 합니다.저장된 에너지는 최대 수요 기간 동안 고비용 발전을 대체할 수 있기 때문에 풍력 에너지의 경제적 가치를 증가시킵니다.이러한 차익거래를 통해 발생할 수 있는 잠재적 수익은 스토리지 비용과 손실을 상쇄할 수 있습니다.펌프식 저장 전력 시스템은 효율이 약 75%에 불과하고 설치 비용이 높지만, 낮은 운영 비용과 필요한 전기 기본 부하를 줄일 수 있는 능력은 연료 및 총 전기 발전 비용을 모두 절약할 수 있습니다.[83][84]

에너지 회수

풍력 발전소를 건설하는 데 필요한 에너지는 수명에 걸쳐 총 생산량인 풍력의 에너지 수익률(Energy Return on Energy Invested)로 나뉘지만 평균은 20-25 정도입니다.[85][86]따라서 에너지 회수 기간은 일반적으로 1년 정도입니다.

경제학

1983년에서 2017년[87] 사이의 킬로와트시당 육상풍력 비용

육상풍력은 석탄 발전소나 새로운 가스 발전소보다 저렴한 저렴한 전력 공급원입니다.[10]비즈니스 그린에 따르면 풍력 터빈은 2000년대 중반 유럽의 일부 지역과 비슷한 시기에 미국에서 그리드 패리티(풍력 발전 비용이 전통적인 공급원과 일치하는 지점)에 도달했습니다.가격 하락으로 인해 레벨라이즈드 비용이 지속적으로 하락하고 있으며, 2010년 유럽에서 일반 그리드 패리티에 도달했으며, [88][needs update]약 12%의 자본 비용 감소가 예상되어 2016년경 미국에서도 동일한 수준에 도달할 것으로 제시되었습니다.2021년 지멘스 가메사의 CEO는 저가 풍력 터빈에 대한 수요 증가와 높은 투입 비용 및 높은 철강 비용이 제조업체의 압력 증가 및 이익률 감소를 초래한다고 경고했습니다.[89]

북부 유라시아, 캐나다, 미국의 일부 지역, 그리고 아르헨티나의 파타고니아는 육상풍을 위한 가장 좋은 지역인 반면, 세계의 다른 지역에서는 태양열 발전, 혹은 풍력과 태양열의 조합이 더 저렴한 경향이 있습니다.[90]: 8

전력비용 및 추세

영국 에덴필드를 통과하는 터빈 블레이드 호송기(2008).더 긴 2피스 블레이드는 이제 제조된 후 현장에서 조립되어 운송의 어려움을 줄입니다.

풍력은 자본 집약적이지만 연료비가 들지 않습니다.[91]그러므로 풍력의 가격은 화석 연료원의 변동 가격보다 훨씬 더 안정적입니다.[92]다만, 전력단위당 예상평균비용은 터빈 및 송전설비의 건설비용, 차입자금, 투자자에 대한 수익률(위험비용 포함), 연간 예상생산량, 기타 설비의 내용연수에 걸쳐 평균한 구성요소를 포함하여야 하고,20년 이상 걸릴 수도 있습니다에너지 비용 추정치는 이러한 가정에 크게 의존하기 때문에 발표된 비용 수치는 크게 다를 수 있습니다.

풍력 에너지의 존재는 보조금을 지급하더라도 한계 가격을 낮추고 값비싼 피크 발전소의 사용을 최소화함으로써 소비자의 비용(독일의 경우 연간 50억 유로)을 절감할 수 있습니다.[93]

풍력 터빈 기술이 향상되면서 비용이 감소했습니다.풍력 터빈 블레이드의 길이와 경량화, 터빈 성능의 향상, 발전 효율의 향상 등이 있습니다.또한 풍력 프로젝트 자본 지출 비용과 유지 보수 비용도 지속적으로 감소하고 있습니다.[94]

