Scheduling and Cost Estimation Simulation for Transportation and Installation of the Offshore Monopile Wind Turbines

<응용논문> pISSN 1226-0606 eISSN 2288-6036

모노파일 해상풍력발전의 이송과 설치를 위한 일정계획 및 비용분석 시뮬레이션

김보람

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Scheduling and Cost Estimation Simulation for Transportation and Installation of the Offshore Monopile Wind Turbines

Boram Kim

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5

ABSTRACT

For reasons such as global warming, depletion of fossil fuels and the danger of nuclear energy the research and development of renewable energy is actively underway. Wind energy has advantages over another renewable energy in terms of location requirements, energy efficiency and reliability. Nowadays the research and development area is expanded to offshore because it can supply more wind reliability and free from noise pollution. In this study, the monopile off- shore wind turbine transportation and installation (T&I) process are investigated. In addition, the schedule and cost for the process are estimated by discrete event simulation. For the simula- tion, simulation models for various means of T&I are developed. The optimum T&I execution plan with shortest duration and lowest cost can be found by using different mission start day and T&I means.

Key Words: Cost estimation simulation, Monopile foundation, Offshore wind turbine, Scheduling simulation Transportation and installation (T&I)

†Corresponding Author, [email protected]

©2015 Society of CAD/CAM Engineers

1. 서 론

풍력발전의 터빈용량이 2.0~3.6 MW급 이상으 로 대형화됨에 따라 설치 장소를 외해역으로 하는 해상풍력발전의 개발, 건설이 본격화되고 있다. 해 상에서는 육상에 비해 동일 풍속 대비 낮은 고도 에서 양질의 바람에너지를 얻을 수 있다

^[1]

^[2]

이송 및 설치 계획, 비용 산출은 현재 해외의 이 송 및 설치 전문업체에서 경험을 바탕으로 수행하 고 있다. 신재생에너지에 대한 관심이 증대되면서 향후 대단위 풍력발전 단지의 조성이 예상되는데, 경험에 기반한 개략적인 계산으로는 복잡한 시나 리오에 대한 적용이 용이하지 않다. 따라서 이송 및 설치 과정에 대하여 분석하고, 이를 모델링하 여 시뮬레이션을 통해 미리 시나리오를 검증할 필 요가 있다. 본 논문에서는 모노파일 하부 구조물 을 갖는 해상풍력발전의 해상 이송과 설치 프로세 스를 분석하고, 이를 일정계획과 비용분석 측면에

서 시뮬레이션 하고자 한다. 이때 시뮬레이션에는 역학적인 계산이 시뮬레이션에 포함되는 것은 아 니기 때문에, 이산시간 시뮬레이션(discrete time simulation)이 아닌 이산사건 시뮬레이션(discrete event simulation)을 적용한다.

해상풍력발전은 하부구조물의 형태에 따라 크 게 고정식과 부유식으로 분류할 수 있고, 설치수 심에 따라 적합한 하부구조물의 종류가 다르다

^[3]

^[3]

Fig. 1 Classification of offshore wind turbines

^[4]

우리나라 서남해에 많은 설치가 예상되는 모노파 일 구조물을 대상으로 하여 이송 및 설치 프로세 스를 분석하고, 일정계획과 비용을 산출하는 시뮬 레이션을 소개한다.

2장에서는 기존에 수행된 해상풍력발전의 이송 과 설치에 대한 연구를 소개하고, 3장에서는 본 논 문의 시뮬레이션 대상인 모노파일 하부구조물 해 상풍력발전 이송 및 설치 선박과 설치 프로세스에 대해서 설명한다. 4장에서는 본 논문에서 시뮬레 이션에 사용한 모델을 이벤트 그래프 모델링(event graph modeling)으로 표현하며, 5장에서는 4장의 모델을 바탕으로 모노파일 해상풍력발전을 대상 으로 하는 이송 및 설치 시뮬레이션의 구성 및 시 뮬레이션 결과를 제시한다. 마지막으로 6장에서는 결론과 향후 연구 계획을 제시한다.

2. 관련 연구

해상풍력발전의 이송과 설치를 위한 일정계획 및 비용분석에 관련된 연구는 해상풍력발전 전문 설치선을 대상으로 하여 모노파일 및 재킷 구조물 의 설치 비용을 계산한 연구가 있다

^[5]

^[6]

^[7]

먼저 Walther

^[5]

^®

^®

이 때 한 항구를 모항으로 하는 한 척의 이송/설치 선박을 이용하여 다수의 해상풍력발전 하부구조 물을 설치하는 시나리오를 가정하였으며, 아래와 같이 3가지 시나리오에 대한 계산을 수행하였다.

