[Tech Report] 풍력발전, RAMS 기반 공급망 관리시스템 구축 필요하다

[기술법인 엔펌=박세환 전문위원(Ph.D)] 국내 에너지전환 정책은 제8차 전력수급기본계획(2017~2031), 제9차 전력수급기본계획(2020~2034), 제5차 신재생에너지 기본계획(2020~2034)에 정책적 기반을 두고 있다.

제8차 전력수급기본계획은 2030년까지 재생에너지 발전단가를 2017년 대비 35.5% 인하, 전기요금 인상율 10.9% 억제와 풍력발전 산업의 효과성을 구현을 목표로 하고 있다.

풍력발전은 설비 및 부품에서 발생한 안전사고로 인한 갑작스런 운전중단 등에 대한 예측과 대응기술, 고장 발생 시 정비시간 단축을 통한 공정시스템의 최적화 방안 및 설비 고장의 최소화 방안 등을 마련해야 한다.

아울러 풍력발전 설비 및 부품에 대한 기초데이터(작동범위 및 동작시간 등)와 과거 운전정보 기반의 PAS(Predictive Analysis System : APR(Advanced Pattern Recognition) 엔진을 이용하여 과거 운전데이터를 학습, 예측 모델을 구성해야 한다.

실시간 정보관리시스템에서 수집되는 운전변수와 비교하여 비정상 상태를 감지하는 지능형 예측분석 시스템과 결합을 통해 시스템의 신뢰성‧가동성‧정비성‧안전성을 향상시킬 수 있는 공정분석도 필요하다.

풍력발전 설비 및 부품에 대한 RAMS(Reliability/Availability/Maintainability/Safety) 기반의 SCMS(Supply Chain Management System : 공급망 관리시스템) 구축사업을 통해 효율적인 통합관리를 수행하기 위해서는 산정비용 및 SCMS 이용율 등에 대한 조사분석 결과를 토대로 발전단가(Levelized Cost of Electricity)에 대해 보다 면밀히 분석해야 한다.

풍력발전 단지의 SCMS 필요성

풍력발전 단지는 사람이 접근하기 쉽지 않은 해안(해상풍력)이나 높은 산 정상(육상풍력)에 구축되어 있어 국가 차원의 단지 간 통합관리가 가능한 RAMS 기반의 SCMS를 통해 설비 및 부품 관리체계를 구축해야 한다.

현재는 신뢰성 및 안전성 관련 기반 기술을 도입‧운용하지 않은 풍력발전 단지 운영사 및 시스템 공급사가 개별적으로 관리하고 있어 자연재해 등의 위험이 닥쳤을 때 핵심 부품에 대한 공급망 중단 등으로 관련 업체의 완성품 및 부품 생산에 큰 차질이 발생할 수 있다.

풍력발전 관련 설비 및 부품의 수명주기에 따른 비용 최적화 및 가용능력 극대화, 유지보수 비용과 시간 절감 등을 위해서는 RAMS 기반의 SCMS 구축이 절실히 요구된다.

특히 각 기업별로 공급망관리시스템을 별도로 구축‧운영하고 있어 이기종 간 시스템 통합이 가능한 데이터 중심의 통합 공급망 관리가 필요하다.

통합 공급망 관리를 통해 운영사의 필요 설비 요청, 제조사의 신규 설비 등록, 설비 간 동종품목 식별, 등록설비 및 동종품목의 재고 현황 파악과 단종 예측 등 효율적인 풍력발전 단지 관리기능을 수행할 수 있다.

SCMS를 통해 풍력발전 설비 및 부품에 대한 정량적 효과 산정, LCoE 등 경제성 분석을 통한 SCMS 구축 전후의 정량적 효과 등을 분석함으로써 풍력발전 단지의 최적 운영 효과도 기대할 수 있다.

풍력발전 단지의 SCMS 요소기술

풍력발전 설비 및 부품 공급망에 대한 RAMS 기반의 SCMS를 효과적으로 구축하기 위해서는 ▲각 설비 및 부품 단위의 교체/고장/수리 등에 대한 DB구축 및 이력관리 ▲공급사와 운영사 간 공급체계에 대한 통합공급망 ▲풍력발전 설비 생명주기 내에서 신뢰성‧가용성‧유지보수성을 구현할 수 있는 공급망 통합관리시스템이 필요하다.

풍력발전 단지 SCMS 구축을 통해 최적의 운영 효과를 나타내기 위해서는 ▲OPC-UA 데이터 송수신 및 DDS 변환기술 ▲DDS 기반 풍력발전 단지 설비의 지역관리 데이터 영역 연계기술 ▲풍력발전 단지 간 설비공급망 게이트웨이 기술 등 다양한 기술을 개발해야 한다.

특히 DDS(Data Distribution Service) 통신 미들웨어는 국제표준화기구인 OMG(Object Management Group)에서 제정한 이기종 시스템 간 데이터 통합을 위한 데이터 모델 정의에 따른 데이터 변환을 지원하는 국제표준으로서 다양한 풍력발전 설비 데이터를 유실 없이 안정적으로 전달할 수 있는 표준으로 평가받고 있다.