2021년, 보조금을 받지 않는 전기에 대한 라자드 연구에 따르면 풍력 레벨화된 전기 비용은 계속해서 하락하고 있지만 이전보다 더 천천히 하락하고 있다고 합니다.이 연구는 풍력으로 생산되는 새로운 전기 비용을 $26에서 $50/MWh로 추정했는데, 이는 새로운 가스 전력이 $45에서 $74/MWh로 추정한 것과 비교됩니다.기존 석탄 발전량이 완전히 감가상각된 비용의 중앙값은 42달러/MWh, 원자력 29달러/MWh, 가스 24달러/MWh였습니다.본 연구에서는 해상풍량을 약 $83/MWh로 추정하였으며, 복합 성장률은 2016년부터 2021년까지 연평균 4%로 2009년부터 2021년까지 연평균 10%를 기록하였습니다.[10]

인센티브 및 지역사회 혜택

최근 몇 년간 터빈 가격이 크게 하락한 것은 에너지 경매 사용 증가와 많은 시장에서 보조금이 철폐되는 등 경쟁이 치열해졌기 때문입니다.[95]2021년 현재에도 해상풍력에 보조금을 지급하는 경우가 많습니다.그러나 중국과 같이 탄소 가격이 매우 낮은 국가에서는 경쟁적인 화석 연료 보조금이 없는 한 육상 풍력에 더 이상 필요하지 않습니다.[96]

2차 시장 세력은 기업들이 풍력 발전 전력을 사용할 수 있는 인센티브를 제공합니다. 비록 전기료에 프리미엄이 붙더라도 말입니다.예를 들어, 사회적 책임이 있는 제조업체는 유틸리티 회사에 보조금을 지급하고 새로운 풍력 발전 인프라를 구축하는 데 드는 보험료를 지불합니다.기업들은 풍력 발전 전력을 사용하고, 그 대가로 강력한 "녹색" 노력을 하고 있다고 주장할 수 있습니다.[97]풍력 프로젝트는 세금을 대신하여 지방세, 혹은 납부금을 제공하고 그들의 땅에 풍력 터빈을 가진 농부들에게 수입을 제공함으로써 농촌 공동체의 경제를 강화합니다.[98][99]

풍력에너지 분야도 건설과 운영 단계에서 일자리를 창출할 수 있습니다.[100]직업은 풍력 터빈의 제조와 터빈을 운반하고 설치하고 유지하는 건설 과정을 포함합니다.2020년 풍력 발전 분야에 종사한 사람은 125만 명으로 추산됩니다.[101]

소규모풍력

영국 브리스톨 콜스톤홀 옥상에 있는 소형 콰이어트 레볼루션 QR5 골로프형 수직축 풍력터빈.지름 3m, 높이 5m 크기로 명판 등급은 6.5kW입니다.

소규모 풍력은 최대 50kW의 전력을 생산할 수 있는 용량을 가진 풍력 발전 시스템에 붙여진 이름입니다.[102]디젤 발전기에 의존할 수 있는 고립된 지역사회는 풍력 터빈을 대안으로 사용할 수 있습니다.개인은 경제적인 이유로 그리드 전력에 대한 의존도를 줄이거나 없애거나 탄소 배출량을 줄이기 위해 이러한 시스템을 구입할 수 있습니다.풍력 터빈은 멀리 떨어진 지역에서 수십 년에 걸쳐 배터리 저장과 함께 가정용 전기 발전에 사용되어 왔습니다.[103]

도시 환경에서 소규모 풍력 발전 프로젝트의 예는 2009년부터 여러 건물 프로젝트가 Gorlov형 나선형 풍력 터빈으로 지붕을 덮었습니다.건물의 전반적인 소비에 비해 에너지는 작지만, 프로젝트 중 일부는 뉴욕주 에너지 연구 개발청의 직접적인 지원을 받기도 하는 등 "사람들에게 당신의 하이테크 보일러를 보여주는" 방법으로는 건물의 "친환경" 인증을 강화하는 데 도움이 됩니다.[104]

