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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)

Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.28 No.6 pp.973-991
DOI : https://doi.org/10.7837/kosomes.2022.28.6.973

Development of a Calculation Model for an Optimal Safe Distance between Ship Routes and Offshore Wind Sites

Sung-Wook Ohn^*, Ho Namgung^**†

^*Ph.D. Mokpo National Maritime University, Mokpo 58628, Korea
^**Prof. Division of Navigation and Information System, Mokpo National Maritime University, Mokpo 58628, Korea

* First Author : ohnsw1012@mmu.ac.kr, 061-240-7817

^† Corresponding Author : ngh2009@mmu.ac.kr, 061-240-7162

Received September 30, 2022 Review October 26, 2022 Accepted October 28, 2022

Abstract

Globally, several countries with sea are using eco-friendly energy resources through offshore wind power development by overcoming the weak point of the existing power generation method. The sea has the advantage of being able to develop large scale wind farms in wide waters, but the installation of marine structures threatens the safe operation of vessels. Accordingly, a standard guideline for safe navigation by analyzing the mutual effects between ship routes and offshore wind site was presented by the PIANC. Nonetheless, the standard guideline calculated the same safe distance in all situations. Therefore, this study developed a calculation model for an optimal safe distance between ship routes and offshore wind sites by reflecting the ship’s maneuvering, encounter situations, environmental force, traffic density, offshore wind power generators, and channel types. As a result of the validation simulation, the developed model showed that the optimal safe distance was secured.

Key Words : Offshore wind site , PIANC , Channel types , Safe distance , Calculation model

선박 통항로와 해상풍력단지 간 최적의 이격거리 산정 모델 개발

온 성욱^*, 남 궁호^**†

^*목포해양대학교 박사
^**목포해양대학교 항해정보시스템학부 교수

초록

전 세계적으로 해상을 마주하고 있는 여러 국가들은 기존의 전력 생산방식의 단점을 극복하고 해상풍력 개발을 통한 친환경에 너지자원을 활용하고 있다. 해상은 넓은 해역에 대규모 풍력단지를 개발할 수 있는 장점이 있으나 해양구조물의 설치로 인해 선박의 안 전운항이 위협받고 있다. 이에 따라, 선박 통항로와 해상풍력단지 간 상호 미치는 영향에 대해 분석하여 선박이 안전하게 운항할 수 있도 록 PIANC에서는 표준 Guideline을 제시하였다. 그럼에도 불구하고, 표준 Guideline은 모든상황에서 동일한 이격거리를 산정하였다. 따라서 본 연구에서는 선회성능, 조우상태, 환경외력, 해상밀집도, 해상풍력발전기, 항로형태 등을 요소로 반영한 선박 통항로와 해상풍력단지 간 최적의 이격거리 산정 모델을 개발하였다. 개발된 모델 검증을 위한 시뮬레이션 결과, 운항 준비상태에 따른 입지 특성별 선회성능 크기 는 산정 모델에서 제시한 크기와 유사하였다.

키워드 : 해상풍력단지 , PIANC , 항로 형태 , 이격거리 , 산정 모델

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Funding:

1. 서 론

전 세계적으로 에너지자원의 유한성과 날로 심각해지는 환경오염에 대비하기 위해 전력 생산방식에서 친환경 에너 지자원인 신재생에너지로의 대전환이 이루어지고 있다. 기 후 위기에 따른 온실가스의 배출을 줄이고자 범지구적으로 국제사회가 합의하여 제21차 유엔 기후변화협약 당사국 총 회에서 파리기후협약이 채택되었다(Paris Agreement, 2015).

협약의 채택 이후, 각국은 2050 탄소중립 목표 기후동맹 에 가입하는 등 그 움직임이 활발해졌고, 대한민국 정부에 서도 그 흐름에 발맞추고자 재생에너지 3020 정책 발표 (2017)와 2050 탄소중립을 선언한 바 있다(2020).

신재생에너지는 고갈되지 않으며, 인류가 무한하게 활용 할 수 있는 무공해자원이다. 이 중, 바람을 활용한 육상풍력 발전은 지리적, 공간적 등의 문제가 있지만 해상풍력은 공 해상 넓은해역에 대단위 단지 건설이 가능하여 지리적, 공 간적 문제뿐 아니라 소음문제도 해결이 가능한 이점을 갖고 있으며, 이로 인해 점진적으로 해상으로 전환하여 그 한계 성을 극복하고 있다.

해상풍력을 통한 전력 생산의 효율성의 관점에서 볼 때, 입지 선정의 핵심요소는 풍황과 수심조건이다. 하지만 해상 풍력단지가 개발되는 특수성을 감안할 때 해상교통측면은 반드시 고려되어야 한다. 그 이유는 첫째, 해양구조물의 설 치로 인한 선박 운항에 지장을 초래하여 해양사고의 가능성 을 제거 또는 최소화하도록 안전 확보를 위한 대책 및 그 기 준이 마련되어야 하기 때문이다. 둘째, 해상은 공공으로 이 용가능한 공유수면이지만 이용자가 일정기간 동안 이용자 가 해양구조물 개발에 따른 점·사용으로 인해 선박이 우회 하여 하는 등 교통흐름의 변화가 예상되고 이로 인한 해역 이용자의 사회적 동의 및 합의가 있어야 하기 때문이다.

공공으로 이용 가능한 공유수면인 해상에 개발되는 해상 풍력단지는 선박의 통항이 빈번히 발생하는 해역에 풍력발 전기 설치로 인해 미치게 될 영향에 대해 선박의 안전확보 가 반드시 있어야 할 것이다. 이를 위해 통항 안전을 위한 가이드라인이 필요하고 그 가이드라인은 풍력발전기와의 충돌, 접촉 등의 사고를 예방하기 위해 통항금지수역 등이 될 것이다. 이에 따라 국내외적으로 해상풍력단지가 개발되 는 해역에서 통항선박의 안전을 위한 이격거리 설정과 관련 한 연구 및 가이드라인이 활발히 진행되고 있다.

국외의 국제수상교통시설협회(PIANC)에서는 IMO 표준 조 종성능을 기반으로 좌,우현에 따른 선회크기과 해양법에 관 한 국제연합 협약에 따른 안전수역의 크기를 제시하였다. 그리고 일본 국토교통성 항만국 지침(2015)에서는 자연재해 로 인해 풍력발전기가 붕괴될 때 발전기 수직높이와 풍력발 전기 후방에 발생하는 후류의 영향 중 큰 값을 적용토록 제 시하였다. 또한 영국 해양경비대(Maritime & Coast Guard Agency, MCA) 지침(2021)에서는 선박 레이더 화면 상에 나타 나는 풍력발전기의 영향에 기반하여 선박 점용영역이론을 적용하였다.

국내외적으로 진행된 연구에서는 크게 세가지 형태로 연 구의 결론을 도출하였는데, 첫째는 기존에 수립된 PIANC Guideline 등을 근거로 한 선회크기에 따른 최소 이격거리를 제시하였다. 둘째는, 충돌확률 모델을 활용하여 해상풍력단 지가 개발된 해역에서 AIS 데이터를 적용한 결과와 외력에 따라 표류가 발생할 때를 가정한 안전 이격거리를 산출하였 다. 마지막으로, 해상풍력단지의 개발 전후에 따라 발생한 이격거리의 크기 변화 등이 제시되었다.

PIANC Guideline에서는 선박의 종류와 입지 특성에 따른 선회 크기가 상이함에도 불구하고 모든 상황과 해역에 동일 한 크기를 적용하도록 하고 있다. 또한 일본 국토 교통성 지 침에서는 자연재해로 인한 붕괴 영향크기와 후류에 의한 영 향 즉, 풍력발전기가 갖고 있는 특성에만 의해 이격거리를 제시하였고 선박이 갖는 고유한 특성인 조종성능과 교통특 성 측면, 그리고 환경특성 측면이 고려되지 않았다.

선박 통항로와 해상풍력단지 간 이격거리 설정과 관련한 연구에서도 PIANC Guideline을 활용하여 선회크기에 기반한 안전 이격거리를 제시하였으나 선종과 입지 특성에 따른 주 기관의 준비 상태 등이 고려되지 않았다. 또한 단순히 해상 풍력단지 개발 전후를 비교하고 통항분리대와 방위표지 등 의 대책을 적용함으로써 일정 이격거리가 확보되었다라고 기술하였다.

