[재생 가능 에너지 도입 확대와 스마트그리드] 해상 풍력발전의 새로운 전개

게재월 | 2014 - 01 조회143122 추천0

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2011년 말 세계의 풍력발전 설비 용량은 2억 3,767만kW에 달했다. 해상 풍력발전의 도입 확대를 위해 유럽 풍력발전협회는 2020년까지 4,000만kW, 2030년까지 1억 5,000만kW의 해상 풍력을 개발한다는 야심찬 목표를 세우고 대규모 해상 풍력발전소를 속속 건설하고 있다. 이 글에서는 빠르게 확대되는 세계 해상 풍력발전의 현황을 소개하면서 일본의 해상 풍력발전의 연구개발 노력과 앞으로의 전망에 대해 설명한다.


2011년 말 세계의 풍력발전 설비 용량은 2억 3,767만kW에 달했다. 이는 일본의 10개 전력회사가 소유하는 전력설비 용량인 2억 396만kW(2009년도)를 넘는 수치다.
일본에서의 풍력발전 설비 용량도 2011년 말 255만kW(1,870기)에 달했다.
한편 육상의 평야 지대에서는 풍력발전에 적합한 장소가 감소하고 있고, 산악 지역에서는 접근할 도로 정비 등의 비용 부담이 증가하기 때문에 앞으로 풍력발전의 도입을 확대하기 위해서는 긴 해안선을 살린 해상 풍력발전의 도입이 기대된다.
해상 풍력발전의 도입을 확대하기 위해 유럽 풍력발전협회는 2020년까지 4,000만kW, 2030년까지 1억 5,000만kW의 해상풍력을 개발한다는 야심찬 목표를 세우고 대규모 해상 풍력발전소를 속속 건설하고 있다.
이전의 육상 풍력발전과 같이 지금은 해상 풍력발전의 보급이 시작되고 있다.
한편 일본에서는 NEDO의 조사에 따르면 풍속 7m/s 이상, 이안거리 30km, 수심 200m까지의 해상 풍력발전의 부존량은 약 12억kW에 달하며 설치 가능 해역 내의 1%를 이용한 경우에는 1,200만kW의 설비 용량을 확보할 수 있다.
이 글에서는 빠르게 확대되는 세계해상 풍력발전의 현황을 소개하면서 일본의 해상 풍력발전의 연구개발 노력과 앞으로의 전망에 대해 설명한다.


‌‌해상 풍력발전의 현황


일반적으로 해상의 풍속은 강하고 기복이 적기 때문에 풍력발전에 적합하다.
도쿄, 뉴욕과 같은 대도시에서는 바람이 약하지만 근린 지역의 해상의 바람은 강해 방대한 풍력 에너지 부존량을 갖는다.
또 육상에 비해 해상에서는 경관이나 소음 등의 환경 문제가 적다는 이점이 있다.
그리고 도로 등의 제약 조건이 없기 때문에 대형 풍차의 운반·설치가 용이하다.
그 외에도 해상 부지의 제한이 적어 대규모 풍력발전소를 건설할 수 있기 때문에 풍차의 대형화와 윈드 팜의 대규모화를 실현할 수 있어 비용 저감이 가능하다.
대전력 소비 지역의 가까이에서는 전력 계통이 강해 대규모 해상 풍력발전소의 계통 연계가 쉽다.
이에 따라 유럽에서는 20년 전부터 해상 풍력발전에 대한 연구개발을 추진해 왔다.
1990년에 스웨덴의 해상에 설치된, 정격출력이 220kW인 1기의 풍차(Nogersund 해상 풍력발전소)가 해상 풍력발전의 시작이라고 알려져 있다.
또 1991년 덴마크에 건설된 Vindeby 해상 풍력발전소(정격출력 450kW인 풍차 11기)는 세계 최초의 해상 윈드 팜이다.
사진 1은 2000년에 덴마크에 건설된 세계 최초의 본격적인 상업 해상 윈드 팜(Middelgrunden 해상 풍력발전소)을 나타낸 것이다.