그리드로 연결된 가정용 풍력 터빈은 그리드 에너지 저장장치를 사용할 수 있으며, 따라서 구입한 전력을 사용 가능할 때 현지에서 생산된 전력으로 대체할 수 있습니다.국내 마이크로 발전기에서 생산된 잉여 전력은 일부 지역에서 네트워크에 공급되어 유틸리티 회사에 판매될 수 있으며, 마이크로 발전기 소유주가 에너지 비용을 상쇄할 수 있도록 소매 신용을 제공합니다.[105]

오프 그리드 시스템 사용자는 간헐적 전력에 적응하거나 배터리, 태양광 또는 디젤 시스템을 사용하여 풍력 터빈을 보충할 수 있습니다.[106]주차 미터기, 교통 경고 표지판, 가로등 또는 무선 인터넷 게이트웨이와 같은 장비는 전력망에 연결할 필요성을 대체하는 소형 배터리를 충전하는 태양광 시스템과 결합된 소형 풍력 터빈에 의해 전력을 공급받을 수 있습니다.[107]

기후변화에 대한 인식이 높아짐에 따라 재생가능자원으로부터 분산발전이 증가하고 있습니다.재생 발전 장치와 유틸리티 시스템을 연결하는 데 필요한 전자 인터페이스는 전력 품질을 향상시키기 위한 능동 필터링과 같은 추가 기능을 포함할 수 있습니다.[108]

연과 같은 공기 중의 풍력 터빈은 허리케인의 위험이 있는 장소에서 사용될 수 있는데, 이는 그것들이 미리 격추될 수 있기 때문입니다.[109]

환경과 경관에 미치는 영향

에너지원당 온실가스 배출량.풍력에너지는 온실가스 배출량이 가장 적은 원천 중 하나입니다.
풍력 터빈 근처에서 풀을 뜯는 가축.[110]

풍력발전화석연료 발전비해 환경에 미치는 영향이 적습니다.[111]풍력 터빈은 에너지원 중에서 가장 낮은 수명 주기의 온실 가스 배출량을 가지고 있습니다: 평균 전력 단위보다 훨씬 적은 온실 가스가 배출되므로 풍력 발전은 기후 변화를 제한하는 데 도움이 됩니다.[112]가공된 목재를 사용하면 탄소 음의 풍력 발전이 가능할 수 있습니다.[113]풍력은 화석연료 발전원과 달리 연료를 전혀 소비하지 않으며 지역 대기오염도 배출하지 않습니다.

육상 풍력 발전소는 시각적으로 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.[114]풍력 발전소는 일반적으로 매우 낮은 표면 전력 밀도와 간격 요구로 인해 다른 발전소보다 더 많은 지면에 분산되어야 합니다.[7][115]터빈, 진입로, 송전선, 변전소의 네트워크는 "에너지 스프롤"을 초래할 수 있지만,[8] 터빈과 도로 사이의 땅은 여전히 농업을 위해 사용될 수 있습니다.[116][117]그들은 또한 "시골의 산업화"로 이어질 [118][failed verification]수 있는 도시 지역에서 떨어져 지어질 필요가 있습니다.[119]일부 풍력 발전소들은 보호 경관 지역, 고고학적 경관 및 유산을 훼손할 가능성이 있다는 이유로 반대하고 있습니다.[120][121][122]스코틀랜드 산악 위원회의 보고서는 풍력 발전소가 자연 경관과 파노라마 뷰로 알려진 지역의 관광업에 해를 끼친다는 결론을 내렸습니다.[123]

