1. 서 론

2018년 8월 통계청에서 발표한 2017년 기준 우리나라 인 구주택총조사 결과에 따르면 제주시의 인구 증가율은 전년 도 대비 3.0% 증가하였으며, 2008~2017년까지 10년간 제주 도 주민등록 인구증가율은 17.2%로 전국에서 가장 높은 것 으로 나타났다. 이에 따라 제주도의 여름철 최대 전력수요 는 2011년 62만kW에서 2017년 89만kW로 6년간 약 143 %가 상승한 것으로 발표되었다(National Statistical Office, 2018).

제주도의 전력공급량의 40 %는 HVDC(High Voltage Direct Current) 해저 동력케이블로 이루어지고 있으며, 이는 제1호 해 저 동력케이블(제주~해남), 제2호 해저 동력케이블(제주~진도) 로 구성되어 있다. 그러나 제주도의 인구 및 관광객 증가, 각 종 개발사업 등으로 전력소비량 증가에 따라 제주~완도구간 에 제3호 해저 동력케이블 설치가 본격적으로 추진되고 있다.

친환경에너지 확보를 위한 해상풍력 발전단지의 본격적 인 개발이 서해안과 동해안을 중심으로 활발히 진행되고 있 고, 이에 따라 발전된 동력원을 해저케이블을 이용하여 육 상으로 연계하는 동력케이블 연구도 활발해지고 있다. 국내· 외 해저 동력케이블 관련 연구로, Kim(2000)은 해저 구조물 의 보호를 위해 선박의 톤수 및 앵커 종류에 따른 해저 구조 물 매설깊이를 추정하였다. Ahn(2012)은 해저 케이블 설치해 역의 특성에 따른 위해요소 분석 및 육상 투하시험을 수행 하여 해저케이블 보호공법을 제시하였다. Gautheron and Suyama(2003)은 해저 동력케이블의 전송 용량의 분석을, Jie and Yao-Tian(2012)은 AIS와 Radar 장비 기반의 해저 동력케이 블의 안전 모니터링 시스템을 검토하였다. 또한, Mulyadi et al.(2013)은 특정해역을 통항하는 선박의 AIS 정보를 이용하 여 통항선박을 분석하고 선박의 주묘로 인한 해저 동력케이 블과 유사한 해저 파이프라인의 손상 확률을 분석하였다.

해저 동력케이블의 보호는 설치 환경, 해상교통량, 해저 지형 등의 조사를 기반으로 적정한 매설 깊이를 산출해야 한다. 그러나 우리나라는 해저 동력케이블 관련한 설계기준 이 부재하여 유사 구조물인 해저 파이프라인의 설계기준을 바탕으로 설계하고 있으며, 해저 파이프라인은 대부분 항계 내에 설치되어 있어 주로 연근해에 설치되는 해저 동력 케 이블에 적용하기에는 한계가 있다.

또한, 우리나라 연안해역은 VTS 관제가 실행되고 있어 실 질적으로 해도 상에 해저 동력케이블을 표시된 해역에 긴급 투묘한 사례는 거의 찾아볼 수 없었으나 투묘의 불확실성과 개연성은 존재하므로 합리적 수준의 보호 기준을 필요할 것 으로 판단된다.

이에 따라 본 연구에서는 국내외 해저 동력케이블 설계기 준을 분석하고, 설치 해역의 선박 통항량, 해양사고, 항행 환 경 특성 등을 반영한 통항 선박의 누적통계함수 기반의 대 상 선박을 결정하는 보호 대상을 제안하였다. 또한, 제주~완 도구간의 설치 예정인 제3호 해저 동력케이블에 본 연구 내 용을 적용하여 각 구간별 동력케이블 보호를 위한 대상 선 박의 규모를 선정하고 연구 결과의 타당성을 검증하였다.

2. 해저 동력케이블 보호 기준 분석

2.1 국내 설계기준 분석

해저 동력케이블 보호를 위한 대상 선박의 규모 선정과 관련한 기준이 없으나, 이와 유사한 해저 파이프라인의 국 내 설계기준에 대해서는 ‘항만 및 어항 설계기준’에 명시되 어 있다. 해저 파이프라인의 노선은 항만시설 등의 현황 및 장래계획, 해상교통량 및 해면이용의 상황 등을 반영하여야 하며, 매설 깊이는 선박의 앵커에 의한 손상을 피하기 위해 파이프라인을 부설 예정 해역에서 운항되는 최대 선박의 앵 커 제원을 고려하여야한다고 명시되어 있다.