▲사진 1. 세계 최초의 상업 해상 윈드 팜


2,000kW의 풍차 20기가 해안에서 2km 지점에 건설됐는데 세계 제일의 아름다운 해상 풍력발전소로 불리고 있다.
그로부터 2년 후인 2002년에는 Horns Rev 해상 풍력발전소가 덴마크에 건설되어 2,000kW의 풍차 20기가 해안에서 14~20km 지점에 설치됐다. 이것이 세계 최초의 본격적인 대규모 해상 윈드 팜이다.
2011년 말 유럽의 해상 풍력발전 설비 용량은 381만kW에 달했으며 현재 건설 중인 9개의 윈드 팜을 포함하면 618만kW에 달한다.
또 유럽 12개국의 승인을 받은 프로젝트는 1,800만kW에 달한다.
표 1에 유럽의 상위 10곳의 대규모 윈드 팜의 일람을 나타낸다.


▲표 1. 유럽의 대규모 윈드 팜 일람


윈드 팜의 최대 규모는 해마다 커지고 있음을 알 수 있다. 세계 최대급의 해상 풍력발전소 런던 어레이(London Array) 제 1기의 설비 용량은 63만kW에 달하는데 앞으로 100만kW(1,000MW)로 확장할 예정이다.
이처럼 유럽의 해상 풍력발전소 규모의 증대와 함께 풍차의 사이즈와 정격출력 또한 커졌다.
과거 20년간 풍차 로터의 직경은 약 10배, 정격출력은 100배로 늘었다.
뒤에서 소개할 후쿠시마현 바다의 실증연구에 사용되는 풍차의 정격출력은 7,000kW, 풍차 로터의 직경은 165m에 달한다.
풍차의 날개 끝까지의 높이는 약 200m로 신주쿠의 초고층 빌딩 높이에 해당한다(사진 2).


▲사진 2. 7,000kW 부체식 해상 풍력발전 설비의 완성 예상도
(후쿠시마 해상 풍력 컨소시엄 제공)


풍차의 대형화로 풍차 로터에 유입되는 풍속이 커져 보다 많은 풍력 에너지를 얻을 수 있는 동시에 풍차에 작용하는 바람의 하중도 커지기 때문에 이를 줄이기 위한 공력 제어나 액티브 제어에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다.  
덴마크는 오랫동안 유럽에서 해상 풍력발전을 견인해 왔다. 그러나 2011년 영국에서 세계 최대의 설비 용량을 자랑하는 Walney 해상 풍력발전소가 가동되면서 해상 풍력발전 설비 용량도 209만kW에 달했다.
현재 영국은 전 세계 풍력발전 기업의 연구시설이나 제조 거점을 집적하여 풍력발전 사업을 국가의 일대 산업으로 발전시키는 동시에 세계의 해상 풍력발전 시장을 견인하는 역할을 하고 있다.
미국 파이크 리서치사의 조사에 따르면, 2011년 말 세계의 해상 풍력발전은 약 400만kW 정도였지만 2017년에는 7,100만kW로 약 17배 증가할 것으로 예측하고 있다.   
 
해상 풍력발전의 연구 개발


해상 풍력발전은 급속히 확대되고 있는 한편 몇 가지 과제도 안고 있다. 그 중 하나는 비용이 비싸다는 문제다. 해상 풍력발전은 육상 풍력발전에 비해 비용이 2배가 되는 경우가 있다.
이것은 풍황이 같은 경우 해상 풍력발전은 지지 구조물, 시공, 송전 및 유지관리 비용이 육상에 비해 고가이기 때문이다.
해상 풍력발전의 비용을 줄이기 위해서는 5~10MW의 대형 풍차 채용과 대규모 개발이 요구된다.
해상 풍력발전의 장기적인 목표로는 발전 비용을 현재의 절반 이하로 낮춰 2030년에 10센트/kWh(80엔/달러 환산, 8엔/kWh) 정도로 하는 것이다.
그림 1은 해상 풍력발전 설비 지지물 비용의 수심에 따른 변화를 나타낸 것이다.


▲그림 1. 지지물 비용의 수심에 따른 변화


모노파일 및 중력식은 수심 30m 이하, 재킷, 트리포드 및 트리파일은 30~60m 범위에 적용할 수 있다.
수심 60m 이상이 되면 착상식 비용이 비싸 부체식이 유리하다.
수심 100~200m 범위에서는 부체식의 비용은 수심에 따른 차이가 거의 없다. 이러한 특징은 대규모 해상 풍력발전소를 건설할 때 매우 중요하다.
예를 들어 로터 직경이 126m인 5MW 풍차로 구성되는 100만kW의 해상 풍력발전소에 필요한 풍차의 수는 200기, 해역 면적(10×8D=10.08km)은 약 10×20km이다.
이처럼 넓은 해역에서는 수심이 크게 변화한다. 부체식 기초를 채용한 경우에는 이러한 수심의 변화를 흡수할 수 있어 윈드 팜의 최적화가 가능하다.
수심 50~100m 범위에서는 두 형식 모두 비싸기 때문에 앞으로의 연구해야 할 과제다.  