향후 국내에서는 수심과 풍황 등의 조건이 양호한 서남해 권과 제주해역을 중심으로 개발이 예정되어 있고 선박의 통 항안전을 위해 일정 이격거리를 확보하여야 할 것이다. 이 에 따라 현재 국내에서는 해상교통안전진단 시행지침(MOF, 2022)에 따라 해상교통로와 해상풍력단지 간격 기준을 제시 하였으나 PIANC Guideline에서 IMO 표준 조종성능을 기반으 로 제시한 선회크기와 해양법에 관한 국제연합 협약에서 명 시한 안전수역 크기인 500m의 크기를 모든 상황과 해역의 위치에 관계없이 동일하게 적용하고 있는 상황이다.

그러나 PIANC Guideline과 PIANC Guideline을 준용한 국내 해상교통안전진단 시행지침의 주된 내용은 선박과 해상풍 력단지가 갖고 있는 다양한 핵심요소를 반영하고 있지 않은 한계점이 존재하고 있다. 먼저 선박은 선박의 종류에 따라 선회크기가 달라지고 운항 준비상태 즉, 개발 위치에 따라 주기관의 운항 상태가 다르고 주변의 지형적, 교통량에 따 라서도 선회 크기가 달라지게 될 것이다. 뿐만 아니라 선박 은 계획된 침로대로 운항하는데 있어 방해요소로 작용하는 환경외력 요소인 바람과 조류 등의 크기와 조우관계 여부 등의 요소가 반영되지 않았고 항로 형태에 따라 통항규칙 등을 고려할 때 이격거리의 기준점을 설정하여 그 시작점이 제시될 필요가 있다.

따라서 본 연구에서는 현행 국외의 안전규정 또는 지침에 서 제시하는 선박의 통항안전에 관한 기준이 안전 확보를 위한 수역의 크기를 결정하는데 다양한 요소를 반영하지 않 고 있다는 한계점을 지적하고 향후 국내 해역에서 대규모 해상풍력단지의 개발이 예정된 상황에서 선박이 해상풍력 단지와 충돌 및 접촉하지 아니하고 안전이 확보되도록 선박 과 환경외력, 교통환경, 풍력발전기의 기능과 형상, 개발 해 역의 위치 및 운항 준비상태를 고려한 선박의 속력 등 핵심 요소를 반영한 해상풍력단지와 선박의 통항 안전 모델을 제 시하였다. 향후 국내에서 수심과 풍황이 양호한 서남해권 해역에 대규모 해상풍력단지가 개발될 예정이므로 제시된 모델은 국내해역에서 개발된 해상풍력단지와 선박의 통항 안전 확보를 위한 지침으로 활용될 수 있을 것이다.

2. 선행연구 분석

해양과 인접한 세계 많은 국가들은 친환경 에너지자원인 해상풍력단지를 건설하고 있지만 반면에 해상을 이용하는 선박의 안전이 위협받고 있는 현실이다. 이에 따라 선박의 항로와 해상풍력단지 간 안전한 거리를 결정하고자 연구가 수행되었고 현재에도 많은 연구가 진행되고 있다. 지금까지 연구된 안전한 이격거리 설정은 통일된 하나의 기준은 수립 되지 않았고, 해상에 개발되는 풍력단지와 선박의 운항 관 점에서 볼 때 자연 환경, 선박의 조종성능, 교통 환경 등의 요소가 반영되지 않았다는 문제점이 있다. 영국 MCA(2021) 에서는 해상교통흐름 분포의 90 %를 통항로로 정의하고, 레 이더에 나타나는 터빈의 영향을 기반으로 선박 점용영역 이 론을 적용하여 통항분리대 경계까지 1 nautical miles의 거리 가 허용 가능한 최소 거리라고 제안하였다. 영국의 NOREL Group(2013)에서는 항로와 해상풍력단지 경계사이에 2NM의 이격거리가 주어져야 한다고 추정하였다. PIANC Guideline (2018)에서는 해상풍력단지가 설치된 해역에서 통항선박 간 또는 기타 다른 사유로 인해 풍력단지와 충돌을 방지하기 위한 좌/우현으로의 선회에 따른 필요 공간을 제시하였다. 그 크기는 풍력단지를 자선 우측에 두고 있을 때에는 6L+0.3NM+500m, 좌현에 두고 있을 때에는 6L+500m의 크기 로 제시하였다. 여기에서 6L은 선박길이의 6배로, IMO 표준 조종성능에서 전타 선회 시 선박길이의 5배를 초과하지 않도 록 규정하고 있지만, 운항자의 심리적 여유를 감안한 1L의 크 기를 추가하였고 0.3NM은 우선회단추진기선의 특성에 따른 Kick 현상을 반영한 크기로 약 0.3NM의 크기로 추정하였다. 또한 500m는 해양법에 관한 국제연합 협약(United Nations Convention on the Law of the sea, UNCLOS)에서 제시한 안전 수역의 크기를 나타낸다(1982). Rawson and Rogers(2015)는 영국 해역에서 풍력단지 개발 전 대비 통항분리수역 및 방위 표지를 적용 및 설치함으로써 풍력단지 경계로부터 충분한 이격거리가 확보되어 영국 MCA에서 규정한 최소 안전 이격 거리인 1NM 이상 확보가 되었다고 분석하였다.

Wawruch and Stupak(2011)는 폴란드 수역에 개발된 풍력단 지를 대상으로 통항한 선박의 AIS 데이터를 적용하여 충돌확 률 모델들을 활용하였다. 풍력단지 경계선과 0.5NM 거리의 단위로 분포한 비율을 토대로 충돌확률을 산정 후 상호 비교 분석하였다. Son et al.(2019)은 선박의 AIS Data를 기반으로 길이 등 선박 제원을 분석하고 안전 이격거리 설정에는 IMO 선회경 기준과 PIANC Guideline에서 제시한 이격거리 관련 사항을 활용하여 해양시설물과 선박 간 안전 이격거리 기준 을 선정하였다. Gao et al.(2022)은 중국 해역에 개발된 해상풍 력단지와 선박 통항로 간 안전 이격거리에 대한 정의를 해당 해역에서 통항한 선박이 일정 속력으로 운항하는 중 해상 및 기상환경 조건인 바람, 조류, 파고 등 외력에 의해 이로가 발 생하고 이에 따른 허용 충돌확률 모델을 결합하여 안전 이격 거리를 제안하였다. Yu et al.(2020)는 AIS Data를 기반으로 해 상풍력단지 개발 전후로 통항한 거리를 통계 분석하였고, 풍 력단지 개발 후에는 통항로의 형태 및 통과거리가 변화하여 최소 통과거리는 0.5NM 이상을 유지하였다고 분석하였다.

3. 최적의 안전 이격거리 산정 모델 개발

해상풍력단지와 선박이 충돌, 접촉 등 해상사고가 발생하지 않고 통항안전을 확보하도록 규정한 국외의 규정과 지침, 그리 고 관련 연구에서는 고려하여야 하는 선박과 환경 외력요소, 그 리고 교통환경 요소 등이 반영되지 않았다. 그리고 하나의 선회 성능 기준으로 모든 해역에 동일하게 적용하고 있는 상황이다. 본 연구에서는 해역의 위치 특성에 따라 결정되는 선박의 즉각 적인 기관사용의 여부, 그에 따른 선속과 조종성능 차이에 따른 비상상황 발생 시의 대처능력, 환경외력의 조건, 해상교통밀집 도에 따른 교통 혼잡도 조건 등 선박과 해상환경 조건, 그리고 항로 형태의 특성에 따른 실제적인 선박의 가항 통항로 경계 기준을 적용한 최적의 이격거리 산정 모델을 제시하였으며, Fig. 1은 모델을 제시하기 위한 연구의 흐름을 나타낸다.

3.1 운항 준비상태에 기반한 선박 선회성능

선박은 일반적으로 운항 중에 전타를 이용한 선회조종은 잘 발생하지 않지만 교통량이 많아 횡단관계를 비롯한 다중 조우관계 발생 및 이에 따른 비상 상황으로써 선박 간 박근 상황이 발생하였을 때에는 급선회를 통한 회피 조종이 가장 현실적이고 안전한 방법 일 것이다.