이에 따라 통항 선박의 규모가 확정되면 의장수(Equipment number)에 따른 앵커의 중량이 분석되며, 항만 및 어항 설계 기준에 제시된 앵커 중량에 따른 매설 깊이는 다음의 Fig. 1 과 같고, 국제선급협회 기준에 따른 선박 재화중량톤수별 앵커의 중량은 다음의 Fig. 2와 같다.

2.2 매설깊이 기준 연구

1) 앵커 형태별 매설깊이

Kim(2000)은 해당 해역의 조류에 의한 해저의 침식, 닻에 의한 해저충격력, 닻의 파주 깊이를 기초로 해저구조물의 안전성을 평가하였다. 이에 따라 앵커의 종류와 선박 재화 중량톤수에 따른 매설깊이를 다음과 같이 ASS형과 AC-14형 으로 구분하여 제안하였다.(1)(2)

여기서,

2) 매설심도지수(BPI)

해저저질에 따른 매설심도를 대략적인 선박 규모에 의해 결정하는 방법으로 매설심도지수(Burial Protection Index, BPI) 가 이용된다. BPI 1은 일반적인 어구로부터 보호되는 매설깊 이, BPI 2는 선박용 앵커 2톤으로부터 보호되는 매설깊이, BPI 3는 대형 앵커로부터 보호되는 매설깊이로 다음의 Fig. 3과 같이 사용된다(P.G.Allan, 1998).

3) 동력케이블 매설 위험도 평가(CBRA)

영국과 스코틀랜드 정부에서 기획한 OWA(Offshore Wind Accelerator)의 해저 동력케이블의 위험도 평가(Cable Burial Risk Assessment, CBRA) 방법으로 해저 케이블의 손상 확률 을 다음 식(3)과 같이 산출하고 있다(Carbon Trust, 2015).

여기서,

4) 파이프라인 보호 절차(Pipeline Protection Assessment)

DNV·GL은 해저파이프라인 매설깊이 설정과 보호를 목적 으로 위험도 수용 기준 설정, 시스템 설계, 위험도 평가, 수 용 가능 여부를 Fig. 4와 같은 절차에 의거 평가하도록 제안 하였다(Det Norske Veritas, 2010).

3. 보호 대상 선박 선정 기준 구성

해저 동력케이블 보호를 위한 대상선박 선정을 위해서는 통항 선박에 대한 조사 및 분석, 해양사고 발생에 따른 실질 적인 투묘 여부 조사, 설치 예정 해역의 환경 요소 등을 종 합적으로 고려할 필요가 있다.

3.1 통항 선박 요소

1) 해상교통조사 분석

대상 선박의 규모 선정을 위해서는 매설 예정 해역을 중 심으로 인근 3마일 범위 내에 최근 1년 동안의 교통량 또는 각 계절별 최소 3일 이상의 통항 선박을 심층적으로 조사 분석해야 한다. 구체적인 해상교통량 조사 및 분석 방법 등 은 현재 시행되고 있는 해상교통안전진단의 해상교통관측 조사(Ministry of Oceans and Fisheries, 2017b) 방법을 이용한다.

2) 통항 선박 기반의 누적확률함수

해저 동력케이블 보호적인 측면에서는 최대 선박으로 결 정하는 것이 바람직하나 경제성과 기술적인 측면에 한계가 존재하기 때문에 일률적 적용은 현실적으로 어렵다. 따라서 실질적인 앵커 투묘 가능성과 불확실성에 적용 가능한 확률 모델을 구축하는 정량적 평가 기법을 검토한다.

대상 해역의 구간별로 교통조사 결과를 분석하여 대형선 으로부터 누적확률함수(Traffic Cumulative Possibility, TCP)을 이용한다. 이는 앵커 투묘 가능성 또는 위험성에 따른 합리적 인 보호 수준이 확인되면, TCP 레벨에 따라 대상 선박의 규모 를 확정하는 결정론적 방식으로 Table 1과 같이 구분된다.

TCP100은 최대 통항 선박으로 최대 보호가 필요한 해역 이며, 이 중에서 시운전, 임시운행, 수리 등의 목적으로 연간 3회 미만 일시적으로 운항하는 선박을 배제한 최대 선박을 TCP ME로 정의하고 필요한 보호 해역에 적용한다.

TCP90은 적극적 보호가 필요한 해역에 적용되며 최대 선 박 규모의 90% 수준인 비교적 대형 선박의 그룹에 해당된 다. 이는 투묘 불확실성을 선박 규모 측면에서 10% 여유를 두는 것으로 동일한 재화중량톤수의 선박이라도 주요 제원 의 차이가 존재하고, 국내 해사안전법 해상교통안전진단에 서도 수역시설과 계류시설의 선박 제원의 변경 규모를 10 % 수준에서 적용하기 때문이다.

