1. 해상 풍력발전 설비 이야기

2.  

해상 풍력 에너지는 글로벌 재생 에너지 목표를 달성하는 데 중추적인 역할을 하고 있다. 2022년 현재 전 세계 전력의 12%가 풍력과 태양광발전에서 파생되고 있으며, 2050년까지 90%의 에너지를 재생 가능 에너지가 담당하는 목표를 가지고 있다. 전 세계 풍력발전의 7.1%를 차지하는 해상 풍력 산업은 이러한 목표를 달성하는 데 중심적인 역할을 하고 있다. Global Wind Energy Alliance는 해상 풍력발전량이 2030년까지 380GW, 2050년까지 2,000GW에 도달할 것으로 예상한다.

최초의 풍력발전 설비는 스코틀랜드의 전기 기사였던 제임스 블리스(James Blyth)가 1887년에 자기 소유 별장에 전기를 공급하기 위해 수직축으로 움직이는 풍력발전이기를기를 목재로 설치하여 배터리 충전용으로 사용한 것이다. 그는 3KW의 출력을 가진 이 풍력발전이기를기를 25년간 운전했다는 기록이 있다. 이후 현대적인 풍차의 기초를 만든 사람은 덴마크의 폴 라쿨(Poul la Cour)이다. 1891년 최초의 풍력발전장치를 개발한 뒤 1897년에는 직경 22.8m의 대형 풍력발전 장치를 설치하였다.

그림 1 세계 최초의 풍력발전 설비

이후 현대식의 세계 최초 자동운전 풍력발전 설비는 1888년 찰스 브러쉬(Charles F. Brush)에 의해 미국 클리버랜드에 설치된 용량 12KW, 높이 18미터, 무게 4톤의 설비였다

2022년 말 기준 세계 풍력발전 설비는 906GW가 누적 설치됐다. 이는 837GW 설치된 2021년과 비교해 12.4% 증가한 수치다. 육상 풍력은 7.9%, 해상 풍력은 12.4% 각각 늘어났으며, 특히 2021년에는 육상 19.3%, 해상 58.3%가 증가했다. 이처럼 세계 풍력발전시장은 육상에서 해상으로 급속하게 전환되고 있다.

그림 2 해상 풍력발전 설비

우리나라는 1975년 3월 22일 한국과학원에서 경기도 화성군 송산면 어도(엇섬)에 세운 2KW급 풍력발전이기가기가 공식적인 국내 최초 풍력발전이기로기로 기록되었다. 이 풍력발전이기는기는 어도 마을 내 37개 가구에 전기를 공급했다. 국내 최초 상업용 풍력발전단지인 제주 행원풍력발전단지는 1997년 600KW급 풍력발전이기기 2기를 설치해 1998년 8월 상업 운전을 시작했다.

이후 2003년 4월까지 225KW급 1기, 660KW급 7기, 750KW급 5기 등 추가로 풍력발전이기를기를 설치해 모두 10MW 규모 풍력발전이기를기를 설치했다. 국내 최초 상업용 해상 풍력발전단지 역시 제주도에 자리했다. 2017년 9월 상업 운전을 개시한 30MW 규모 탐라해상 풍력발전단지다. (출처: 국내외 풍력발전의 발자취를 돌아본다. 2019.09.27 에너지신문)

한국풍력산업협회에서 제시하는 전력 통계 정보시스템에 따르면, 한국에서는 2022년 말 기준 국내 육상 풍력과 해상 풍력을 포함한 누적 설치 용량은 115개소에 총 77기의 풍력발전 설비를 시공했으며, 총 전력 생산량은 1804MW를 기록했다. 2022년 현재 육상 풍력이 전체 발전 용량의 92%를 차지하여 725개소에서 1657MW를 발전하고 있으며, 해상 풍력은 10개소 52기에서 147MW를 발전하여 8%를 담당하고 있다. 이는 국내 신재생에너지 설비(1만3746MW)의 13.1%에 해당하는 양이다.

바다에 풍력발전단지를 건설하여 발전하는 해상 풍력은 육상 풍력에 비해 입지제약이 적고, 대규모 단지 개발로 더 많은 발전량을 얻을 수 있다. 또한 육상 풍력에서 발생할 수 있는 소음 등 환경문제를 방지하고, 바다의 강한 바람으로 전력을 생산하기 때문에 높은 발전 효율을 확보할 수 있다는 장점을 가진다. 따라서 세계 각국은 해상 풍력에 집중하고 있고, 국제재생에너지기구(IRENA) 또한 2040년부터 유럽에서 해상 풍력이 발전량 기준 1위의 에너지원이 될 것으로 예상하고 있으며, 향후 빠른 성장세가 예상되는 재생에너지원으로 급부상 중이다.

2021년 기준 세계 풍력발전 누적 설치용량은 837GW이다. 풍력발전은 설치 장소에 따라 육상 풍력발전과 해상 풍력발전으로 구분하는데, 이중 해상 풍력발전은 57GW로 전체 풍력발전 설치량의 6.8% 수준이다. 그런데 신규 설비 증가율을 보면, 육상 풍력발전은 증가율이 감소 추세인 반면 해상 풍력발전은 증가율이 급속히 증가하는 추세이다. 2021년도에 육상 풍력발전은 72.5GW가 신규로 설치되어 2020년(88.4GW) 대비 증가율이 18% 감소한 데 반해, 해상 풍력은 21.1GW가 신규로 설치되어 2020년(6.9GW) 대비 증가율이 206% 증가하였다. (출처: 해상 풍력 현황 및 향후과제, 국회입법조사처, 2022,12)

그림 3 풍력발전 설비의 주요 부품과 재질 선정

2023년 10월에 노르웨이 국영 종합 에너지 기업 에퀴노르가 영국 북해에 위치한 도거 뱅크(Dogger Bank) 해상 풍력발전 단지에서 전력을 생산하여 영국의 가정과 기업에 공급하기 시작했으며, 2026년으로 예정된 전체 프로젝트가 모두 완성되는 시점에는 발전 설비 용량이 3.6GW에 이르는 세계 최대 규모의 해상 풍력발전 단지가 될 것이며, 연간 600만 영국 가정에 재생에너지를 공급할 수 있다.

