[논문 리뷰] The Black Sea Wave Energy: The Present State and the Twentieth century Changes

Vasko Galabov|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 05.

Global Energy Security and Policy참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 재분석 자료가 아닌 운영형 ALADIN weahter 모델 자료를 사용하여 발트해의 파력 에너지를 재평가하며, 재분석 자료가 실제 파력 에너지 잠재력을 과소 평가하고 있음을 밝혀냈다. 재분석 자료는 파력 에너지 잠재력이 낮게 평가되나, 실제로는 남부 불가리아와 북부 터키 해안이 가장 높은 파력 에너지(4.5–5.0 kW/m²)를 보이며, 20세기 동안 파력 에너지가 1950년대까지 증가하다가 1980년대 이후로 감소하는 추세를 보인다. 이는 ERA-20C 재분석 바람 자료와 SWAN 파도 모델링을 기반으로 한 결과이다.

ABSTRACT

In this paper we present a study of the present state of the Black Sea wave energy. The studies of other authors are based on the use of input data from atmospheric reanalysis or a downscaling of such reanalysis. Instead of reanalysis data, we use input data from the operational limited area numerical weather prediction model ALADIN. We showed that the estimations of the Black Sea wave energy based on reanalyses deviate significantly from the real potential. We showed also that the highest values of the mean annual wave power flux is between 4.5 and 5.0 kW/m2 and the near shore areas with the highest wave energy potential are the southernmost Bulgarian coast and the coast of Turkey north of Istanbul. While we showed that the wind data from the reanalysis are not useful for the estimation of the actual wave energy potential, we claimed that the reanalysis data is useful to study the long term changes of the wave energy of the Black Sea. We used the 10m winds from the recent ERA-20C reanalysis, which covers the period 1901-2010. We performed a 110 years hindcast with these winds using the SWAN wave model. The results for the area with the highest mean annual wave energy showed that there was an increase during the first half of the XX century followed by a small decrease and again a period with elevated wave energy during the seventies. After 1980 there is a steady decrease of the Black Sea wave energy.

연구 동기 및 목표

• 대기 재분석 자료가 아닌 고해상도 운영형 기상 모델 자료를 사용하여 발트해의 현재 파력 에너지 잠재력을 재평가하는 것.
• 재분석 자료에서 유도된 파력 에너지 추정치가 실제 환경 조건과 비교하여 얼마나 정확한지 평가하는 것.
• ERA-20C 재분석 바람 자료를 활용하여 20세기 동안 발트해의 파력 에너지 변화를 장기적으로 분석하는 것.
• 미래 재생 가능 에너지 응용을 위한 최고의 파력 에너지 잠재력을 보이는 지역을 규명하는 것.
• 절대 파력 에너지 추정치에 오차가 있음에도 불구하고 재분석 자료가 장기 기후 추세 분석에 여전히 유용한지 판단하는 것.

제안 방법

• 1901–2010년 기간 동안의 ERA-20C 재분석 데이터셋에서 10m 고도의 바람 필드를 취득하여 파도 모델링에 입력함.
• SWAN 파도 모델을 사용하여 110년에 걸친 후행 예측(히 past)을 수행하여 발트해 전역의 파도 조건을 시뮬레이션함.
• 재분석 자료에서 유도된 파력 에너지 추정치와 ALADIN 운영 모델 자료에서 유도된 추정치를 비교하여 편향을 평가함.
• 발트해 전역에서 평균 연간 파력 플럭스를 계산하여 파력 에너지 잠재력의 공간적 패턴을 규명함.
• 최고의 평균 연간 파워 플럭스 지역에서의 시간적 추세를 분석함.
• 공간적 및 시간적 필터링을 적용하여 장기적인 파력 에너지 변화를 분리하고, 10년 단위 변동성에 초점을 맞춤.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ALADIN 운영 모델 자료로 추정한 파력 에너지 잠재력과 대기 재분석 자료로 추정한 결과 사이에 발트해에서 어떤 차이가 있는가?
• RQ2 발트해의 어느 해안 지역이 재생 가능 에너지 개발을 위한 최고의 파력 에너지 잠재력을 보이는가?
• RQ3 20세기 동안 발트해 전역에서 파력 에너지에 나타나는 장기적 추세는 무엇인가?
• RQ4 재분석 기반 바람 자료가 발트해의 실제 파력 에너지 잠재력을 얼마나 잘못 반영하고 있는가?
• RQ5 절대 에너지 추정치에 오차가 있음에도 불구하고 재분석 자료가 장기적 파력 에너지 변화 연구에 여전히 신뢰할 수 있는가?

주요 결과

• 재분석 자료에서 유도된 파력 에너지 추정치는 발트해의 실제 파력 에너지 잠재력을 심각하게 과소 평가하고 있다.
• 발트해에서 가장 높은 평균 연간 파력 플럭스는 4.5~5.0 kW/m² 사이이며, 주로 남부 불가리아 해안과 이스탄불 북쪽의 터키 해안에 집중되어 있다.
• 가장 높은 파력 에너지 잠재력을 가진 지역은 20세기 전반에 걸쳐 파력 에너지가 증가하는 추세를 보였다.
• 20세기 중반에 최고조에 도달한 후, 1980년대 이후로 파력 에너지 수준이 지속적으로 감소하여 에너지 플럭스가 감소하는 것으로 나타났다.
• 절대 파력 에너지 추정치에 오류가 있음에도 불구하고, 재분석 자료는 파력 에너지 변동성의 장기적 추세 분석에 여전히 적합하다.
• ALADIN 모델의 입력 자료는 재분 析 자료보다 더 정확한 파력 에너지 추정치를 산출하였으며, 이는 재분석 자료가 지역적 재생 에너지 평가에 한계를 가짐을 시사한다.