TCP mode와 TCP50은 실질적인 앵커 투묘 사례가 없으나 투묘 개연성이 존재하는 경우에 해양사고 개연성이 큰 통항 량이 빈번한 선박(mode) 또는 통항량 규모가 평균 이상(50%) 을 적용하는 것이 합리적인 보호 해역에서 사용된다.

3) 2017년 톤수별 교통량 분석

국내 2017년 전국 입항 선박을 기준으로 입항 선박별 척수와 이를 기반으로 누적확률함수를 도출하면 Fig. 5와 같다. 2017년 톤수별 통항 척수를 기반으로 확인한 결과(Ministry of Oceans and Fisheries, 2017a), 총톤수 100,000톤급 이상의 누적확률함수 는 1 %로 나타났고, TCP90은 총톤수 기준 25,000 ~ 30,000톤급 선박이며, TCP50은 1,000~3,000톤급으로 분석되었다.

3.2 해양사고 요소

해저 동력케이블 설치 예정 해역에 대한 최근 10년간의 해 양사고 유형별, 선박 규모별, 사고 원인별 조사·분석을 실시해 야 한다. 해양사고 분석을 기초로 실질적인 투묘 사례를 집중 분석하여, 실질적인 투묘가 수행된 선박을 우선적인 보호 대 상 선박으로 결정해야 한다. 또한, 해양사고 발생 해역이 빈 번한 해역, 충돌, 접촉 등 긴급한 투묘로 연결될 수 있는 대상 선박을 2차적인 잠재적 보호 대상으로 검토해야 한다.

최근 5년간 전국에서 발생한 해양사고 10,548척(Korean Maritime Safety Tribuna, 2018b)을 대상으로 2017년도 입항 선 박의 TCP와 연계하여 분석한 결과는 Fig. 6과 같으며, TCP90 에 해당되는 총톤수 3만톤 미만의 선박이 전체 해양사고의 98 ~ 99%를 차지했다. 또한, TCP50에 해당하는 총톤수 3,000 톤 미만의 선박이 95 ~ 96%를 차지하는 것으로 확인되었다. 이는 TCP90, TCP50 수준에서 대상 선박을 선정하여도 전체 해양사고 선박의 98% 및 95%를 보호할 수 있음을 시사하 고 있다.

3.3 환경 요소

해역별 보호 대상 선박의 선정을 위해 선박의 앵커 투묘 에 영향을 미칠 수 있는 환경적인 요소를 고려하였다.

1) 해역

해저 동력케이블 설치 해역을 선박의 통항량과 연계하여 3개 Level로 구분하였다. Level 1은 국내 연안항의 항계까지의 수역으로 선박의 투묘 가능성이 매우 높은 해역이다. Level 2 는 영해 및 접속수역법 제2조에 규정된 기선에서 영해 (12해리)까지의 연안해역으로 선박의 통항량이 존재하지만 앵커 투묘의 가능성에 대해서는 불활실성이 존재한다. Level 3은 영해에서 기선으로부터 외측 200해리의 배타적 경제수 역까지의 수역으로 선박 투묘가 불가능한 해역이다.

2) 수심 및 저질

선박의 투묘 방법에 따라 Table 2와 같이 수심을 A, B, C 3 개 해역으로 구분하였다. A구역은 중력식 투묘(Drop anchor) 방식이 이루어지는 수심 30m 이하 해역, B구역은 양묘기로 일정 수심만큼 Walk out하여 Drop Anchor가 이루어지는 수심 30~50m 해역, C구역은 양묘기로 Walk back하여 해저에 앵커 를 내리는 수심 50m 이상 해역이다. 또한, 수심과 함께 해저 의 저질과 지형 등도 선박의 투묘 여부를 결정하는 요소로 활용된다.

3) 외력(바람, 조류, 파랑 등의 해상상태)

대상 해역의 외력(바람, 조류, 파랑) 속도에 따라 선박의 앵커 및 표류 방향이 결정되며, 외력이 강할수록 선박의 비 상 상황에서 앵커 투묘의 확률이 증가한다.

4) VTS 관제 및 육상지원체계 등

VTS 관제 영역에 따라 해양사고 발생 이후 신속한 대응 과 처리가 달라지며, 해양사고 발생 위치에 따라 육상에서 의 지원체계(해양경찰 구조, 예인선 지원 등)가 결정된다. 따 라서 VTS 관제 및 육상의 지원체계 등도 직·간접적으로 선 박의 긴급 투묘를 결정하는 요소이다.