(1) 착상식 해상 풍력발전
그림 2에 착상식 해상 풍력발전 설비 지지물의 구조 형식을 나타냈다.
그림의 1~5는 각각 모노파일, 중력식, 재킷, 트리포드, 트리파일이다. 모노파일은 구조적으로 심플해 설계·시공 상의 문제는 적지만 대형 풍차나 깊은 수심에는 적용할 수 없다.
해저 공사가 없어 비용이 저렴한 반면 큰 직경의 파일을 두드리기 위한 대형 유압 해머나 대형 작업선 등이 필요하다.
중력식은 해저 지반이 비교적 양호한 장소에 적합한 구조로, 연약 지반에는 적합하지 않기 때문에 해저면의 평탄도를 확인하기 위해 상세한 해저조사 및 마운드 제작이 필요하다.
또 제작을 위한 육상 야드 및 설치를 위한 대형 운반선이 필요하다. 재킷은 모노파일에 비해 구조가 튼튼하기 때문에 지반의 영향 및 파랑의 외력을 잘 받지 않고 강철 말뚝으로 지지하는 구조 형식이기 때문에 수심이 깊고 연약한 지반 조건에서 우위성을 발휘한다. 석유 가스 플랫폼 등에서 많이 사용되고 있는데 구조가 복잡하여 시공에 특수한 기술이 필요하다.
해상 풍력발전 설비 지지물은 모노파일, 중력식, 재킷 등 세 가지 기본 형식을 갖는데 다른 구조 형식은 이 3가지 기본 형식의 발전형 또는 하이브리드라 할 수 있다.
예를 들어 PC 중력식은 RC 중력식이 발전한 형태로, 트리파일과 돌핀은 4개 혹은 8개의 파일을 채용하고 있다.
트리포드는 모노파일과 재킷의 하이브리드이고, 하이브리드 중력식은 재킷과 중력식의 하이브리드이다.
이처럼 각종 구조 형식의 최적화를 통해 다양한 수심에 적합한 지지 구조물이 개발되어 해상 풍력발전의 비용 저감에도 공헌하고 있다.
유럽 풍력발전협회의 조사에 따르면 지금까지 건설된 착상식 풍력발전 설비 지지물 중에서는 모노파일 75%, 중력식 21%, 재킷 2%, 트리파일 2%이다.
2011년에 건설된 지지물 중에서는 모노파일이 69%로 압도적으로 많으며 재킷은 20%, 트리파일 10%로 크게 증가한 반면 중력식은 1%로 감소했다.
해상 풍력발전소를 건설할 때 이용하는 시공 방법도 프로젝트의 성패를 좌우할 뿐 아니라 건설비용에도 큰 영향을 미친다.
유럽에서 실시한 실증연구에서는 기후의 영향으로 실증기가 예정대로 설치되지 않는 경우가 있다.
일본의 해상도 너울이 심하기 때문에 설비의 운반·시공의 가동률 향상 및 해상에서의 작동 시간 단축은 해결해야 할 중요한 연구 과제이다.
설계·운반·시공 문제를 종합적으로 해결하기 위해 최근 해상 풍력발전 시스템의 통합 설계에 대한 시도가 있었다.
예를 들어 Bard Engineering사의 경우는 풍차, 지지 구조물, 시공에 관한 통합 설계를 하여 자사에서 개발한 5MW 풍차와 트리파일 지지 구조물을 합쳐 자사에서 제조한 풍차 설치용 선박 WINDLIFT-I를 이용해 시공한다.
WINDLIFT-I의 허용 승강 하중은 500t이기 때문에 풍차 나셀, 파일, 트랜지션피스 등의 부품 중량은 모두 500t 이하로 제한하고 있다.
풍차와 지지 구조물은 각각 독일의 Cuxhaven과 Emden항에서 제조한 후 수심 40m, 이안거리 87km의 해상에 각각 항구에서 출하된 지 48시간 내에 설치하는 것이 가능하다.
한편 일본의 기상·해상 조건은 유럽과 다르기 때문에 유럽의 사례를 그대로 적용하기에는 무리가 있다.
일본에서는 외양에서의 풍차 설치와 메인티넌스 경험이 없어 해상 풍력발전 설비의 안전성, 신뢰성, 경제성에 관한 다양한 과제가 있다.
이들 과제를 해결하기 위해 신에너지·산업기술 종합개발기구(이하 NEDO)는 2009년부터 일본 외양에서 최초로 해상 풍황 관측 시스템 및 해상 풍력발전 시스템의 실증연구를 개시해 북큐슈시 및 치바현 쵸우시 바다에 풍황 관측 타워 및 해상 풍차의 실증 설비 건설을 완료했다.
사진 3에 2012년 가을 쵸우시 바다에 건설된 관측 타워와 해상 풍차를 나타낸다.
쵸우시 바다 및 북큐슈 바다에서의 해상 풍황 관측 시스템과 해상 풍력발전 시스템의 건설 상황은 NEDO의 홈페이지에 소개돼 있는데 프로젝트의 배경·개요, 해상 작업 공정, 현장 리포트를 볼 수 있어 실증연구의 진척 상황을 알 수 있다.
이 연구에서는 일본 외양에서의 기상·해상 등의 자연환경 조건을 살펴보고 폭풍·파랑·지진 등의 외력을 받았을 때의 해상 풍력발전 시스템의 거동을 밝히는 동시에 일본의 자연환경 조건에 적합한 해상 풍력발전 시스템 및 시공 방법을 확립하는 것을 목표하고 있다).
이번 실증연구를 통해 얻은 성과는 5MW 이상의 대형 해상 풍차와 지지 구조물의 개발, 해상 풍력발전 시스템 설계에 관한 국제 기준 작성에 활용된다.