해상풍력단지는 효율 측면을 고려할 때 항만과 충분히 이 격된 외해 통항해역에 개발되기도 하지만 경제성 측면인 수 심과 접근 용이성을 고려할 때 항만과 인접한 접근수역에 개발된다. 이 수역에서는 교통량이 복잡할 뿐만 아니라 지 형적인 특성에 따라 주변 가항수역이 극히 제한되므로 안전 이격거리 설정에는 360° 선회에 따른 크기를 적용하는 것은 오히려 충돌 및 좌초 등의 위험한 상황이 발생하게 될 것이 다. 따라서, 주기관의 즉각적인 사용 여부가 결정되는 해역 의 특성에 따라 선박 선회성능의 크기가 달리 적용되어 할 것이다.

3.1.1 항만 접근수역에서의 선회에 따른 안전 이격거리

항만 접근수역에서는 지형적 특성과 해상교통량 등에 따 른 교통측면을 고려할 때 자선을 둘러싼 물리적 가항수역이 극히 제한되므로 360° 전타 선회를 통한 회피 운항은 오히려 위험한 상황이 전개될 것이다. 이 수역에서는 가항수역의 제한으로 인해 해상풍력단지 외곽 경계와 통항선박의 이격 거리를 결정하는데 해당해역을 통항하는 최대 선박의 선회 경을 적용하는 것은 합리적이지 않을 것으로 판단된다. 따 라서 이 수역에서의 선박 통항 안전 이격거리는 운항자 관 점에서 타 선박 또는 고정물표 등으로부터 안전하게 운항하 기 위해 일정한 거리를 유지하는 범퍼이론 중 선박 점용영 역(Ship Domain) 이론을 적용하였다. 풍력단지는 고정된 물 표이므로 자선의 조종만으로 그 영역을 유지할 수 있지만, 항만 접근수역 내에서 조우하는 타선과의 관계에서 충돌을 회피하기 위해 변침 행위가 발생할 때 영역의 크기가 변화 할 수 있다. 이 영역은 다양한 연구자들이 과거에 실제 해역 에서 운항하였던 선박의 항적을 바탕으로 통계적 방법 또는 운항자들의 의식 설문을 통한 그 크기와 형태를 제안한 바 있 다. Fujii(1971)가 제안한 점용영역에서 횡 방향에 대한 크기에 대해 외해 통항해역에서 항만으로 접근하는 수역인 Tokyo bay 내 Uraga channel에서 실측을 통한 횡방향 영역에 대한 관 계식을 3L±0.5L로 제안하였고, 그 평균 값은 3.2L로 도출된 바 있다. 또한, Fujii(1971)의 점용영역을 검증하기 위해 수행된 Hansen et al.(2013)의 연구에서도 대상해역이 교통량이 상당하 고 항로 폭이 극히 제한된 해역에서 실측한 자료를 바탕으로 운항자의 관점에서 가장 안정감있는 영역의 크기가 3.2L로 도출되어 그 신뢰성이 입증되었다. 따라서 본 연구에서도 항 만 접근수역에서의 선회에 따른 안전 이격거리의 크기는 선 박 점용영역에서 Fujii(1971)가 제안하고 Hansen et al.(2013)이 입증한 검증결과에 따른 횡 영역 크기인 3.2L을 제안하였다.

3.1.2 외해 통항해역에서의 선회에 따른 안전 이격거리

외해 통항해역과 항만 접근수역에서 운항 상황에 대한 가 장 큰 차이는 속력의 차이에 있다. 외해 통항해역에서는 R/up Engine된 상태로 최대속력을 유지하며 일정하게 형성된 경로대를 따라 운항하게 된다. 외해 통항해역에서는 항만 접근수역과 달리 가항수역이 넓어 회피 조종에 큰 제한을 받지 않으므로 운항자는 시간적 여유가 있으나 운항자의 과 오로 인해 충돌에 임박한 상황이 발생하였다면 전타를 이용 한 360° 선회를 통한 충돌 회피가 이루어져야 한다. 이처럼 외해 통항해역은 가항수역의 폭이 항만 접근수역에 비해 상 대적으로 제한받지 않는다는 점을 고려하여 최대 조건인 선 회를 통한 이격거리의 적용이 모든 상황에서 해상풍력단지 와 안전한 통과가 가능할 것이다.

외해 통항해역에서의 선회에 따른 통항 안전거리는 실제 선박이 외해 통항해역에서 시운전 시 나타난 선회경의 크기 를 선종별로 분석하고 요구되는 선회 크기만큼의 이격거리 를 외해 통항해역에 개발된 해상풍력단지와의 이격거리 크 기 기준에 반영하였다. 선회 크기 반영을 위해 (사)한국선급 에 등록된 국적 선박 중 일부 선박의 시운전 성적표를 분석 하였다. 선종별로는 산적화물선 32척, 컨테이너선 22척, 자동 자운반선 6척, 위험화물운반선 40척, 여객선 8척 및 기타선박 21척 등 총 129척이다. 각 선종별로 선회경의 크기를 검토하 였고, Table 1은 선종별 좌/우현의 선회경 크기를 나타낸다.

선종별 좌/우 선회에 따른 그 크기를 검토한 결과, Bulk carrier에서 최대 선회크기가 최대 3.7L, Dangerous goods의 경 우 4.5L, Container ship에서 5.4L, Passenger ship 4.4L, Gas carrier 4.2L, PCTC에서 3.9L 및 Other ship에서 4.0L로 조사되 었고, 좌/우현 선회크기는 최소 0에서 최대 0.7L까지 차이가 나는 것으로 검토되었다. 외해 통항해역에서 선종에 따른 선회경의 크기가 다른 이유는 컨테이너선의 경우, 방형비척 계수(C_b)가 상대적으로 작고 선회 Moment에 대한 관성 Moment가 크며 회두에 대한 수저항 Moment가 크므로 선회 경이 큰 것으로 분석된다.

선종별 시운전 분석 결과에 따라 외해 통항해역에서 선회 에 따른 통항 안전거리는 Container ship의 경우 5.0L, Dangerous goods의 경우 자선이 운항 중 우현에 풍력단지를 우현에 두고 있는 상황을 고려할 때 우선회 시 나타난 최대 선회경인 4.0L을 적용한다. 단, Dangerous goods 선박의 경우 에는 화물의 특성상 화재, 폭발, 해양오염 등 인명, 재산피해 를 고려하여 1.0L을 가산한 5.0L을 제시한다.

따라서, 외해 통항해역에서의 선회에 따른 안전 이격거리 의 크기 기준은 선종별로 다음과 같이 제시한다.

Container ship : 5.0L
Dangerous goods ship : 4.0L + 1.0L
Others ship : 4.0L

3.2 선박 조우상태에 따른 크기의 변화

PIANC Guideline에서 해상풍력단지를 우현에 두고 있을 때 필요한 선회 공간의 크기는 좌현에 두고 있을 때의 크기 에 0.3NM(556m)의 크기를 추가하도록 제시한 바 있다. 이는 우현의 경우 선회가 즉시 이루어지지 않고 원 침로로부터 약간의 이로가 발생하게 되는데 그 크기를 약 0.3NM로 추정 하였다. 하지만 이 크기를 선종 및 크기와 관계없이 동일하 게 적용하였고 실제 선박의 좌/우 선회경의 크기를 보더라 도 길이가 265m인 컨테이너선에서 우선회의 크기가 좌선회 보다 불과 0.17NM 더 크게 나타났으며 위험화물운반선과 여 객선에서는 오히려 좌선회가 더 크게 나타나는 것으로 검토 되었다. 과거에는 대부분의 선박이 우선회 고정피치 단추진 기가 장착되었으나 점차 가변피치 추진기선도 확대되어 운 용 중이다. 무엇보다도 선회 시험을 하는 해역의 바람과 조 류 등의 기상 및 해상환경 조건에 따라 크기에 영향을 많이 미칠 것이므로 우선회의 크기에 0.3NM(556m)의 추가 이격거 리를 가산하는 것은 타당하지 않다고 판단된다.

다만, 항만 접근수역과 같이 추월과 마주치는 상태를 제 외하고 횡단 관계에서는 국제해상충돌예방규칙(COLREGs, 1972)에서 규정한 항법관계를 따를 때, 우측 전방 타선의 홍 등을 보는 선박이 피항선임에 따라 우현 변침을 통해 타선 좌현 선미를 항과 하도록 하고 있으므로, 선박이 횡단관계 가 발생하는 해역에서는 운항자의 심리적 불안 해소를 위해 시간적 안전 여유를 반영하는 것이 바람직하다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는 횡단 상황이 발생하는 해역에 대해서 는 추가적으로 최대 통항선박의 길이(1.0L)를 안전 이격거리 에 추가적으로 확보하는 것을 제시한다.