4. 해저 동력케이블 보호 기준

4.1 위험도 수준(Risk level) 평가

해저 동력케이블 보호를 위한 대상 선박 설정을 위해서는 우선적으로 투묘의 개연성을 검토해야 하며, 일반적인 정박 지에서 이행되는 묘박이 아니라면 해양사고 발생에 따른 긴 급 투묘를 고려해야 한다. 선박에서는 긴급한 상황이 발생 하면 본선의 위치와 해양사고 내용을 기초로 2차적인 위험 성을 평가하여 투묘 여부를 결정한다.

3장의 각종 요소를 바탕으로 투묘 가능성과 위험도 수준 을 높음(High), 중간(Medium), 낮음(Low)으로 구분하면 Table 3과 같다.

4.2 보호 수준 평가 매트릭스

해저 동력케이블의 설치 위치 또는 선박의 항행 위치(해 역)를 기반으로 앵커 투묘에 대한 빈도(가능성)과 해양사고 발생에 따른 2차적인 위험도 수준을 상호 비교·평가하여 보호 수준을 결정하는 Risk matrix는 구조는 Fig. 7과 같다.

해저 동력케이블의 보호 수준이 결정되고, 통항 선박의 교통조사를 기반으로 분석된 TCP 기준을 적용하여 보호 대 상 선박의 규모가 Table 4와 같이 결정된다.

4.3 대상 선박 선정 기준

해저 동력케이블의 설치 해역에 따른 선박의 긴급 투묘 가능성을 연계하여 보호 수준, TCP, Risk matrix 등을 종합하 여 대상 선박의 선정 기준을 제시하면 Table 5와 같다.

5. 완도-제주간 제3호 해저 동력케이블 적용

5.1 대상 해역 구간 분석

제3호 해저 동력케이블의 설치 해역은 완도VTS 관제구역 에서 횡간수도, 대모도 연안통항로를 거쳐 제주VTS 연안까 지 연결되며, 주요 항로, 수심 및 통항량 등을 조사하여 대 상 해역을 Table 6과 같이 구분하였다.

5.2 대상 해역 해양사고 분석

HVDC #3 해역의 과거 2012~2016년까지 사고 사례 분석 결과 총 349건의 사고가 발생하였으며, 그 중 총톤수 3,000톤 이상(길이 100 m 이상) 선박 사고가 총 6건 발생(충돌 3건, 화재 1건, 기관손상 2건)하였으나 비상 투묘사례는 존재하지 않았다(Korean Maritime Safety Tribunal, 2018a).

5.3 구간별 대상 선박 선정

대상 해역에 투묘 사례가 없었음으로 해역별 위험도 분석 과 보호 기준을 확정하여 대상 선박을 선정 방법을 제시하 면 Table 7과 같다. 실제 기준에 해당되는 대상 선박은 1년 이상 또는 계절별 교통량을 3일 이상을 분석하여 통항 선박 에 대한 TCP를 산출해서 대상 선박을 선정해야 한다. 또한, 일반적인 통항 선박 이외에도 어선의 조업 등이 이루어지는 조사·분석하여 반영할 필요가 있다.

6. 결 론

최근 제주도의 인구와 관광객의 증가로 인한 개발로 인해 전력수요가 급증하고 친환경에너지인 해상풍력 발전단지 개발 사업 등으로 인해 해저 동력케이블의 설치가 본격적으 로 논의되고 있다. 해저 동력케이블의 보호 및 설계기준과 관련하여 국내에서 설계기준은 전무한 상태이며, 과거 경험 적 방법과 해외 사례를 중심으로 설치되고 있다. 본 연구에 서는 해저 동력케이블 설치 해역의 구간별 특성, 선박 통항 량 기반의 TCP, 해양사고, 환경 요소 등을 종합적으로 고려 한 평가 매트릭스 기반의 보호 수준을 선택하여 대상 선박 을 선정하는 방안을 제안하였다.

후속 연구로 해상풍력 발전단지의 해저 동력케이블 보호 를 위한 대상 선박의 선정 등에 활용 가능 여부를 점진적으 로 검증할 계획이다. 또한, 절대적인 보호가 요구되는 해저 동력케이블과 해저 파이프라인 등의 설계기준으로 확장될 수 있도록 앵커 투묘와 관련한 불확실성에 대한 이론적 모 델을 개발하고자 한다. Fig. 8

다만, 연구 결과의 신뢰성 확보를 위해서는 대상 선박의 선정에 인용되는 AIS 기반의 교통량, 해양사고 및 해상교통 환경 등을 종합적으로 분석함에 있어 해양수산부에서 지정 한 해상교통안전진단 대행기관 수준의 전문성을 갖춘 공신 력 있는 기관에서 제시된 자료를 사용할 필요가 있을 것으 로 사료된다.