1)모노파일과 트랜지션 피스를 설치하는 시나리오 2)재킷 파일과 스트럭쳐를 설치하는 시나리오 3)대형 잭업을 이용한 터빈 설치 시나리오

(disassembled components 또는 bunny ear) Walker

^[6]

^®

^®

하여 풍력발전기 300개를 설치할 때의 설치 시간 과 비용을 산출하였다. Fig. 2와 같이 다음 네 가 지 설치 시나리오를 가정하였으며, 이때 기상 상 태는 고려하지 않았다.

1) Single Blade installation with self-propelled jack up vessel

2) Single Blade installation with large self- propelled jack up vessel(약 2배의 탑재능력) 3) Bunny Ear installation

4) Rotor Star installation

Kaiser

^[7]

1) Foundation and turbine installation 2) Cable installation

3) Substation installation 4) Scour protection 5) Mobilization

Fig. 2 Turbine installation method

^[6]

이때, 1)의 하부구조물과 터빈의 설치 비용은 다 음 식 (1)과 같다. 전체 비용(cost, $)은 설치 시간 (installation time, h)과 일당총비용(total daily cost,

$/day)로 구성되며, 이때 설치 시간은 기상조건이 반영된 설치횟수당 시간(weather adjusted time per trip, h)에 설치횟수를 곱하여 계산하였다. 또한 일 당총비용은 제반비용(spread dayrate, $/day)과 용 선료(vessel dayrate, $/day)의 합으로 계산하였다.

(1)

where installation time = weather adjusted time per trip number of trips, and total daily cost = spread dayrate + vessel dayrate.

이상의 관련 연구와 본 논문의 비교는 Table 1 과 같다. 본 논문에서는 Walther

^[5]

^[6]

^[5]

^[6]

^[7]

^[5]

영하여 보다 정확한 웨더윈도우를 계산한다. 이는 Walther

^[5]

^[7]

^®

설치 선박과 설치 대상물을 모델링하여 시뮬레이 션을 수행하였기 때문에 가능하다.

3. 모노파일 해상풍력발전 이송 및 설치 프로세스

모노파일 해상풍력발전은 Fig. 4와 같이 기초구 조물(foundation)인 모노파일과 수면 근처에서 모 노파일과 풍력터빈의 타워부를 연결하는 트랜지 션 피스(transition piece) 그리고 타워, 나셀, 로터 부(블레이드, 허브, 로터)로 구성되어 있다. 모노파 일은 약 40~60 m 정도의 길이에 중량은 500~800 톤에 이른다. 설치해역까지 이송된 후, 전문설치 선박에 의해 항타(drive) 또는 항타 및 굴착(drive and drill) 방법에 의해 설치된다. 그 후 트랜지션 피스를 모노파일 위에 덧씌우고, 고정을 위해 그 라우트 시공(grouting)을 한다(Fig. 3). 이와 같이 해상풍력발전 단지에 하부 구조물 시공을 모두 끝 낸 후, 타워와 로터부는 별도로 이송되어 순차적 으로 설치되어 운전된다.

해상설치는 모노파일, 타워, 로터부 등을 설치할 수 있도록 500~1,000톤의 크레인을 탑재하고, 적 t

cos installation time

--- total daily cost24 ×

=

Table 1 Comparison of related works

Walther

^[5]

^[6]

^[7]

Installation object

and method

Foundation

Monopile and transition piece

Not considered Monopile and transition piece

Monopile and transition piece (simulation I&II) Jacket piles

and structure

Turbine

1) Single blade (disassembled) 2) Bunny ear

1) Single blade 2) Bunny ear 3) Rotor star

Not considered (vessel capacity)

Single blade (simulation II)

T&I utility

1) Large jack-up 2) Small jack-up 3) Floating heavy-lifter

1) Self-propelled jack-up

2) Large self-propelled jack-up

1) Self-transport 2) Barge

1) WTIV 2) Small Jack-up

Weather condition Considered

(hindcast, monthly) Not considered

Considered (weather-adjustment

factor)