3.3 환경외력의 영향

항해계획 시 수립한 침로로 운항 중 발생하는 외력 (External forces)은 원 침로로부터 이로를 발생시키는 요인이 다. 여기에서 외력은 해상과 기상환경 요소로서 바람(Wind) 과 조류(Current)이다. 바람은 수면상 노출된 구조물을, 조류 는 수면하 침수된 하부구조물을 밀어 풍압 및 유압차를 발 생시켜 압류가 일어나게 된다. 환경외력의 크기는 전 세계 해역별로 외력의 방향과 그 세기가 각각 다르게 나타나므로 특정 해역에서의 해당 방향과 세기를 선택적으로 적용할 필 요가 있다. 이에 따라 본 연구에서는 PIANC Rule(2014)의 추 가 항로 폭(Additional width W_i for strait channels sections)을 준 용하여 각 해역에서 우세하게 발생하는 종/횡 방향에 대한 바람 및 조류의 세기를 선택적으로 적용하도록 제시한다.

또한, 해상환경 중 해역의 수심 크기와 선박의 흘수비인 h/d는 선박의 조종성능 중 특히 선회크기에 큰 영향을 미치 기 때문에 환경외력에 따른 영향 중 추가 이격거리 설정에 반영하였다. Table 2는 바람과 조류, 그리고 수심/흘수비(h/d) 에 따른 크기와 기준을 나타낸다.

3.4 해상교통밀집도의 영향

선박과 해상풍력단지 간 최적의 이격거리 산정 모델 제시 를 위한 평가 요소에서 교통밀집에 따른 혼잡도 영향을 고 려할 필요가 있다. 선박이 동 항로상에 같은 방향으로 운항 하는 주변 선박으로 인해 추월/피추월 관계가 형성되고 이 에 따른 피항영역이 필요하기 때문이다. 뿐만 아니라 양방 향 교행이 가능한 일반 지정항로에서 마주치는 관계까지 형 성되기 때문에 좌현 대 좌현 항법을 준수하기 위해 우현 변 침이 수반되므로 이에 따른 횡방향의 점유크기가 고려되어 야 할 것이다.

해상풍력단지는 개발되는 해역의 특성상 일부 해역은 대형 선박이 수회 통항하는 반면 길이가 작은 소형 선박이 통항하 되 거의 흐름이 없는 해역 또한 존재한다. 이러한 차이를 고 려할 때, 해상교통밀집도의 영향이 반영될 필요가 있다. 길이 변수에 따라 선회경의 크기가 달라지고 통항 횟수에 따라 조 우하는 횟수 또한 달라질 것이다. 해사안전법 시행령 [별표 2 의3] 안전진단대상사업의 범위(2020)에서는 그 대상사업의 범 위가 총 5가지로 구분된다. 이 중, 해상풍력단지 개발의 경우 ‘수역에 설치되는 교량·터널·케이블 등 시설물의 건설·부설 또는 보수’에서 공유수면 점용·사용의 허가를 받아야 하는 시 설물을 설치하는 사업에 해당한다. 그리고 길이 100 m 이상의 선박이 통항하는 수역에서 일평균 4회 이상 통항하는 조건을 명시하고 있다. 이는 개발 수역의 규모와 크기 측면에서 선박 의 크기 기준을 정하도록 하고 있는 것이다. 그러나 현재 해 상풍력단지가 개발되는 경우인 ‘수역에 설치되는 교량·터널· 케이블 등 시설물의 건설·부설 또는 보수’의 경우 선박의 길 이와 횟수에 대한 조건이 명시되지 않았다.

이와 같이 실제적으로 해상풍력단지가 개발되는 인근 해 역의 교통 특성을 고려할 때 선박의 통항은 발생하며 통항 선박의 크기와 횟수의 증감에 차이만 존재하므로 명확한 기 준을 제시할 필요가 있다. 이에 최적의 이격거리 산정 모델 에서 제시하는 해상교통밀집도의 영향에 대해 해상교통안 전진단 대상사업 범위에서 명시하는 길이 100 m 이상의 선 박이 일평균 4회 이상 통항하는 경우, 대상해역에서 통항한 선박 중 최대크기의 선박을 적용한 1.0L의 추가 이격거리를 적용하는 것으로 제시한다.

3.5 해상풍력발전기 기능과 형상에 따른 크기

풍력발전기의 날개는 바람에 의해 회전하며 이때 날개의 회전면을 통과하면서 풍속은 감소하고 난류(Turbulence)가 증 가하게 된다. 후방의 풍력발전기는 감소된 풍속과 증가된 난류에 의해 그 효율이 저하될 수밖에 없다. 이처럼 후방에 풍속이 감소하고 난류가 증가한 영역의 기류를 후류(Wake) 라 하며, 효율 감소를 방지하기 위해 일정한 간격을 두고 설 치하도록 하고 있다. Ainslie(1988)는 후류로 인한 최대 풍속 의 손실이 1D ~ 2D의 영역에 위치한다고 예측하였다. 여기에 서 D란 회전날개의 직경을 의미한다.

또한 Crespo et al.(1999)는 2D ~ 5D 사이에서 경계선 밖의 풍속과 경계선 안의 후류와 혼합되는 구역이 허브 중심축까 지 확대되면 근접후류가 지속되는 구간이 끝나게 된다. 즉, 2D 미만의 영역에서는 풍속 최대 손실구간이 되고 2D ~ 5D 미만의 구간에서는 바람의 최대 손실구간은 벗어났으나 어 느 정도의 근접 후류의 영향이 미치는 구간이다.

후류는 풍속이 감소하는 대신 난류를 증가시킴으로써 공 기가 소용돌이를 일으키며 불규칙한 현상을 나타낸다. 이 때 상승 또는 하강기류를 형성하며 이 구간에서 통항하는 선박은 침로를 이탈시키는 원인이 될 것이다. 이에 따라 최 외곽에 개발된 풍력발전기로부터 후류의 영향을 벗어나는 구간 만큼의 영역을 안전 수역의 크기로 지정할 필요가 있 다. 이에 최적의 이격거리 산정 모델에서 제시하는 해상풍 력발전기의 기능과 형상에 따른 안전수역의 크기는 Ainslie 의 연구 결과와 일본 국토교통성 항만국 지침에서 제시한 후류에 의한 영향 범위인 회전날개 직경의 2배에 달하는 2D 의 크기를 안전수역의 크기로 제시한다. 단, EEZ에 개발되는 해상풍력단지의 경우, 해양법에 관한 국제연합 규정에 의거 하여 500 m의 크기로 제시한다.

3.6 항로 형태별 기준점 설정

해상풍력단지가 개발되는 해역이 크게 통항분리대(TSS), 일반 지정항로 및 항로가 지정되지 않은 일반 수역으로 구 분됨에 따라 각 개발위치에 따른 항로 형태에 대한 통항 규 칙 또는 항적 분포를 기반으로 안전 통항거리 기준점을 제 안한다.

3.6.1 통항분리대(TSS) 인근 개발 해역

국제해상충돌예방규칙(COLREGs, 1972) Rule 10(Traffic Separation Schemes) (b)항 (ii)호에서는 통항분리대(TSS)에서 통항하는 선박은 되도록 완충지대인 통항분리대 또는 항로 끝단인 통항분리선으로부터 떨어져 통항하도록 규정하고 있다. 이 의미는 좌/우측 경계선으로부터 멀리 떨어져 통항 한다는 뜻이고, 운항자 관점에서 심리적 안정을 고려할 때 정중앙에서 통항하는 상황을 고려하여 이 지점을 기준으로 삼을 수 있을 것이다. 그러나 통항분리수역 내에서는 일렬 종대 통항하지 않고 추월상황이 언제든지 발생하므로 우측 분리선으로부터 멀리 떨어지면 우현 선미의 추월선으로 인 해 긴급 상황 시 전타를 이용한 우현선회가 차단될 것이다. 반대로 좌측 분리대에서 되도록 멀리 떨어지면 피추월선은 자선의 좌현측으로 추월이 가능하고 긴급상황 발생 시 자선 은 전타를 이용한 우현 선회 시 필요한 거리만큼 이격거리 를 설정할 수 있을 것이다.