▲그림 2. 착상식 해상 풍력발전 설비 지지물의 구조 형식


(2) 부체식 해상 풍력발전
일본의 주변 해역에는 수심이 깊은 곳이 많기 때문에 부체식 풍력발전 도입을 조기에 실현해야 한다.
2011년에 실시한 부체식 해상 풍력발전 FS 조사에서는 현재 검토되고 있는 다양한 부체식 해상 풍력발전을 체계적으로 정리하여 이들 특징이나 기술적 과제를 한데 모아 정리했다.
상업 풍차를 이용한 부체식 해상 풍력발전은 노르웨이나 포르투갈에서 이제 막 실증연구가 시작됐다.
2009년에 시작한 노르웨이의 Hywind 프로젝트에서는 Siemens사의 2,300kW 풍차가 탑재된 수퍼형 부체식 해상 풍력발전 설비를 이용하고 있다. 또 2011년에 시작한 포르투갈의 WindFloat 프로젝트에서는 Vestas사의 2,000kW 풍차를 탑재한 세미서브형 부체식 해상 풍력발전 설비를 이용하고 있다.
양쪽 모두 실증연구에서 부체식 해상 풍력발전 설비 1기만을 건설하여 연구된 것으로, 앞으로 대규모 부체식 해상 윈드 팜을 실현하기 위해서는 몇 가지 기술적인 과제가 남아 있다.
한편 일본 정부는 2011년도 3차 보정예산에서 125억엔을 계상하여 후쿠시마현 바다 해역에 세계 최초의 부체식 해상 윈드 팜을 건설하기 위한 실증연구를 개시했다.
후쿠시마현 바다에서의 실증연구에서는 세계 최대급인 7,000kW 풍차를 이용하여 부체식 해상 풍력발전의 사업성 검증을 가능케 하고, 세계 최초의 부체식 해상 변전설비 및 66kV의 대용량 라이더 케이블을 개발하여 부체식 해상 윈드 팜의 건설을 가능케 한다.
이번 실증연구에서는 세계 최초의 부체식 해상 관측 시스템을 구축하여 부체의 동요를 고려한 기상·해상의 관측 방법을 확립하는 동시에 부체식 해상 풍력발전의 성능 평가를 가능케 한다. 그리고 여러 형태의 풍차와 부체를 이용하여 각종 부체식 해상 풍력발전 시스템의 성능 및 제어 효과를 밝혀 부식 및 피로에 강한 고성능 철강재를 개발한다.
그림 3은 후쿠시마 바다 부체식 해상 윈드 팜 실증연구의 목적을 나타낸 것이다.