Considered (observed data,

hourly) Calculation

method Calculation using Excel

^®

Not specified (mathematical model

specified)

Simulation (event graph, simkit)

재를 위한 갑판공간이 확보된 전문설치선박에 의 해 수행된다. 이러한 해상풍력발전 전문설치선박 은 Fig. 5에서 볼 수 있는 바와 같이 크게 세 종류 로 분류할 수 있다. 먼저, 1세대 해상풍력 설치선 인 크레인 바지선(crane barge)은 크레인을 탑재한 바지선으로 자항능력이 없어, 터그선(tug boat)으 로 예인 하여 설치해역으로 이동한다. 도착 후에 는 계류하여 위치를 고정한 후에 설치 작업을 진 행한다. 선박 형태의 부유체이기 때문에 해상상태 에 많은 영향을 받아 설치 지연 발생이 잦다

^[10]

이러한 문제를 극복하고자 잭업(jack-up) 시스템 을 갖춘 크레인 바지선이 등장하였다. 이러한 2세 대 해상풍력 설치선은 설치선박을 해수면으로부 터 부양시켜, 해상상태에 크게 영향을 받지 않고 설치작업을 할 수 있다. 하지만 1세대 해상풍력 설 치선과 마찬가지로 자항능력이 없어서, 터그선에 의해 예인되어야 한다. 또한, 해상풍력 구조물을 탑재할 갑판 공간이 없어 별도의 이송수단이 필요 하다.

해상풍력발전 시장이 커지고 단지가 본격적으 로 조성됨에 따라 해상풍력 설치전문선(Wind Turbine Installation Vessel, WTIV)이 등장하였다.

WTIV는 잭업시스템과 설치 전용 가이드 및 대용 량 크레인, 동적위치유지 시스템(Dynamic Positioning System, DPS)과 해상풍력 구조물 적재를 위한 갑 판 공간을 갖추고 있다. 충분한 작업능력의 보유 하고 있어서 1회 출항으로 8기의 해상풍력발전 상 부구조물을 설치한 실적을 가지고 있다

^[11]

4. 이벤트 그래프 모델링을 이용한 해상풍력발전 전용설치선 모델링

향후 해상풍력은 1~2기가 아닌 적지에 다수의 풍력발전기를 설치하는 해상풍력발전 단지의 건 설이 이루어질 것으로 예상된다. 복수의 이송 및 설치가 다양한 장소에서 다양한 선박에 의해 수행 되는데, 이럴 경우 이송/설치 업체의 경험에 의존 Fig. 4 Components of monopile foundation

^[9]

Fig. 3 Installation of transition piece over monopile

^[8]

해서는 일정계획 및 예상비용 산출에 어려움이 예 상된다. 본 논문에서는 이러한 어려움을 사전에 대 비하고자 이송과 설치 과정을 시뮬레이션 하고자 한다. 시뮬레이션은 단위 동작을 수행하는 시뮬레 이션 모델로 구성되는데 본 논문에서는 이산사건 시스템으로 모델링 하였다. 이산사건 시스템의 모 델링에는 이산사건시스템명세(Discrete Event System Specification, DEVS)나 페트리 네트(Petri net), 이벤트 그래프 모델링 등이 있다. 본 논문의 시뮬레이션에서는 시뮬레이터의 초기 개발단계에 서 전체 모델간의 연관성을 보다 쉽게 표현할 수 있는 이벤트 그래프 모델링을 사용하였다.

4.1 이벤트 그래프 모델링

이벤트 그래프 모델링은 이산사건 시뮬레이션 의 사건 처리(processing), 사건 계획(scheduling)의 관계를 그래프를 이용하여 가시적으로 표현하는

방법이다

^[13,14]

이 이산 사건간의 관계를 묘사할 수 있다. 사건 A 가 발생한 후에 조건 i를 만족시키면 시간 t 후에 사건 B를 발생시키며, 이 때 추가적으로 데이터나 메시지를 사건간에 전달할 수 있다. 전달하고자 하 는 데이터가 j와 x 두가지일 경우 A에서 (j, x)를 전 달하면 B에서는 이를 (k, y)로 받아들인다. 함수의 인자 구분을 하기 위하여 보내는 데이터와 받는 데이터를 다르게 표현한다

^[15]

는 시뮬레이션 엔진이 필요한데, 본 논문에서는 A.H. Buss가 Java로 구현한 이산사건 시뮬레이션 엔진인 Simkit을 사용하였다

^[16]

4.2 해상풍력발전 전용설치선 모델

본 논문에서는 해상풍력발전 설치선박의 이송 (Fig. 8)과 설치과정(Fig. 9)을 분리하여 개별 모델 을 구성하고 두 모델을 묶어서 전체 시뮬레이션을 Fig. 7과 같이 구성하였다. 시뮬레이션이 시작되면 먼저 이송 프로세스가 수행된다(Fig. 8).