하지만 국제해상충돌예방규칙(COLREGs, 1972)을 포함한 어느 법규에서도 통항분리수역 내 어느 위치에서 통항하여 야 한다라는 규정은 존재하지 않는다. 이에 따라 통항분리 수역 내에서 이격거리 기준점을 설정하기 위해 실제 통항분 리수역 내 선박이 어떠한 형태로 통항하는지 항적을 분석하 였다. Fig. 2와 같이 대한민국 서해 대규모 해상풍력단지가 조성될 전라남도 해역 우이도 서측으로 약 9해리 이격된 매 물수도 통항분리대를 대상해역으로 선정하였다. 통항선박의 AIS 항적 분석은 연속된 7일에 대한 2개 분기(2019.09.13.~19., 2020.01.10.~16.)인 총 14일 기간에 대해 분석을 수행하였다. 이 통항분리대는 항로 폭이 2.7km이고 중앙의 통항분리대 폭은 2.4km인 것으로 검토되었다.

Fig. 3 ~ Fig. 4는 각 분기별 매물수도 통항분리대 수역에서 통항한 선박의 항적을 나타내며, 이 중 항로를 벗어난 항적 은 분석에서 제외하였다.

선박 크기 기반의 요소는 선박 길이와 톤급이며, 길이와 톤급은 상호 비례할 것이다. 길이 요소에 기반할 때 특정 기 준점의 위치가 적용하는 선회경 크기에 따라 안전을 위해 이격하여야 하는 최외곽 풍력발전기의 개발 위치가 변화할 것이고 최대 크기의 선박을 적용할 때 그 차이는 매우 클 것 이다. 이 통항분리수역에서 통항한 선박의 크기를 분석하기 위해 Fig. 5와 같이 톤급별로 4개 구간으로 구분하였고 선박 이 통항한 위치 지점을 나타내었다.

Fig. 5에서 가로축은 통항분리수역 항로 폭이 2.7km임에 따 라 항로 중앙을 ‘0’으로 하고 50m 간격으로 계급 구간을 설 정하였다. ‘－’방향인 왼쪽으로 갈수록 통항분리대와 가까워 지고 ‘＋’방향인 오른쪽으로 갈수록 통항분리선과 가까워진 다. 세로축은 각 계급구간 내 통항한 선박의 수를 나타낸다.

이 수역 내에서 선박이 통항한 위치를 톤급별로 분석할 때 3천 GT 미만, 3천 GT 이상 ~ 1만 GT 미만, 1만 GT 이상 ~ 5만 GT 미만 및 5만 GT 이상 선박 등 모든 구간에서 전반 적으로 항로 중앙에서 약간 우측(통항분리선 끝단으로부터 약 4/10지점)에서 통항한 경향을 보이고 있다. Fig. 6은 최대 톤급 구간인 5만 GT 이상 선박의 통항 위치를 나타낸다. 5만 GT 이상 선박이 항행한 위치 분포에서도 약간의 우측에서 운항한 경향을 나타내고 있다. 통항한 선박 중 최대 크기의 선박은 항로 중앙에서 약간 좌측(통항분리선 끝단으로부터 약 7/10지점)에서 통항한 12만 TEU급 Container(LOA: 334m)선 박 이었다.

통항분리대 수역에서는 언제든지 추월상황이 발생할 수 있고 이에 따른 추월선의 우현 변침에 따른 횡 방향 이격거 리가 고려되어야 할 것이다. 이와 더불어 통항분리수역이 종료되는 지점 인근에서 횡단 관계까지 발생할 경우 충돌예 방규칙에 따른 피항선의 지위에 따른 회피 운항까지 이루어 져야 함을 고려할 때 통항분리선 끝단으로부터 1/4지점을 이 격거리 기준점으로 지정하는 것이 타당할 것으로 판단된다. 이에 따라 해상풍력단지가 통항분리수역 인근에 개발된 경 우, 이 수역에서 통항하는 선박의 기준점은 통항분리선 끝 단으로부터 1/4지점을 이격거리 기준점으로 제시한다.

3.6.2 일반 지정항로 인근 개발 해역

국제해상충돌예방규칙(COLREGs, 1972) Rule 9(Narrow Channels) (a)항에서는 좁은수로나 항로를 따라 항행하는 선박은 항행 의 안전을 고려하여 될 수 있으면 오른편 끝쪽에서 통항하 도록 규정하고 있다. 오른편 끝 쪽은 항로에서는 항로 경계 선이고, 좁은수로에서는 가항수역 폭 우측 끝단을 의미한다.

항로 또는 좁은수로에서는 통항분리수역과 달리 선박 진행 방향의 구분이 없으며 양방향 교행이 가능하므로 반대방향에 서 진행하는 선박과 운항에 지장이 없도록 항로 우측에서 통 항하도록 하는 것이다. 국제해상충돌예방규칙(COLREGs, 1972) 에서 규정한 규칙에 따라 실제 항로에서 선박은 어떠한 형태 로 운항하는지 확인하기 위하여 풍력단지를 우측에 둔 상황 을 가정하여 반대 방향에서 진행하는 선박을 제외하고 자선 우측에서 풍력단지를 바라보고 진행하는 선박으로 한하여 항 적을 분석하였다. 대상해역은 Fig. 7과 같이 대한민국 무역항 중 목포항 진입수로에 지정된 시하해 항로를 대상으로 하였 다. 통항선박의 AIS 항적 분석은 연속된 7일에 대한 2개 분기 (2019.09.13.~19., 2020.01.10.~16.)인 총 14일 기간에 대해 분석을 수행하였다. 이 항로는 폭이 0.8km인 것으로 검토되었다.

Fig. 8 ~ Fig. 9는 각 분기별 매물수도 통항분리대 수역에서 통항한 선박의 항적을 나타내며, 이 중 항로를 벗어난 항적 은 분석에서 제외하였다.

Fig. 8 ~ Fig. 9와 같이 일반 지정항로에서 통항한 항적 중 파란색 항적은 인근 도서지역을 운항하는 소형 여객선인 차 도선 및 쾌속선 인 것으로 나타났다. 이러한 항적은 항로를 온전히 따라 운항하지 않고 단축 항해(Short cut)를 하고 있 다. 본 절에서는 이와 같이 항로 내에서 통항한 선박의 항적 분포를 분석하고자 하므로 항로를 따라 통항하지 않은 선박 은 분석에서 제외하였다. 일반 지정항로에서도 통항분리수 역과 같이 항로 내에서 통항한 선박의 크기별로 항적 분포 를 분석하기 위해 Fig. 10과 같이 톤급별로 4개 구간으로 구 분하였고 선박이 통항한 위치 지점을 나타내었다.

Fig. 10에서 가로축은 항로 폭이 0.8km임에 따라 항로 중 앙을 ‘0’으로 하고 20m 간격으로 계급 구간을 설정하였다. ‘－’방향인 왼쪽으로 갈수록 항로 좌측 끝단과 가까워지고, ‘＋’방향인 오른쪽으로 갈수록 항로 우측끝단과 가까워진다. 세로축은 항로 폭에 대한 각 계급구간에서 통항한 선박의 수를 나타낸다. 이 수역 내에서 선박이 통항한 위치를 톤급 별로 분석할 때 3천 GT 미만, 3천 GT 이상 ~ 1만 GT 미만, 1 만 GT 이상 ~ 5만 GT 미만 및 5만 GT 이상 선박 등 모든 구 간에서 전반적으로 항로 끝단에서 약간 우측(약 3/8지점)에 서 통항한 경향을 보이고 있다. Fig. 11은 최대 톤급 구간인 5만 GT 이상 선박의 통항 위치를 나타낸다. 5만 GT 이상 선 박이 항행한 위치 분포에서도 항로 우측에서 통항한 경향을 나타내고 있다. 통항한 선박 중 최대 크기의 선박은 항로 끝 단으로부터 약 100m 이격한 약 1/8지점에서 통항한 7만 GT 급 PCTC(LOA: 200m)선박 이었다.

항로가 지정된 수역에서도 통항분리수역과 동일하게 추 월상황이 언제든지 발생할 수 있는 점과 양방향 교행에 따 른 좌현 대 좌현 항법의 준수를 위한 우현변침이 수반되므 로 이에 따른 횡 방향 안전 이격거리를 고려할 때 항로 끝단 을 이격거리 기준점으로 지정하는 것이 타당할 것으로 판단 된다. 따라서 해상풍력단지가 항로가 지정된 수역 인근에 개발되는 경우, 항로 끝단을 이격거리 기준점으로 제시한다.