서식지 감소와 파편화는 육상 풍력 발전소의 야생동물에 가장 큰 잠재적 영향을 미치지만,[8] 전 세계적인 생태학적 영향은 미미합니다.[111]비록 풍력 터빈이 화석 연료를 사용하는 발전소들보다 훨씬 적은 수의 새들의 죽음에 책임이 있지만, [124]희귀종을 포함한 수천 마리의 새들과 박쥐들이 풍력 터빈 날개에 의해 죽임을 당했습니다.[125]이것은 적절한 야생동물 모니터링을 통해 완화될 수 있습니다.[126]

많은 풍력 터빈 블레이드는 섬유 유리로 만들어지며 수명은 20년입니다.[127]블레이드는 속이 비어 있습니다. 일부 블레이드는 부피를 줄이기 위해 파쇄된 후 매립됩니다.[128]하지만, 무게가 많이 나가기 때문에 걷는 사람이나 자전거를 타는 사람들을 위해 오래 지속되는 작은 다리로 만들 수 있습니다.[129]블레이드 수명이 복잡하고 2020년대에 생산된 블레이드는 완전히 재활용할 수 있도록 설계될 가능성이 높습니다.[130][131]

풍력 터빈은 또한 소음을 발생시킵니다.300m(980ft) 거리에서는 냉장고보다 약간 더 큰 약 45dB일 수 있습니다.1.5 km (1 mi)[132][133]에서, 그것들은풍력 터빈과 아주 가까운 곳에 사는 사람들에게 부정적인 건강 영향을 끼친다는 일화적인 보고가 있습니다.[134]동료 검토 연구는 일반적으로 이러한 주장을 지지하지 않았습니다.[135][136][137]

정치

중앙정부

프랑스 앞바다에 떠있는 풍력발전기

비록 고정된 베이스를 가진 풍력 터빈은 성숙한 기술이고 새로운 설치물은 일반적으로 더 이상 보조금을 받지 않지만,[138][139] 부유식 풍력 터빈은 비교적 새로운 기술이기 때문에 일부 정부는 예를 들어 더 깊은 물을 사용하기 위해 보조금을 줍니다.[140]

일부 정부에 의한 화석 연료 보조금은 재생 에너지의 성장을 둔화시키고 있습니다.[141]

풍력 발전소의 허가는 몇 년이 걸릴 수 있으며 일부 정부는 속도를 높이기 위해 노력하고 있습니다. 풍력 산업은 이것이 기후 변화를 제한하고 에너지 안보를[142] 강화하는 데 도움이 될 것이라고 말하고 있습니다. 때때로 어부들과 같은 단체들은 이에[143] 저항하지만 정부들은 생물 다양성을 보호하는 규칙들이 여전히 지켜질 것이라고 말합니다.[144]

여론

유럽 전역과 다른 많은 국가들의 대중적인 태도에 대한 조사는 풍력 발전에 대한 대중의 강한 지지를 보여줍니다.[145][146][147]Bakker et al. (2012)은 연구에서 인근에 터빈을 건설하기를 원하지 않는 주민들이 "풍력 터빈으로 경제적 이익을 얻는" 주민들보다 상당히 더 많은 스트레스를 받는 것을 발견했습니다.[148]

풍력 발전은 일반적인 에너지 발전 형태이지만, 육상 또는 근해 풍력 발전소는 소음 및 관광에 미치는 영향뿐만 아니라 경관(특히 경관 지역, 유산 지역 및 고고학적 경관)에 대한 영향 때문에 때때로 반대됩니다.[149][150]

다른 경우에는 풍력 발전소의 직접적인 공동체 소유권이 있습니다.독일의 중소 풍력 발전소에 참여하게 된 수십만 명의 사람들은 그곳에서 그러한 지지를 보여주고 있습니다.[151]

2010년 해리스 여론조사는 독일, 다른 유럽 국가들 그리고 미국에서 풍력발전에 대한 강력한 지지를 발견했습니다.[145][146][152]