이송 프로세스는 항구에서의 선적부터 설치 장 소에서 잭업을 수행 할 때까지를 포함한다. 항구 에서 선적작업을 하고, 선적이 완료되면 설치 장 소로 이송을 한다. 이때 이송 항로에 따른 웨더윈 도우를 계산하여 조건이 만족되면 출항을 하고 그 렇지 않으면 만족될 때까지 대기한다. 이송 프로 세스는 설치해역에 도착하여 잭업을 수행하는 것 으로 종료된다. 이송 프로세스의 잭업 이벤트는 설 치 프로세스의 잭업 이벤트와 연결되어 이후의 설 치 프로세스를 진행한다(Fig. 9).

설치 프로세스(Fig. 9)는 잭업, 시공 준비 및 모 노파일 포지셔닝, 모노파일 설치, 트랜지션 피스 설치, 잭다운(jack-down)으로 구성되어 있다. 시나 리오에 입력된 설치해역의 해상환경에 따라 각 이 벤트 별로 해당선박에 허용된 웨더윈도우를 계산 하여, 작업이 가능할 경우 이벤트를 시작하고 그 렇지 않으면 대기한다. 설치선박에 선적된 모노파 일 또는 트랜지션 피스가 있을 경우, 다음 설치 장 소로 이동하여 설치 프로세스(Fig. 9)를 반복한다.

선적된 모든 구조물의 설치가 끝나면 다시 작업항 구로 돌아가는 이송 프로세스 모델을 호출한다(Fig.

8). 시뮬레이션의 입력 값으로 주어진 해상풍력 하 부구조물이 모두 설치될 때까지 위의 과정을 반복 Fig. 5 Installation vessels for offshore wind turbines

^[12]

Fig. 6 Model representation of Event Graph modeling

Fig. 7 Overall simulation model of transportation and installation process

Fig. 8 Event graph model representation of transportation process

Fig. 9 Event graph model representation of installation process

한다. 시뮬레이션이 종료되면 각 프로세스의 시작 과 종료를 간트 차트형식으로 결과를 정리하고, 소 요된 총 비용과 총 공사기간을 함께 제시한다.

시뮬레이션에서 이송 속도, 적재능력(모노파일, 트랜지션 피스), 운항조건(최대유의파고), 잭업 시 스템 유무, 잭업 속도, 잭업운용조건(최대유의파 고, 최대풍속), 모노파일 설치조건 및 작업시간, 트 랜지션 피스 설치조건 및 작업시간, 일일 용선료 (dayrate)와 일일 대기료(standby rate)를 스크립트 파일로 정의하고 이를 시뮬레이션 시작 때 각 모 델의 입력 값으로 전달한다. 이와는 별개로 이송 항로와 설치 장소의 시간 별 최대유의파고와 최대 풍속을 시나리오 입력 값으로 스크립트 파일에 정 의하여 사용할 수 있게 하였다. 그리고 해상풍력 단지에 설치될 모노파일 구조물과 트랜지션 피스 의 총 개수와 작업항구 위치, 설치해역 위치를 정 의할 수 있게 하였다.

5. 해상풍력발전 이송 및 설치 시뮬레이션

이송 및 설치 기간과 비용에 직접적인 영향을 줄 수 있는 요인은 선박의 제원이다. 기상 조건에 영향을 덜 받고 한번에 많은 화물을 이송 및 설치 할 수 있는 선박은 기간을 줄일 수 있지만, 용선료 는 높을 수 밖에 없다. 이송 기간과 용선료는 일반 적으로 서로 상충되지만, 시나리오에 따라 어느 선

박으로 언제 이송 및 설치를 진행하는 것이 유리 한지는 달라질 수 있다.