3.6.3 일반수역 및 배타적 경제수역(EEZ)

항로 등이 지정되지 않은 넓은 가항수역에서는 통항과 관 련한 규칙 또는 지침이 존재하지 않는다. 통항분리수역 또 는 항로가 지정된 수역에서는 일부 통항규칙과 통항 항적분 포를 기반으로 이격거리 기준점을 합리적으로 제시할 수 있 으나 항로가 지정되지 않은 일반 수역에서는 과거 통항하였 던 경로대만 존재하므로 기준점 설정이 모호할 수 있다. 항 로가 지정되지 않은 일반 수역에서 기준점의 설정에 대한 핵심사항은 경로대 내에서 통항한 선박 중 최근접하여 통항 한 선박을 대상으로 삼을 것인가 또는 길이 기반에 따른 최 대 크기의 선박을 적용할 것인가 이다.

선박의 길이는 톤급에 비례하며, 최대 크기의 선박을 적용 하게 되면 산출되는 선회 크기도 커지게 되므로 요구되는 안 전 이격거리 크기 또한 증가하게 될 것이다. 따라서 가장 최 악의 상황을 고려할 때 모든 길이의 선박에 대해 긴급 상황 이 발생 시 충돌 및 접촉하지 아니하고 안전하게 항과가 가 능할 것이다. 통항선박이 일정한 경로대를 형성하고 있을 때 최근접한 선박을 대상선박으로 삼을 때 최대 크기의 선박이 아닐 경우에는 선박 길이에 비례하는 선회 크기가 상당히 작 게 적용될 수 있는 불합리한 경우가 발생할 수 있다. 따라서 경로대 내에서 통항한 선박 중 최근접하여 통항한 선박과 최 대 크기의 선박에 대한 핵심 변수에 대한 합리적인 기준을 도출하기 위해 MCA에서 발간한 Marine Guidance Note 654에 서 제시한 일반수역에서의 이격거리 기준점을 채택하였다.

MCA의 Marine Guidance Note 654에서는 일정하게 정형화된 통항경로대의 경우 항적 분포에서 좌우 5 % 구간을 제외한 90 % 통항구간을 항로 폭으로 간주하여 이격거리 기준점으 로 설정하고 이 경로대 구간 중 최대 크기의 선박을 대상선 박으로 지정하고 있다. Fig. 12는 일반 수역 및 배타적 경제수 역(EEZ)에 개발된 해상풍력단지 최외곽에 개발된 해상풍력 발전기와 통항선박의 안전 이격거리 기준점을 나타낸다.

3.7 선박과 해상풍력단지 간 최적의 이격거리 산정 모델 제시

해상풍력단지가 개발되는 입지 조건은 수심을 고려한 경제 성과 접근 용이성, 그리고 바람자원을 고려한 효율성이다. 이 두가지 측면이 적절히 조율하여 배치한다. 그러나 해상에 개 발되는 특수성을 감안할 때 해상교통특성을 고려해야 할 것 이다. 특히 영해 내 연근해해역과 항만으로 접근하는 수역에 서는 해상교통량이 상당하며 이에 따라 안전을 위해 항로의 지정과 통항흐름을 구분한 통항분리수역이 지정되었다. 이와 같이 해상풍력단지는 입지특성에 따라 크게 항만 접근수역과 외해 통항해역으로 구분될 수 있고 이는 선박의 운항준비상 태 즉, 주기관을 즉시 사용가능한 상태인 Stand by engine 상태 인가 혹은 Sea speed로 운항하는 Rung up engine 상태인가에 따 라 회피 운항을 위한 시간적, 그리고 공간적 점유 크기가 크 게 달라질 수 있다. 또한 통항분리대, 일반 지정항로와 항로가 지정되지 않은 일반 수역 인근에서도 개발되는 점을 감안할 때 항로 형태 특성에 따른 통항규칙과 통항패턴을 반영하여 기준점을 설정한 최적의 이격거리 산정 모델 제시가 필요하다.

이에 따라 본 연구에서는 해상풍력단지 인근에서 통항하 는 선박의 안전 확보를 위한 모델 개발에 안전 이격거리 평 가요소로 위치 특성에 따른 즉각적인 주기관 사용 여부에 따른 운항 준비상태, 선속과 조종성능 차이에 따른 비상상 황 발생 시 운항자의 대처능력 및 항로 형태에 따른 이격거 리 기준점을 적용하였다. 이 외에도 해상 및 기상환경 등의 환경 외력 조건과 교통량 조건 등 실제적인 선박의 가항 통 항로 경계 기준을 반영하였다.

Table 3 ~ Table 5는 3.1 ~ 3.6절에서 최적의 이격거리 산정 모델 제시를 위한 각 평가요소를 바탕으로 평가기준을 마련 하였고 항로 형태와 선박의 운항 준비상태에 따른 종합적인 상황이 반영될 수 있도록 최적의 이격거리 산정 모델을 정 량적인 수치로 구체화하였다.

Formula 1 ~ 3은 최적의 이격거리 산정 모델에 따른 안전 이격거리 산출을 위한 식이다.

1) Approach waters for harbour

\begin{matrix} D_{T} = 3.2 L + 1.0 L (C a s e o f c r o s s i n g s i t u a t i o n) + \sum_{i = 1}^{n} D_{w} + D_{c} + D_{(h + d)} \\ + 1.0 L (\geq 4 t i m e / d a y, S h i p o f \geq L 100 m) + 2 D \end{matrix}

(1)

2.1) Open sea(CNTR and Dangerous goods ship)

\begin{matrix} D_{T} = 5.0 L + 1.0 L (C a s e o f c r o s s i n g s i t u a t i o n) + \sum_{i = 1}^{n} D_{w} + D_{c} + D_{(h + d)} \\ + 1.0 L (\geq 4 t i m e / d a y, S h i p o f \geq L 100 m) + 2 D \end{matrix}

(2)

2.2) Open sea(Other ships)

\begin{matrix} D_{T} = 4.0 L + 1.0 L (C a s e o f c r o s s i n g s i t u a t i o n) + \sum_{i = 1}^{n} D_{w} + D_{c} + D_{(h + d)} \\ + 1.0 L (\geq 4 t i m e / d a y, S h i p o f \geq L 100 m) + 2 D \end{matrix}

(3)

Where,

D_T = 해상풍력발전기에서 통항선박까지의 거리
5.0L = Container ship에서 나타난 최대 크기의 선회경 Dangerous good ship에서 나타난 최대 크기의 선회경에 1.0L을 가산
4.0L = Container ship 및 Dangerous good ship을 제외한 선박의 최대 크기의 선회경
1.0L = 횡단상황 발생과 항로에서 길이 100m이상 선박이 일평균 4회 이상 통항에 따른 적용
D_w = 환경 외력 중 바람의 크기에 따른 적용
D_c = 환경 외력 중 조류의 크기에 따른 적용
D_(h+d) = 환경 외력 중 수심/흘수 비 크기에 따른 적용

4. 최적의 이격거리 산정 모델 검증

본 절에서는 앞 절에서 제시한 해상풍력단지와 통항선박 의 안전 확보를 위한 최적의 이격거리 산정 모델에 대해 선 박조종시뮬레이션을 활용하여 검증하였다. 검증에 활용된 장비는 전기능 선박조종시뮬레이터(Full mission ship handling simulator)이다.

4.1 시뮬레이션 검증을 위한 조건 설정

4.1.1 대상 해역

제3장에서 제시한 최적의 이격거리 산정 모델에서 선박의 운항 준비상태에 따른 항만 접근수역과 외해 통항해역으로 구분하였으며, 향후 국내해역에 개발될 해역을 대상으로 선 정하였다. Fig. 13 ~ Fig. 14와 같이 대규모 해상풍력단지가 조 성될 서해 매물수도 인근해역과 목포항으로 진입하는 목포 구 인근에 개발 예정해역을 대상 해역으로 선정하였다.

4.1.2 선박 운항조건

항만 접근수역에서의 선박 선회성능 크기를 검증하기 위 해 비상 상황인 기관고장과 타기고장의 상황을 발생시켰다. 자선이 운항을 시작하여 일정 지점에서 기관 및 타기의 고 장이 발생하였다는 상황을 가정하고 조타기 또는 주기관의 사용만으로 선박을 정선 시킨 후 투묘를 수행하였다. 이 후 Brought up이 된 후 좌우 횡방향으로 나타난 횡방향 이격거 리를 본 모델에서 제시한 선회성능 크기와 비교 검토하였 다. 또한, 외해 통항해역에서는 풍력발전기와 가장 가까운 정/횡 상태에서 360° 선회에 따른 그 크기가 본 모델에서 제 시한 선종별 선회성능 크기와 비교 검토하였다.