게이트웨이 기술은 데이터 위변조를 방지하여 데이터서비스 품질을 높이고 데이터를 안전하게 송수신할 수 있는 데이터 보안 기능이 강화된 기술로 평가받고 있다.

풍력발전 단지의 SCMS 요소기술은 한국형 뉴딜 종합계획(2020.07) 및 산업‧에너지 한국판 뉴딜 정책(2020.07) 등에 기반을 두고 있다. 클라우드를 통한 초기 투자 비용의 최소화 및 소요 시간 절감, 설비에 대한 통합 구매공급관리 시스템을 통한 효율적인 의사결정 등 공급망 전체의 효율성 향상을 기대하고 있다.

풍력발전시스템의 RAMS 설계 및 개발 개요

풍력발전 설비 및 부품의 재고, 이력 관리 등 효율적인 유지보수 체계를 구축에는 RAMS 기반의 통합관리기술이 주목받고 있다. 풍력발전 단지의 신뢰성 및 안정성을 강화하기 위해서다.

주요 외산 RAMS 솔루션의 핵심 기능 및 사용자 인터페이스의 벤치마킹도 필요하다. 국내 풍력발전 산업환경에 부합하기 위해서는 ▲개발 솔루션의 기능 정립 및 아키텍처 설계 ▲상세 구조 및 기능 설계, 주요 알고리즘 개발 및 모듈별 프로그래밍 ▲모듈별 단위 테스팅, 인터페이스 통합 ▲통합 테스팅 및 디버깅 등을 고려해야 한다.

국내 풍력발전 산업환경에 부합하는 RAMS 솔루션의 주요 프레임워크는 ▲컴포넌트 고장률 및 전체 시스템 신뢰도 예측기능 개발 ▲신뢰도 예측 소프트웨어(MTBF, MTTR, MTTF) 도구 제공 ▲신뢰도 예측 분석을 위한 프레임워크로 활용할 수 있는 예측 모델링 등이다.

설계 프로세스 초기에 제품 신뢰도에 대한 평가를 통해 시스템 고장의 근본적인 원인과 시스템에 미치는 환경영향과 스트레스를 고려하여 RAMS 분석 모듈 설계에 반영한다. 풍력발전 설비 및 부품의 규격을 수용할 수 있는 세부 기능도 갖춰야 한다.

국내 풍력발전 산업은 정책적 지원과 함께 풍력터빈 등의 제품가격 하락으로 꾸준히 성장하고 있다.

향후에도 재생에너지 3020 이행계획(2030년까지 재생에너지 발전 비중 20% 목표) 및 제3차 에너지기본계획(2040년까지 재생에너지 발전 비중 30~35% 목표)을 기반으로 지속적으로 확대도 전망되고 있다(‘해상풍력의 국내 경쟁력 현황 및 제고방향’, 전기저널, 2020.11).

현재 글로벌 해상풍력발전 설비용량은 2016년 14.4GW가 구축되었으며, 연평균 28%의 신규용량 증가율을 보이고 있다.

GWEC 보고에 따르면 세계 해상풍력발전 설비의 12.63GW가 유럽지역(이 중 72%가 북해 연안)에 설치되어 있으며 북해 및 지중해 지역은 연간 평균 9㎧ 이상의 강한 바람이 부는 우수한 풍력자원을 기반으로 글로벌 해상풍력 발전 기술시장을 선점하고 있다.

국제사회는 지구온난화로 인한 기후변화에 대응하기 위해 2015년 말 제15차 기후변화협약 당사국총회(COP 15)에서 개발도상국가의 온실가스 감축목표를 2030년까지 배출전망치(BAU : Business As Usual) 대비 37% 감축하기로 합의하였다.

2021년 말 제21차 회의(COP 21)에서는 개도국을 포함한 모든 국가(196개국)에 산업혁명 이전 대비 지구 표면의 평균기온 상승을 1.5℃ 이하로 제한하기 위한 노력을 촉구하고 있다. 전 세계적으로 온실가스 발생량이 가장 많은 에너지 부문에서의 획기적인 에너지전환 정책이 확대되고 있다.

국내에서도 에너지전환 로드맵, 재생에너지 3020 이행계획, 제3차 에너지기본계획, 재생에너지 산업 경쟁력 강화방안 등 다양한 에너지전환 정책을 시행 중이다.

에너지전환 정책의 핵심은 2030년까지 재생에너지 발전량 비중의 20% 확대다. 특히 풍력 발전량을 1.42GW(2018년 기준)에서 17.7GW로 대폭 확대할 계획이며 풍력발전 설비의 대폭 증가도 예정돼 있다(‘해상풍력의 국내 경쟁력 현황 및 제고방향’, 전기저널, 2020.11).

풍력발전을 이용한 안정적인 전력 수급을 위해서는 풍력발전 설비 및 부품의 재고, 이력 관리 등 효율적인 유지보수 체계를 구축할 필요가 있다.

RAMS 기반의 통합관리기술을 개발하여 풍력발전 단지의 신뢰성 및 안정성을 강화하는 데 주력해야 한다. 수많은 풍력발전 부품의 비용 최적화된 구매‧관리‧공급사 선정과 아울러 이를 효율적으로 지원할 수 있는 통합 SCMS 구축이 요구된다.