이를 비교하기 위하여 본 논문에서는 두 가지 시나리오에 대하여 서로 두 종류의 선박을 운용하 는 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 먼저 모노파일과 트랜지션 피스를 4 세트 설치하는 시 나리오를 구성하였고(시뮬레이션 I), 모노파일과 트랜지션 피스, 그리고 풍력발전 터빈(타워와 로 터부) 을 설치하는 시나리오를 구성하였다(시뮬레 이션 II). 해상풍력발전의 선적과 설치는 각각 Fig.

10과 같이 거제와 제주에서 이루어진다고 가정하 였다. 이때 이송 및 설치를 위한 선박의 제원은 실 존하는 설치 선박의 제원을 바탕으로 Table 2와 같 이 정의하였다. 이송 및 설치를 위한 웨더윈도우 만족 여부를 확인하기 위하여 필요한 기상정보는

Fig. 10 Transportation root and installation site

Fig. 11 Metocean data for simulation

Fig. 11과 같이 기상청에서 관측하여 발표한 해양 기상월보를 사용하였다.

5.1 Weather window 계산

본 시뮬레이션에서 일정계획을 결정하는 주요 한 요인은 파고와 풍속이다. 파고가 제한 파고보 다 높거나, 풍속이 제한 풍속보다 높으면 작업의 지연을 초래하게 된다. 선급 규정

^[17]

[5]

작업을 위한 조건을 최대유의파고 2.5 m, 최대풍 속 12 m/s 이하로 가정하였다

^[17,18]

5.2 시뮬레이션 I

시뮬레이션 I에서는 4개의 모노파일 및 트랜지 션 피스를 설치하는 시뮬레이션을 구성하였다. 이 송 경로 및 일시, 이용한 선박과 기상정보에 대한 설명은 Table 3에 나타나 있다. 시뮬레이션에서 사 용한 설치선박 WTIV와 소형 잭업의 제원이 다르 며, 설치 시작 일시를 변경하여 수행하였다.

시뮬레이션 시나리오는 거제의 조선소에서 모 노파일과 트랜지션 피스를 생산하여 제주로 이송 및 설치하는 상황을 가정하였다(Fig. 12). 총 4기 의 모노파일을 설치할 계획이기 때문에 모노파일 과 트랜지션 피스를 거제에서 선적하고 제주로 이 송하여 각각을 설치한 후 다시 거제로 복귀하게 된다. 2013년 10월 1일에 거제에서 선적을 시작하 는 시뮬레이션을 두 가지 설치선박 WTIV와 소형 잭업을 이용하는 상황을 가정하여 수행하였다.

시나리오는 Fig. 14와 같이 시나리오 생성기에 입력된다. 시나리오 생성기의 가장 첫 줄의 ‘0’은 시뮬레이션 시작 시간, 즉 여기에서는 2013년 10 월 1일 자정을 의미한다. 다음 두 줄에 나타난 파 Fig. 12 T&I scenario of simulation I

Table 2 Specification of WTIV and small jack-up

Vessel

Transport Loading Speed

(hour, each) Loading Capacity Jacking Cost (100 million KRW/day) Speed

(Knots) Wave Limit (m)

MonopileTransition Piece

Monopile only

Transition Piece only

MP and TP

Speed (m/min)

Wave Limit (m)

Operating Waiting

WTIV 13 2.5 3.5 2.0 6 12 4 2.4 2.5 3.65 2.42

Small

jack-up 8 2.5 3.5 2.0 3 8 2 0.4 2.0 1.46 1.1

Table 3 T&I information of simulation I Transport

route Geoje to Jeju (170 NM, 330 km) Starting

date & time

12:00 AM, October 1

^st

^st

12:00 AM, October 13

^th

object

4 Monopiles (monopile and transition piece) Installation

vessel

Wind Turbine Installation Vessel (WTIV) Small jack-up

Metocean data

Geoje and Jeju, Monthly report of marine data (Observed by Korea

Meteorological Administration)

일명은 시뮬레이션에 사용되는 기상정보를 저장 한 파일의 이름이다. 그 이후로는 설치선박의 명 칭, 이송 방법, 설치방법, 선속, 선적에 소요되는

시간, 선적 가능량, 이송 제한 파고, 잭업 속도, 잭 업 제한 파고, 용선료가 나타나 있다. 마지막으로 설치하는 모노파일과 트랜지션 피스의 수가 입력 Fig. 13 Weather window calculation (wave limit 2.5 m, wind speed limit 12 m/s, operation time 47 h, operation start

time in simulation 297)

되어 있다. 이때 WTIV의 제원은 ‘Pacific Orca’의 값을 참고하였다

^[12]

시뮬레이션을 수행하는데 있어서 가정한 내용 은 다음과 같다.