4.1.3 환경외력 조건

선박조종시뮬레이션에서 수행한 해상 및 기상 등 외력조 건은 Table 6과 같다. 항만 접근수역에서 조류 조건은 해역에 나타난 최강 창조류 및 최강 낙조류를 적용하였고 바람 조건 은 출항 금지조건인 풍랑주의보 27 kn로 적용하여 시뮬레이 션을 수행하였다. 외해 통항해역에서의 조류 조건은 최강조 류를 적용하였으며 바람은 풍랑경보인 40 kn를 적용하였다.

4.1.4 선박 운항자

선박 운항자의 주관적 평가는 승선 경력에 따라 달라질 수 있으므로 보다 객관성을 확보하기 위해 외해 통항해역에 서 승선경력 5년 미만, 5년 이상 10년 미만 및 10년 이상으 로 구분하였다. 항만 접근수역의 경우, 승선경력 10년 이상 인 운항자를 투입하였다. Table 7은 각 해역에서 수행한 운 항자의 승선경력을 나타낸다.

4.1.5 대상 선박

선박조종시뮬레이션 검증에 투입된 선박은 연속된 7일간(총 14일간)의 해상교통조사를 통해 입지 해역의 각 주요 통항 경로대에서 통과선을 설정한 후 통과한 선박 중 선종별 최대 크기의 선박을 대상 선박으로 선정하였다. Table 8은 선박조 종시뮬레이션에 검증된 선박의 종류 및 그 척수를 나타낸다.

4.2 선박조종시뮬레이션 수행 시나리오

4.2.1 항만 접근수역

선박이 항만으로 접근하는 상황에서 긴급상황이 발생할 경우에는 물리적인 가항수역이 극히 제한되는 수역이므로 자력으로 해상풍력단지와 충돌하지 않도록 최단시간에 선 박을 제어하여 정선시켜야 할 것이다. 항만으로 접근하는 수역에서는 이와 같이 긴급상황에 대해 조타기 고장과 기관 고장 두가지 상황을 발생시킨 후 선박을 제어하도록 하는 시나리오를 수립하였다.

자선인 300K DWT급 VLCC, 70K GT급 PCTC와 30K DWT 급 Bulk carrier 선박이 운항을 시작하고 일정한 지점에서 기 관(Engine)과 조타기(Steering)가 고장이 발생하였다는 상황을 발생시켰다. 이 후 각각 조타기와 기관만으로 선박을 제어 하고 선속이 4 kn 이하로 도달했을 때 투묘를 실시하였다. 그리고 난 후 Brought up anchor가 될 때까지 나타난 좌우 횡 방향 영역의 크기와 본 모델에서 제시한 선회성능 크기와 비교 검토하였다. Fig. 15 ~ Fig. 16은 기관 고장 및 조타기 고 장에 대한 운항 시나리오를 나타낸다.

4.2.2 외해 통항해역

항만과 멀리 떨어진 외해 해역에서는 여러 선박들이 일정 한 경로대를 형성하며 Rung up engine 상태로 최대속력으로 운항한다. 이 해역에서는 주변 가항수역이 넓기 때문에 긴 급상황이 발생하더라도 큰 무리가 따르지 않는다.

이 수역에서는 자선인 12K TEU급 Container선, 300K DWT 급 VLCC, 70K GT급 PCTC 선박이 운항을 시작하고 자선 전 방의 피추월선을 추월하여 운항하는 중 70K GT급 PCTC 선 박이 목포항으로 입항하기 위해 자선 전방으로 변침하여 추 월을 시도하는 상황을 비상상황으로 발생시켰다. 이 때 자 선은 35° 우현 전타를 하고 나타난 선회경의 크기와 본 모델 에서 제시한 선종별 최대 선회경 크기와 비교 검토하였다. Fig. 17 ~ Fig. 19는 외해 통항해역에서의 비상상황에 대한 각 선종별 운항 시나리오를 나타낸다.

4.3 선박조종시뮬레이션을 통한 모델의 검증 결과

4.3.1 항만 접근수역

항만 접근수역에서 비상상황인 기관 고장과 조타기 고장 에 대해 각각 수행하고 나타난 최대 횡 방향의 영역 크기를 검토하였다. 그 결과, 기관 고장에서 30K DWT급 Bulk carrier 에서 최대 1.9L, 조타기 고장에서 동일한 30K DWT급 Bulk carrier에서 최대 3.4L인 것으로 분석되었다. Fig. 20은 항만 접근수역에서 비상상황에 대한 선종별 최대 횡 방향 영역의 크기를 나타낸다.

Fig. 20과 같이 300K DWT급 VLCC와 70K GT급 PCTC를 제외하고 30K DWT급 Bulk carrier의 조타기 고장 시뮬레이 션에서 횡 방향의 점유수역 크기 3.4L을 제외한 모든 경우 에서 점유수역의 크기가 3.0L 미만으로 검토되어 최적의 이 격거리 산정 모델에서 제시한 항만 접근수역에서의 선박 선회성능 크기로 제시한 3.2L의 적용은 적절한 것으로 검토 되었다.

Fig. 21에서 항만 접근수역인 목포항 진입수로에서 비상 상황에 대한 횡 방향 시뮬레이션 점유수역의 크기를 바탕 으로 계산한 최외곽 풍력발전기와의 최소 필요이격거리를 PIANC Guideline과 본 연구에서 제시한 최적의 이격거리 산 정 모델을 적용하였을 때 필요한 이격거리를 비교한 것이 다.

4.3.2 외해 통항해역

외해 통항해역에서는 추월선이 자선 전방을 가로지르는 비상상황을 발생시키고 10명의 운항자가 선종별로 통항분리 대(TSS)를 따라 운항하다가 우현 전타를 시행하고 360° 선회 가 종료된 시점에서 나타난 선회경의 크기를 검토하였다.

Container ship의 경우 선회경의 크기가 최소 4.4L, 최대 4.8L, 그리고 평균은 4.6L로 나타났고 시운전 선박의 최대 선 회경 5.0L보다 약간 작아 최적의 이격거리 산정 모델에서 제 시한 Container ship 선회성능에 필요한 5.0L을 만족하는 것으 로 검토되었다. 위험화물운반선에서는 선회경의 크기가 최 소 4.4L, 최대 4.7L, 평균은 4.6L로 나타났다. 시운전 선박의 경우 기상상태가 비교적 양호한 경우에서 수행되었지만 본 시뮬레이션의 경우 통항이 가능한 최악의 기상상황에서 수 행되었으므로 풍력과 조류력 등 외력 변수에 따라 선회경의 크기가 증가된 것으로 판단된다. 다만 최적의 이격거리 산 정 모델에서 제시한 위험화물운반선에 대한 선회성능 기준 인 5.0L을 만족하는 것으로 검토되었다. PCTC의 경우에도 선회경의 크기가 최소 3.9L, 최대 4.3L, 평균 4.1L로 나타났 다. 시운전 선박의 최대 선회경 3.7L보다 0.2L ~ 0.6L 정도 큰 것으로 검토되었지만, 시뮬레이션에서 수행한 기상조건이 최악의 기상상황 하에서 수행되었으므로 바람의 영향이 큰 PCTC의 경우 선회경의 크기가 증가된 것으로 판단된다. 다 만 최적의 이격거리 산정 모델에서 제시한 PCTC의 선회성 능 기준인 4.0L을 거의 만족하는 것으로 검토되었다. Fig. 22 ~ Fig. 25는 외해 통항해역에서 각 운항자가 우현 전타선회 를 수행하고 그에 따른 선종별 선회경의 크기를 나타낸다.

Fig. 26은 외해 통항해역에서 시뮬레이션 결과에 따른 횡 방향 점유영역의 크기를 바탕으로 최외곽 풍력발전기와 선 박 간의 안전 이격거리를 PIANC Guideline과 최적의 이격거 리 산정 모델을 적용하였을 때 필요한 이격거리의 크기를 비교 검토한 것이다.