▲사진 3. 쵸우시 바다에 건설된 관측 타워와 해상 풍차


그림 3. 후쿠시마 바다 부체식 해상 윈드 팜 실증연구의 목적


다양한 기술적 과제에 도전하여 앞으로 대규모 해상 풍력발전을 실현하기 위해 빼놓을 수 없는 어업과의 공존, 항행 안전성과 환경 영향의 평가 방법도 확립한다.
이번 실증연구의 목적 및 실증연구를 통해 얻을 수 있는 성과를 사회와 국민이 이해하기 쉽게 설명하고 국민과의 과학·기술대화 등에도 적극적으로 임할 예정이다
그림 4에 이번 실증연구의 계획을 나타냈다.


그림 4. 부체식 해상 윈드 팜 실증연구의 개요
(후쿠시마 해상 풍력 컨소시엄 제공)


제1기 실증연구에서는 2013년까지 25MVA의 변전설비를 탑재한 세계 최초의 부체식 해상 서브스테이션 및 2,000kW 다운윈드형 풍차를 탑재한 부체식 해상 풍력발전 설비 1기를 건설하여, 다양한 요소기술의 개발을 통해 부체식 해상 풍력발전 설비 설계에 필요한 기상·해상·부체 동요 등의 기초 데이터를 취득한다.
제2기 실증연구에서는 앞으로의 사업화를 목표로 2015년까지 세계 최대급인 7,000kW 풍차를 탑재한 부체식 해상 풍력발전 설비 2기를 건설하여 건설단가를 제1기의 절반으로 낮추고, 대형 풍차를 탑재한 부체식 해상 풍력발전 설비에 따른 대규모 윈드 팜의 사업성을 검증한다.  
현재 마루베니, 도쿄대학, 미쓰비시상사, 미쓰비시중공업, IHI 마린유나이티드, 미쓰이조선, 신일본제철, 히타치제작소, 후루카와전기공업, 시미즈건설 및 미즈호정보총연 등 11개사로 이루어진 컨소시엄은 경제산업성으로부터 위탁을 받아 후쿠시마현을 비롯한 주변 해역을 어업 관계자와 함께 전일본 체제로 실증연구를 진행하고 있다.
이번 실증연구의 목적 중 하나는 후쿠시마현의 풍력발전 관련 산업의 집적이다. 육상의 풍력발전 설비의 품목 수는 약 2만점에 달한다고 하는데 이는 가솔린 자동차의 약 3만점에 필적하는 수치다. 1MW의 풍차를 생산하면 15명의 고용이 창출될 것으로 보고 있다.
해상 풍력발전의 경우에는 지지 구조물, 송전 케이블, 해상 공사, 메인티넌스 등에 고용이 더욱 증가해 22명의 고용 창출이 기대된다.
각국 정부가 해상 풍력발전에 힘을 쏟는 이유는 해상 풍력발전에 의한 고용 창출 기대와 함께 부품이나 소재 등의 폭넓은 산업을 생산할 것이라는 기대 때문이다.
이번 실증연구를 통해 세계 최초의 부체식 해상 윈드 팜 노하우를 축적하여 장차 해외 프로젝트로 전개함으로써 수출 산업 중 하나로 육성할 수 있었으면 바람이다.
해상 풍력발전은 자동차 산업형의 산업 구조를 갖는데 중공, 기계, 전기, 건설, 조선, 재료 등 여러 산업과 관련이 있으며, 세계적으로 봐도 경제·고용 효과가 매우 큰 산업이다.
부체식 해상 풍력발전은 세계에서도 아직 새로운 기술이지만, 중전기, 조선, 소재 등 지금까지 일본이 자랑하는 기술을 무기로 하면 세계에서 우위를 점할 수 있을 것이다.
해상 풍력발전 분야에서 세계 제일 수준의 기술을 확립하게 되면 향후 성장이 예상되는 세계의 해상 풍력발전 시장에서도 활약이 가능하기 때문에 폭넓은 풍력발전 설비의 도입 확대는 국내 산업으로의 파급 효과도 크다.
세계의 풍력 개발에서는 토지의 제약이 적어 대형화와 대규모화가 용이한 해상 풍력발전으로 방향을 전환하고 있으며 시장 규모는 앞으로 더욱 확대될 것으로 보인다.
그러한 요구에 부체식 해상 풍력발전 기술로 답할 수 있다면 산업적으로도 큰 성장을 기대할 수 있다.


이시하라 다케시(石原 孟)
도쿄대학대학원 공학계연구과 교수

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