1) 선박의 이송/설치 작업은 유의파고와 최대풍 속의 영향만 받으며, 작업 중 실패는 일어나 지 않음

2) 선박의 이동 시간은 입력된 항로의 거리와 선속으로 계산

3) 선박의 이동 시간, 선적 시간, 이송/설치 작 업에서 고려된 시간외에 지체되는 시간은 없음 4) 이송/설치 비용은 소요되는 일수에 해당하는

용선료만 고려

Fig. 15는 10월 1일 WTIV에 선적을 시작하는 경우에 대한 시뮬레이션 결과이다. 총 이송 및 설 치에 소요되는 시간은 16일이며, 이 중 기상 상태

때문에 8일을 대기하였다. 시뮬레이션에서는 이송 및 설치 비용 산출을 위하여 이송/설치 선박의 상 태(operating/waiting)에 따른 용선료를 식 (2)와 같 이 반영하였다. 부가적인 초기비용은 없다고 가정 하여 전체 비용(total cost, ₩)은 운행용선료(dayrate,

₩/day)와 운행일수(operation date, day)의 곱에 대 기용선료(standby dayrate, ₩/day)와 대기일수 (standby date, day)의 곱을 더한 것으로 산출하였다.

Total cost = Dayrate× Operation date

+ Standby dayrate× Standby date (2) 시작 시간인 자정부터 24시간동안 연속적으로 대기 상태인 경우 대기에 해당하는 용선료를, 그 외의 경우에는 운행 용선료를 해당 일수에 곱하여 이송 및 설치비용을 산정하였다. 이에 따라 이송 및 설치비용은 약 48.5억원으로 예상되었다(3.65 억원/일×8일+2.42억원/일×8일=48.5억원).

같은 이송/설치 작업을 소형 잭업으로 수행한 결 과는 Fig. 16에 나타나 있다. 총 이송 및 설치에 소 요되는 시간은 28.4일이며, 이 중 기상 상태 때문 에 14일을 대기하였다. 대기 시간은 트랜지션 피 스를 설치할 때 나타났는데, 이는 잭업에 대한 파 고 제한이 WTIV보다 엄격하기 때문이다. 전체적 인 이송 및 설치비용은 37.3억원으로 추정되었다.

10월 1일에 WTIV와 소형 잭업을 이용하여 작 Fig. 14 Input data of scenario generator of simulation I

Fig. 15 Results of simulation I using WTIV

업을 시작하였을 경우를 비교하면, 소형 잭업을 사 용하였을 경우 이송 및 설치에 12.4일 더 소요되 었지만 비용은 11억원 절감된 것을 확인할 수 있었다.

이송 및 설치 시작 일시를 변경하여 WTIV와 소 형 잭업에 대해 수행한 결과 Fig. 17, Fig. 18과 같 은 결과를 얻을 수 있었다. 시뮬레이션 결과에 따 르면 WTIV의 경우 이송 일자를 10월 11일로 변

경함으로써 대기 시간을 줄일 수 있었으며, 용선 료도 약 17억 원 정도 절감할 수 있는 것으로 분 석되었다. 소형 잭업을 이용할 경우 작업 일수는 증가하였지만, 비용은 감소하는 것으로 나타났다.

5.3 시뮬레이션 II

앞 절의 시뮬레이션 I에서는 모노파일과 트랜지 Fig. 16 Results of simulation I using small jack-up

Fig. 17 Comparison of simulation I results using WTIV

션 피스의 설치만 고려하였다. 시뮬레이션 II에서 는 시뮬레이션 I을 확장하여 터빈까지 설치하는 것으로 구성하였다. 단, 이 과정에서 터빈 설치에 소요되는 시간이 상당하므로 설치 대상은 모노파 일과 트랜지션 피스에 터빈 1기까지 설치하는 것 으로 한정하였다. 시뮬레이션 II의 이송 및 설치 정보는 Table 4와 같다.

시뮬레이션 II의 이송 및 설치 시나리오는 Fig.

19와 같다. 모노파일과 트랜지션 피스를 거제에서 선적하여 제주로 이동한 후 이를 설치한다. 그리 고 다시 거제로 이동하여 터빈을 선적한 후 제주

로 이동하여 이를 설치한다. 모든 설치가 완료되 면 다시 거제로 복귀하게 된다.