PIANC Guideline에서 제시한 최소 필요 이격거리는 시뮬 레이션 결과에서 나타난 횡 방향 점유크기보다 약 2배 가까 이 과도하게 요구되는 것으로 검토되었다. 다만 최적의 이 격거리 산정 모델에서 제시한 최소 필요 이격거리는 시뮬레 이션 결과 값을 반영한 필요 이격거리보다 유사하거나 약간 상회하는 것으로 나타나 통항분리제도가 설정된 해역에서 현실적인 최소 필요 이격거리 산출방법으로 활용될 수 있을 것이다.

4.3.3 선박 운항자의 주관적 평가

10명의 운항자가 외해 통항해역에서 수행한 선박조종시 뮬레이션에서 적용된 횡단상황과 교통밀집 등의 상황에 대 해 Table 9 ~ Table 13과 같이 횡단상황과 교통밀집에 대한 추가이격거리 필요성에 대한 주관적 평가 의견을 요약하였 다. 선박조종시뮬레이션 시나리오 구성에서 동 항로상에 길 이 100m 이상 선박의 운항이 4회 이상 발생시켰고 이로 인 해 추월과 피 추월관계가 형성되도록 하였고, 횡단하는 선 박을 적용하여 자선이 피항선으로서 우현 변침을 통한 회피 운항을 하도록 하였다.

그 결과, 시뮬레이션을 수행한 총 10명의 운항자의 주관 적 평가에서 공통된 의견으로 전방 우측의 횡단선의 존재와 항로 상의 주변 운항 선박으로 인해 자선의 우현변침이 수 반되고 이로 인해 항로 우측으로 운항하는 경향이 발생하기 때문에 횡 방향으로 추가 이격거리의 확보가 필요하다는 의 견을 제시하였다.

5. 결 론

전 세계적인 에너지 대전환 추세에 따라서 해상을 마주하 는 많은 국가들은 신재생에너지를 통한 전력 방식으로 나아 가고 있다. 이 중에서도 해상은 넓은 공간이 보장되므로 대 규모 해상풍력단지를 개발 할 수 있는 이점이 있으나 풍력 발전기 구조물로 인해 해상을 이용하는 선박의 안전 항행이 위협받고 있는 실정이다. 이에 따라 국내외로 선박과 해상 풍력단지 간 안전 확보를 위해 몇몇 규정과 지침이 마련되 었지만 선박의 종류와 크기, 환경 외력과 교통량, 조우관계 에 따른 회피 운항 및 풍력발전기 구조물의 영향 등 운항 중 침로로부터 이로를 발생시키는 다양한 요소가 고려되지 않 았다. 특히 입지 특성에 따른 주기관의 즉각적인 사용 여부 가 선회 크기에 상당한 차이가 있고 통항 위치의 기준점 위 치에 따라 이격 크기가 다름에도 불구하고 이에 대한 특성 이 반영되지 않은 한계점이 존재한다.

본 연구에서는 이와 같이 개발되는 해상풍력단지 인근의 항로의 형태에 따른 이격거리 기준점, 입지 특성에 따른 운 항 준비상태, 비상 시의 선회성능, 환경외력 조건, 교통 밀집 도, 조우관계에 따른 회피 운항과 이에 따른 점유 크기 및 풍력발전기 구조물의 영향 등에 따른 안전수역 등 실질적인 가항 통항로 경계기준을 적용한 선박과 해상풍력단지 간 최 적의 이격거리 산정 모델을 제시하였다. 제시된 모델은 선 박조종시뮬레이션을 통해 검증하였고, 운항 준비상태별에 해당하는 외해 통항해역에서 지정된 통항분리대와 항만 접 근수역 내 지정항로에서 통항한 선종별 최대 크기의 선박을 투입하여 수행하였다. 선박조종시뮬레이션을 통한 검증에는 입지특성에 따른 각 해역별에서 선종별 최대크기의 선박의 횡 방향 점유수역의 크기와 제시된 모델에서 제시한 선회성 능 크기와 비교 검토하였고, 그 결과 최적의 이격거리 산정 모델에서 제시한 운항 준비상태에 따른 입지 특성별 선회성 능 크기는 적합한 것으로 검토되었다.

현행 국외의 규정/지침 중 이격거리 산정에 활용되는 PIANC Guideline에서 제시하는 최소 필요 이격거리와 본 연 구에서 제시한 이격거리 산정 모델에 따른 최소 필요 이격 거리와 비교 검토하였으며 PIANC Guideline을 적용한 최소 필요 이격거리가 본 연구에서 제시한 이격거리 모델 보다 약 2배 또는 그 이상의 크기를 요하는 것으로 검토되었다. 시뮬레이션을 통해 산출된 크기와는 유사 또는 약간 상회하 는 것으로 검토되었으므로 각 선박 운항 준비상태에 따른 현실적인 최소 필요 이격거리 산출 방법으로 활용이 될 것 이다.

선박과 해상풍력단지 간 최적의 이격거리 산정 모델은 현 행 선박과 해상풍력단지 간 최적의 이격거리 산출을 위해 활용 중인 PIANC Guideline이 다양한 파라미터 요소를 반영 하고 있지 않으므로 이를 보완하고 개선을 통해 실효성 및 안전성을 확보하고자 하였다. 최적의 이격거리 산정 모델은 지속적으로 해상에 개발되는 풍력단지와 주변해역에서 통 항하는 선박 및 앞으로 운용될 자율운항선박의 안전 확보를 위한 Guideline이 될 것이다.

사 사

본 연구는 2022년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재 단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(2020R111A1A01060533) 입니다.

Figure

Fig. 1.

Flowchart of study process.

Fig. 2.

The status for width of channel and bumper zone in TSS.

Fig. 3.

The past track of ships in Maemul-suido TSS on September 2019.

Fig. 4.

The past track of ships in Maemul-suido TSS on January 2020.

Fig. 5.

Distribution of navigation for all ships navigated in the Maemul-suido TSS.

Fig. 6.

Distribution of navigation for not less than 50K GT navigated in the Maemul-suido TSS.

Fig. 7.

The status for width of Shiha-hae channel.

Fig. 8.

The past track of ships in Shiha-hae channel on September 2019.

Fig. 9.

The past track of ships in Shiha-hae channel on January 2020.

Fig. 10.

Distribution of navigation for all ships navigated in the Shiha-hae Channel.

Fig. 11.

Distribution of navigation for not less than 50K GT navigated in the Shiha-hae channel.

Fig. 12.

Distance between wind farm boundaries and shipping routes.

Fig. 13.

Approach waters for harbour of mokpo of Republic of Korea.

Fig. 14.

Open seas near the North Maemul-suido of Republic of Korea.

Fig. 15.

Establishment of scenario (Engine trouble) at approach waters for harbor.

Fig. 16.

Establishment of scenario (Steering gear trouble) at approach waters for harbor.

Fig. 17.

Establishment of scenario for 12K TEU CNTR at open sea.

Fig. 18.

Establishment of scenario for 300K DWT VLCC at open sea.

Fig. 19.

Establishment of scenario for 70K GT PCTC at open sea.

Fig. 20.

The result of lateral size for engine and steering gear trouble at approach waters for harbor.

Fig. 21.

The comparison result of lateral size for emergency situation at approach waters for harbor.

Fig. 22.

The result of tactical diameter of CNTR through the hard-over at open sea.

Fig. 23.

The result of tactical diameter of VLCC through the hard-over at open sea

Fig. 24.

The result of tactical diameter of PCTC through the hard-over at open sea(1).

Fig. 25.

The result of tactical diameter of PCTC through the hard-over at open sea(2).

Fig. 26.

The comparison result of tactical diameter through the hard-over at open sea.

Table

Table 1.

Size of Max. tactical diameter as type of ships

Table 2.

Application for safety passage distance according to external forces

Table 3.

Model for navigation safety of offshore wind farm and ship (TSS)

Table 4.

Model for navigation safety of offshore wind farm and ship (Channel)

Table 5.

Model for navigation safety of offshore wind farm and ship (General waters)

Table 6.

External forces condition

Table 7.

The boarding experience of participants for ship handling simulation

Table 8.

Status of target ships operated for ship handling simulation

Table 9.

The Summary for qualitative opinion of participants for crossing condition and congestion of marine traffic(1)

Table 10.

The Summary for qualitative opinion of participants for crossing condition and congestion of marine traffic(2)

Table 11.

The Summary for qualitative opinion of participants for crossing condition and congestion of marine traffic(3)

Table 12.

The Summary for qualitative opinion of participants for crossing condition and congestion of marine traffic(4)

Table 13.

The Summary for qualitative opinion of participants for crossing condition and congestion of marine traffic(5)

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