풍력발전 설비의 구성 요소는 상부의 터빈 영역과 상부를 지지하는 하부 구조물로 구분된다. 터빈 블레이드는 대부분 복합섬유강화플라스틱으로 제작되며, 점차 그 크기가 대형화 되고 있다. 풍력발전 설비의 주요 재질 선정을 그림 1-22에 요약하며, 보다 자세한 내용은 제 6.2장에서 설명한다. (출처: Evaluating the environmental impacts of recycling wind turbines. Wind Energy, 22(2), 316-326.)

풍력발전으로 전기를 생산하려면 최소 3~3.5m/s의 풍속이 필요하며, 풍력발전의 경제성이 확보되는 최소 풍속은 평균 5.5~6m/s라고 알려져 있으며, 풍속이 25m/s 이상이 되면 발전기 고장을 우려하여 운전을 정지하도록 권고하고 있다.

설계 수명 20년 동안 풍력터빈은 높은 난류 공기역학적 하중과 여러 가지 피로사이클의 응력을 견디어 내야 한다. 분당 30~70 회전을 하는 대형 터빈은 연간 4,000시간 작동으로 수명 기간에 흔히 10⁸~10⁹ 사이클을 경험한다. 공기역학적인 하중 뿐만 아니라 상당한 중력, 원심력, 회전력, 관성력 및 제동하중도 작용한다. 해상 풍력 설비의 재질 선정과 적용에 있어서 피로 하중과 염분, 흡습 및 온도 구배 등에 의한 응력부식균열이 육상 풍력에 비해 더 중요한 주요 고려 사항이 된다. 터빈 블레이드와 로터 등의 주요 부품에 대한 내구성 뿐만 아니라 이들 설비를 설치하게 될 하부 구조물의 기계적 특성과 내식성에 기반한 재료 관점의 접근은 매우 중요한 고려 사항이다.

그림 4 터빈 블레이드의 일반적인 구조

터빈 블레이드는 제조 기술이 발달함에 따라 점차 크기가 커지고 있으며, 대표적으로 복합재료인 섬유강화플라스틱(FRP)으로 제조되고 있다. 강화 섬유로는 일반적인 유리섬유도 사용되지만, 좀 더 높은 고강도를 위해서 탄소 섬유와 아라미드 섬유도 적용 비중이 증가하고 있다. 지금까지는 주로 적층과 몰드에 수지와 강화 섬유를 혼합한 액을 주입하는 방법으로 블레이드를 제조하고 있으나, 최근 들어서 3D 프린팅 기법을 적용한 제조 공법도 부분적으로 연구 개발되고 있다.

현재 상용화된 풍력발전의 터빈 블레이드의 크기는 직경이 200m를 넘는 것이 설치되고 있으며, 요구되는 성능에 따라 큰 길이의 블레이드가 지속적으로 설치될 것으로 예상한다.

그림 5 풍력발전 터빈 블레이드의 크기 변화

터빈 블레이드를 포함하여 전체적인 풍력발전 설비의 크기도 점차 커지고 있으며, 2018년도 3월에 GE는 약 4억 달러를 투자하여 ‘할라이드엑스(Haliade-X)’라고 이름 붙여진 당시 기준으로 세계에서 가장 큰 풍력발전 설비를 네덜란드에 설치하겠다고 선언했다.

이 풍력발전 설비는 블레이드의 크기가 220m이고, 전체 설비의 높이는 260m로서 14MW의 전력을 생산하는 설비이다. 그 설비의 크기가 어느 정도인지는 그림 1-25를 통해 비교해 볼 수 있다. 앞서 터빈 블레이드에서 소개한 바와 같이 풍력발전 설비의 크기는 요구되는 성능과 제작 기술의 발달에 따라 점차 커지고 있다.

그림 6 GE가 개발한 Haliade-X 풍력발전 설비의 크기 비교

그림 7 해양풍력발전 설비의 하부 구조물 구분

해상 풍력 하부구조물은 고정식 해상 풍력과 부유식 해상 풍력에 따라 여러 세부 종류로 구분된다. 고정식 해상 풍력 하부구조물은 그 형상에 따라 모노파일, 트라이포드, 자켓 등이 있으며, 제작과 설치가 용이하지만, 피로 하중으로 인한 파괴와 부식 관리에 어려움이 있다.  부유식 해상 풍력 하부구조물은 반잠수식, 원통식, 인장 계류형 등이 있으며, 육상에서 제작하여 해상으로 이동하기 때문에 상대적으로 제작이 용이한 이점이 있으나, 비용이 과다하게 투입되는 아쉬움이 있다. 어느 경우에나 기계적 특성 뿐만 아니라 해수와 접촉하는 과정에서 발생할 수 있는 부식에 대한 고려가 필요하다.