시뮬레이션 모델은 앞의 시뮬레이션I의 모델에 서 터빈의 이송 및 설치를 고려하여 수정하였으 며, 시뮬레이션 I과 마찬가지로 WTIV를 이용하여 2013년 10월 1일에 이송 및 설치를 시작한다고 가 정하였다. 시뮬레이션 II의 결과는 Fig. 20과 같다 . 터빈 설치를 위한 기상 조건이 최대풍속 12 m/s, 최대유의파고 2.5 m로 엄격하기 때문에 이를 위 해 대기하는 시간이 긴 것으로 나타났다.

같은 시뮬레이션의 작업 시작 일을 10월 1일부 터 12월 20일까지 바꿔가며 WTIV와 소형 잭업이 투입되는 상황을 가정하여 시뮬레이션을 수행한 결과는 Table 5와 Fig. 21에 나타나 있다. WTIV나

Fig. 19 T&I scenario of simulation II Fig. 18 Comparison of simulation I results using small jack-up

Table 4 T&I information of simulation II Transport

route Geoje to Jeju (170 NM, 330 km) Starting

date & time 12:00 AM, October 1

^st

object

1 Monopile windturbine (monopile, transition piece and

windturbine) Installation

vessel

Wind Turbine Installation Vessel (WTIV) Small jack-up

Metocean data

Geoje and Jeju, Monthly report of marine data (Observed by Korea Meteorological

Administration)

Fig. 20 Results of simulation II using WTIV Table 5 Results of simulation II using WTIV and small jack-up

WTIV Small jack-up

Start date Time duration

Date duration

Waiting dates

Cost (M KRW)

Time duration

Date duration

Waiting dates

Cost (M KRW)

2013-10-01 399 16.6 7 5344 591 24.6 16 3074

2013-10-02 375 15.6 7 4979 567 23.6 15 2964

2013-10-03 351 14.6 6 4737 543 22.6 14 2854

M M M M M M M M M

2013-10-29 234 9.8 2 3404 263 11.0 2 1534

2013-10-30 210 8.8 1 3162 239 10.0 1 1424

2013-10-31* 186 7.8 0 2920 215 9.0 0 1314

2013-11-01* 176 7.3 0 2920 193 8.1 0 1314

2013-11-02* 176 7.3 0 2920 195 8.1 0 1314

2013-11-03* 176 7.3 0 2920 193 8.1 0 1314

2013-11-04 209 8.7 1 3162 231 9.6 1 1424

2013-11-05 198 8.3 0 3285 217 9.1 1 1424

2013-11-06* 184 7.7 0 2920 203 8.5 0 1314

2013-11-07* 179 7.5 0 2920 193 8.1 0 1314

2013-11-08 182 7.6 0 2920 327 13.6 4 1900

2013-11-09 289 12.1 4 4253 303 12.6 3 1790

M M M M M M M M M

2013-12-02 229 9.6 2 3404 253 10.6 2 1534

2013-12-03 205 8.6 1 3162 229 9.6 1 1424

2013-12-04* 181 7.6 0 2920 205 8.6 0 1314

2013-12-05* 176 7.3 0 2920 193 8.1 0 1314

2013-12-06* 186 7.8 0 2920 193 8.1 0 1314

2013-12-07* 176 7.3 0 2920 193 8.1 0 1314

2013-12-08* 186 7.8 0 2920 194 8.1 0 1314

2013-12-09 316 13.2 5 4495 333 13.9 5 1864

2013-12-10 292 12.2 4 4253 309 12.9 4 1754

*Optimum T&I execution plan (lowest cost)

소형 잭업 모두 10월 31일~11월3일, 11월 6일과 7 일, 12월 4일~8일에 비용이 최소로 되는 것을 확 인할 수 있었다. 이때 작업 일수의 경우 WTIV가 소형 잭업에 비해 적게 소요되어 유리하였으며, 비 용은 용선료의 차이에 의해 해당 일에 소형 잭업 으로 작업을 수행하는 것이 유리하였다.