미국의 국민 지지도는 2020년 75%에서 2021년 62%로 낮아졌는데, 민주당이 공화당보다 풍력에너지 사용을 두 배나 더 지지하고 있습니다.[153]바이든 대통령은 대규모 풍력 발전소 건설을 시작하는 행정명령에 서명했습니다.[154]

중국에서, Shen et al. (2019)은 중국 도시 거주자들이 도시 지역에 풍력 터빈을 건설하는 것에 저항력이 있을 수 있으며, 의외로 높은 비율의 사람들이 방사선에 대한 근거 없는 두려움을 우려의 원동력으로 꼽고 있습니다.[155]또한, 이 연구는 OECD 국가들과 마찬가지로 도시 중국인 응답자들이 직접적인 비용과 야생동물 외부 효과에 민감하다는 것을 발견했습니다.터빈에 대한 관련 정보를 대중에게 배포하면 저항을 완화할 수 있습니다.

지역 사회

영국 컴브리아에 있는 이것들과 같은 풍력 터빈들은 미학을 포함한 많은 이유들로 인구의 일부 부문들에 의해 반대되어 왔습니다.[156][157]

많은 풍력 발전 회사들은 특정 풍력 발전소와 관련된 환경 및 기타 우려를 줄이기 위해 지역 사회와 협력합니다.[158][159][160]다른 경우에는 풍력 발전소 프로젝트에 대한 직접적인 공동체 소유권이 있습니다.적절한 정부 협의, 계획 및 승인 절차 또한 환경 위험을 최소화하는 데 도움이 됩니다.[145][161][162]몇몇은 여전히 풍력 발전소에[163] 반대할지도 모르지만, 많은 사람들은 그들의 우려가 대기 오염,[164][112] 기후 변화[165], 그리고 더 넓은 공동체의 의견에 의해 야기되는 위협들을 해결할 필요성에 무게를 두어야 한다고 말합니다.[166]

미국에서는 풍력발전 사업을 통해 지방세 기반을 확충하고 학교, 도로, 병원 등의 비용을 지원하며 농민 등 토지 소유자들에게 안정적인 소득을 제공해 농촌 경제를 활성화하는 것으로 보고되고 있습니다.[98]

영국에서는 내셔널 트러스트와 영국 농촌 보호 캠페인이 부적절하게 자리잡은 풍력 터빈과 풍력 발전소가 농촌 경관에 미치는 영향에 대해 우려를 표명했습니다.[167][168]

록고인 저수지가 있는 영국 화이트리 윈드팜 전경.

몇몇 풍력 발전소들은 관광 명소가 되었습니다.화이트리 윈드 팜 방문자 센터에는 전시실, 학습 센터, 전망 데크가 있는 카페, 그리고 상점이 있습니다.글래스고 과학 센터에서 운영합니다.[169]

덴마크의 경우, 가치 상실 제도는 풍력 터빈과의 근접성으로 인해 발생한 재산의 가치 상실에 대한 보상을 청구할 수 있는 권리를 부여합니다.손실액은 부동산 가치의 1% 이상이어야 합니다.[170]

이러한 일반적인 풍력 발전 개념에 대한 일반적인 지지에도 불구하고, 지역의 반대는 종종 존재하고 많은 프로젝트를 지연시키거나 중단했습니다.[171][172][173]경관에 대한 우려뿐만 아니라 일부 설치물의 경우 과도한 소리와 진동 수준을 만들어 재산적 가치를 떨어뜨릴 수 있다는 우려도 제기되고 있습니다.[174]풍력 터빈 근처의 50,000개의 주택 판매에 대한 연구는 가격이 영향을 받는다는 통계적인 증거를 발견하지 못했습니다.[175]

미적인 문제들이 주관적이고 일부는 풍력 발전소들이 즐겁고 낙관적이라고 생각하거나 에너지 자립과 지역 번영의 상징이라고 생각하지만, 시위 단체들은 종종 다양한 이유로 일부 풍력 발전소들을 막으려고 시도합니다.[163][176][177]

풍력 발전소에 대한 일부 반대는 님비주의로 치부되지만,[178] 2009년에 수행된 연구는 "내 뒷마당에 없다"는 태도 때문에 주민들이 풍력 발전소에만 반대한다는 믿음을 뒷받침할 증거가 거의 없다는 것을 발견했습니다.[179]

지정학

바람은 석유나 가스와 달리 차단할 수 없기 때문에 에너지 안보에 기여할 수 있습니다.[180]

터빈 설계

풍력 터빈의 일반적인 구성 요소(기어박스, 로터 샤프트 및 브레이크 어셈블리)가 제자리로 들어옵니다.

풍력 터빈은 바람의 운동 에너지를 전력으로 변환시키는 장치입니다.천 년이 넘는 풍차 개발과 현대적인 공학의 결과로, 오늘날의 풍력 터빈은 광범위한 수평축과 수직축 형태로 제조됩니다.가장 작은 터빈은 보조 전원을 위한 배터리 충전과 같은 용도로 사용됩니다.조금 더 큰 터빈은 전력망을 통해 사용되지 않는 전력을 유틸리티 공급업체에 되팔면서 국내 전력 공급에 작은 기여를 하는 데 사용될 수 있습니다.풍력 발전소로 알려진 대형 터빈 배열은 재생 가능 에너지의 중요한 공급원이 되었고 화석 연료에 대한 의존도를 줄이기 위한 전략의 일환으로 많은 국가에서 사용되고 있습니다.

풍력 터빈 설계는 바람으로부터 에너지를 추출하기 위해 풍력 터빈의 형태와 사양을 정의하는 과정입니다.[181]풍력 터빈 설비는 바람의 에너지를 포착하고, 터빈을 바람 속으로 향하게 하며, 기계적 회전전력으로 변환하고, 터빈을 시동, 정지 및 제어하기 위해 필요한 시스템으로 구성됩니다.

1919년 독일의 물리학자 알베르트 베츠(Albert Bettz)는 이상적인 바람 에너지 추출 기계에 대해 질량과 에너지의 보존에 대한 기본 법칙이 바람의 운동 에너지의 16/27(59%) 이상을 포착할 수 없다는 것을 보여주었습니다.Betz 한계는 이론적 Betz 한계의 70~80%에 이를 수 있는 최신 터빈 설계에서 접근할 수 있습니다.[182][183]

풍력 터빈의 공기 역학은 간단하지 않습니다.블레이드의 공기 흐름은 터빈에서 멀리 떨어진 공기 흐름과 같지 않습니다.공기에서 에너지가 추출되는 방식의 본질은 또한 터빈에 의해 공기가 굴절되게 합니다.이는 물체 또는 다른 터빈의 하류에 영향을 미치며, 이를 "웨이크 효과"라고 합니다.또한, 로터 표면에서 풍력 터빈의 공기역학은 다른 공기역학 분야에서는 거의 볼 수 없는 현상을 나타냄.풍력 터빈 블레이드의 형상과 치수는 바람으로부터 에너지를 효율적으로 추출하는 데 필요한 공기역학적 성능과 블레이드에 가해지는 힘에 저항하는 데 필요한 강도에 따라 결정됩니다.[184]

블레이드의 공기역학적 설계와 더불어, 완벽한 풍력 발전 시스템의 설계는 설비의 로터 허브, 나셀, 타워 구조, 발전기, 제어 및 기초의 설계를 포함해야 합니다.[185]

역사

찰스 F. 1888년의 브러시의 풍차, 전력 생산에 사용되었습니다.