6. 결론 및 향후 연구 계획

본 논문에서는 대단위 해상풍력발전 단지를 위 하여, 해상풍력발전의 이송과 설치 프로세스를 분 석하고 시뮬레이션으로 구성하였다. 다양한 이송 수단과 설치수단에 대한 개략 모델을 생성하고, 이 송 및 설치 시나리오에 대해서 이산사건 시뮬레이 션을 수행하기 위해, 이벤트 그래프 모델링 방법 으로 이송 및 설치 프로세스를 모델링하였다. 또 한, 선박의 제원과 해상환경을 시나리오 생성기를 통해 사용자가 정의할 수 있도록 모델과 분리하였 다. 시뮬레이션 결과로는 간트 차트를 활용한 이 송 및 설치 일정계획과 비용이 제시되었다.

이를 통하여 간단한 계산이나, 작업시간에 기상 상태에 따른 평균적인 가중치를 곱하여 시간 및 비용을 분석한 기존 연구에 비하여 보다 정교한 일정 계획 및 비용산출이 가능하였다.

향후 하부 구조물을 모노파일에서 재킷과 반잠 수식구조물로 확대하여 이송 및 설치 시뮬레이션 을 구성할 계획이다. 기상정보에 있어서도 장기와 중기로 계획 범위를 구분하여 장기예측을 위해서 통계적인 처리를 통하여 최대풍속과 최대유의파 고, 작업시간에 따른 웨더윈도우 계산 방법에 대

한 연구를 수행하여 적용할 예정이다. 중기 범위 의 시뮬레이션을 위해서는 미국해양대기관리처 (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)의 중기 예측 결과를 반영할 예정이다. 시 뮬레이션에서 산출된 이송 및 설치 시간, 비용은 향후 계획중인 반잠수식구조물의 파력-풍력 복합 발전플랫폼의 이송 및 설치 사례를 통하여 시뮬레 이션을 검증하고자 한다.

감사의 글

본 연구는 해양수산부의 해양청정에너지개발사 업 “10MW급 부유식 파력-해상풍력 연계형 발전 시스템 설계기술 개발” 과제의 지원으로 수행되었 으며, 연구비 지원에 감사드립니다.

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18. Thomsen, K., 2011, Offshore Wind: A Compre- hensive Guide to Successful Offshore Wind Farm Installation, Elsevier.

김 보 람

2008년 서울대학교 공과대학 조선 해양공학과 학사

2010년 서울대학교 공과대학 조선 해양공학과 석사

2010년~현재 서울대학교 공과대학 조선해양공학과 박사과정 관심분야: 조선CAD, 조선PLM,

Offshore T&I

손 명 조

2004년 서울대학교조선해양공학과 학사

2004년~2005년 한진중공업 특수선 선체설계팀 설계원

2013년 서울대학교조선해양공학과 박사

2013년 3월~8월 서울대학교해양시 스템공학연구소 선임연구원 2013년 9월~2014년 2월 서울대학교

해양시스템공학연구소연구조교수 2014년 3월~현재 한국선급 IT융합

연구팀 선임연구원

관심분야: 조선CAD/CAE/CAM, CAD/CAE 변환, Auto FE Model- ing, PLM, M&S

장 왕 석

2013년 서울대학교 공과대학 조선 해양공학과 학사

2013년~현재 서울대학교 공과대학 조선해양공학과 석박사통합과정 관심분야: 조선CAD/CAE, M&S

홍 기 용

1989년~1993년 Texas A&M Univ., Ocean Engineering 박사 1994년~1999년 한국기계연구원,

선임연구원

1999년~2001년 한국해양연구소, 선임연구원

2001년~현재 한국해양과학기술원, 책임연구원

2007년~2008년 한국해양연구원, 해양플랜트연구사업단장 2010년~2013년 한국해양과학기술

원, 해양플랜트연구부장 2010년~현재 선박해양플랜트연구

소, IEA-OES 집행위원회 대한 민국 대표

2014년~현재 선박해양플랜트연구 소, 선임연구부장

관심분야: 파력발전, 해상풍력 해양 공학

김 태 완

1996년 미국 Arizona State Unive., Computer Science 박사 1996년~1999년 미국 Siemens PLM

Software, Inc. (formerly SDRC) 소프트웨어 엔지니어

1999년~2001년 서울대학교 정밀기 계설계공동연구소 박사후연구원 2001년~2003년 세종대학교 디지털

콘텐츠학과 조교수

2003년~현재 서울대학교 조선해양 공학과 교수

관심분야: CAD, PLM, M&S, Dynamic Data Driven Forecasting