풍력은 인간이 바람에 을 넣는 동안 사용되어 왔습니다.함무라비 왕의 코덱스(재위: 기원전 1792년 - 기원전 1750년)는 이미 기계 에너지를 발생시키기 위한 풍차에 대해 언급했습니다.[186]곡물을 갈고 물을 퍼올리는 데 쓰이는 풍력 발전 기계인 풍차와 풍력 펌프가 9세기까지 지금의 이란, 아프가니스탄, 파키스탄에서 개발되었습니다.[187][188]풍력은 광범위하게 이용할 수 있었고, 빠르게 흐르는 하천의 둑에 국한되지 않았으며, 이후에는 연료 공급원을 필요로 했습니다.풍력 발전 펌프는 네덜란드의 물을 빼냈고, 미국 중서부나 호주 오지와 같은 건조한 지역에서는 풍력 펌프가 가축과 증기 기관에 물을 공급했습니다.

1887년 7월 글래스고 앤더슨 칼리지(Strathclyde University의 전신)의 제임스 블라이스(James Blyth) 교수에 의해 전력 생산에 사용된 최초의 풍차가 스코틀랜드에서 만들어졌습니다.[189]블라이스의 10미터(33피트) 높이의 천 돛이 달린 풍력 터빈은 킨카딘셔메리커크에 있는 휴가용 오두막 정원에 설치되었고, 프랑스인 카밀 알퐁스 파우레가 개발한 축전지를 충전하여 오두막의 조명을 작동시키는 데 사용되었습니다.[189]그래서 세계 최초로 풍력으로 전력을 공급받는 집이 되었습니다.[190]블라이스는 메리커크 사람들에게 번화가에 불을 붙이기 위해 잉여 전력을 제공했지만, 그들은 전력이 "악마의 짓"이라고 생각했기 때문에 그 제안을 거절했습니다.[189]그는 나중에 지역의 루나틱 어사일럼, 의무실, 몬트로즈 조제실에 비상 전력을 공급하기 위해 풍력 터빈을 만들었지만, 그 기술이 경제적으로 실행 가능하다고 여겨지지 않았기 때문에 그 발명품은 결코 인기를 끌지 못했습니다.[189]

대서양 건너 오하이오주 클리블랜드에서는 1887년에서 1888년 겨울 찰스 F에 의해 설계되고 제작되었습니다. 빗질.[191]이것은 그의 집에서 그의 엔지니어링 회사에 의해 만들어졌고 1886년부터 1900년까지 운영되었습니다.[192]브러시 풍력 터빈은 직경 17미터(56피트)의 로터를 가지고 있었고 18미터(59피트) 타워에 장착되었습니다.오늘날의 기준으로는 크지만, 이 기계의 등급은 12kW에 불과했습니다.연결된 다이너모는 배터리 뱅크를 충전하거나 브러시의 실험실에서 백열 전구 100개, 아크 램프 3개, 다양한 모터를 작동하는 데 사용되었습니다.[193]전력의 발달로 풍력은 중앙에서 생산된 전력에서 멀리 떨어진 건물 조명에 새로운 응용 분야를 발견했습니다.20세기 내내 평행한 길은 농장이나 거주지에 적합한 작은 풍력 발전소를 개발했습니다.1932년부터 호주의 많은 고립된 건물들은 "Freelite" 풍력 구동 발전기로 충전된 배터리로 조명과 선풍기를 작동시켜 시속 16km(10마일)의 풍속으로 100와트의 전력을 생산했습니다.[194]

1973년 석유 위기는 덴마크와 미국에서 전력 원격 사용을 위해 전력망에 연결될 수 있는 더 큰 유틸리티 규모의 풍력 발전기로 이어진 조사를 촉발했습니다.2008년까지 미국의 설치 용량은 25.4 기가와트에 달했고 2012년에는 설치 용량이 60 기가와트였습니다.[195]오늘날 풍력 발전기는 고립된 주거지에서 배터리 충전을 위한 작은 스테이션 사이, 전국 전력망에 전력을 공급하는 기가와트 규모의 해상 풍력 발전소까지 모든 크기 범위에서 작동합니다.

참고 항목

메모들

  1. ^ 캘리포니아는 예외입니다.

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외부 링크