손 못 댄 풍력발전기 이대로 무너지나?

손 못 댄 풍력발전기 이대로 무너지나?

풍력발전기의 안정적 효율적 운영을 위한 유지 보수의 중요성

  지난해 7월 7일 제주도에 위치한 김녕 풍력발전기는 시커먼 연기를 뿜었다. 1시간 30분간 연기를 뿜어낸 후 자연 진화됐고, 인명피해는 없었다. 현재까지 밝혀진 원인으로는 브레이크 시스템의 불완전 작동에 따른 로터 디스크와 캘리퍼 마찰이지만, 제주에너지공사는 브레이크 시스템이 불완전하게 작동된 이유에 대해서 나셀 내부의 유압시스템, 제어기 등이 전소돼 정확한 원인 파악이 힘들다고 답했다. 제주에너지공사가 원인으로 지목한 로터 디스크와 캘리퍼 마찰은 제어시스템에 문제를 짐작게 한다. 캘리퍼는 브레이크 패드를 잡아주는 역할을 하는데, 이 부분에 불이 붙을 정도로 과열됐다는 것은 제어시스템이 제대로 작동하지 않았다는 것을 의미하기 때문이다. 이때 제어시스템은 육안으로 확인이 가능한 단순 유지 보수 작업이 아니다. 정기적인 정밀 안전검사를 통해서 확인할 수 있다.

                                                                

[사진1. 김녕 풍력 발전기 화재당시 사진]

출처 : 제주의 소리

  여러 풍력에너지 관련 사례들을 살펴보면 풍력발전은 단지 개발 단계를 넘어서 에너지 발전 문제와 관리 인력, 토양 및 해양 건설 문제와 기타 이익관계가 존재하며 이를 통해 현재 우리나라의 풍력발전기의 유지 보수 문제는 전반적인 국내 풍력 발전 현황과도 관련성을 띄는 것을 유추할 수 있다. 그렇다면 풍력발전으로 좋은 면모를 보인 북  유럽계 나라들의 에너지 시장은 대한민국의 풍력산업과는 어떤 차이를 나타내고 있을까.
 
 전 세계적으로 북유럽 국가들은 신재생에너지 산업에 대하여 이미 성장기를 넘어선 상태에 있다. 풍력발전의 대표기업인 ‘Vestas’의 본 고지 덴마크와 독일이 이미 풍력 발전 전력의 기여도가 큰 나라들이라 대표할 수 있다. 덴마크의 경우에는 이미 전체 소비전력의 42%에 달하는 전력을 풍력발전이 담당하며, 세계 풍력 시장의 20% 이상을 육박한 풍력발전의 본고장이라 할 수 있다. ‘제4차 한국-덴마크 녹색성장 동맹회’에서 몬슨 장관은 2050년까지 에너지의 100%를 재생에너지에 의존 할 것이라 연설하였고, 초기 육상풍력발전에서 풍력발전 적지 문제로 점차 해상 풍력발전기로의 확대를 계획함을 전하였다. 덴마크의 대부분의 정당은 2012년 3월, 2020년까지 100~165개의 풍력발전 해상풍력 단지를 계획하는 새로운 에너지 정책을 펼치며, 이에 따라서 정부는 발전 설립에 적합한 장소를 선정하여, 환경영향 평가와 전송 계통 운영자(TSO) 등의 기본 조사를 시행 후 적합 지역 후보지를 맡을 기업을 결정한다. 이는 기업과 국가가 협력함으로써 짧은 생산 기간에 신재생에너지 사업에 앞장설 수 있으며 낮은 가격에 해상풍력 발전이 원활히 공급될 수 있는 것이다. 또한 에너지 소비가 급증하는 현대사회에서 가격 경쟁에 다소 떨어지는 해상풍력일지라도 증가 추세를 보일 것이며, 기술의 발전으로 생산단가가 절감할 것으로 예상되어 덴마크의 해상풍력발전은 그 전망이 좋다.
  독일의 경우에는 공학 계열 전반적인 산업에서 축적된 기술력과 전문화된 풍력에너지 교육 시스템을 통하여 인적자원에도 기여하며, 자국민들이 체르노빌 원전 문제로 인하여 신재생에너지에 관한 긍정적 인식으로 지니고 있다. 또한, 2050년까지 에너지 소비율을 2000년의 60%로 줄이고, 남은 40%의 60%를 재생에너지로 충당하겠다는 계획과 함께 목표 달성을 위해 독일 정부는 많은 시행과 투자를 지원하고 있다. 이처럼 재생에너지 분야의 발전에는 국가적 재정 지원과 함께 기업의 연구와 인적 자원이 함께 조화를 이루면 그 발전에서 긍정적 에너지를 불러일으킨다.

[그래프 1. 유럽 각국의 풍력 시장 성숙도 ]

출처 : EWEA

    대한민국은 태양광, 태양열, 바이오매스 등 8개의 재생에너지 분야와 수소에너지 연료전지와 같은 신에너지를 통해 총 11개의 신재생에너지 분야를 발전시켜왔다. 한국에너지공단 신·재생에너지 센터의 ‘2014년 재생에너지 보급 통계’를 살펴보면 전반적으로 국가의 에너지 생산구조가 신재생 에너지 발전에 관심을 기울이고 있음을 보여준다. 석탄, 석유, 원자력과 같은 1차 에너지 대비 신재생에너지 차지 비율이 4%를 넘어서면서 점차 상승곡선을 그리고 있다. 그럼에도 풍력발전을 통한 에너지 기여는 재생에너지의 2.1%로 그 양이 미비하다는 것을 해석할 수 있다.

 

 정부는 2030년까지 신·재생에너지를 11%까지 확보할 계획을 가지고 있으며 실제 풍력발전  단지를 개발 중에 있다. 또한 풍력발전을 통한 에너지 공급을 확보하겠다는 발표를 가짐에도 대한민국은 아직 풍력발전에 있어서는 문제점을 지니고 있다. 풍력발전은 설치가 간단하고 유지관리에 유리하고 주변 자연을 파괴하지 않는다는 장점이 있지만 높은 기술력을 요구하는 만큼 국내 조선·중공업, 해양플랜트, 건설 등의 업계에서의 기여도가 요구된다. 발전 시스템, 날개, 타워, 부품으로 나뉜 4가지 요소에서 R&D 및 기술 개발, 시험 연구기관이 함께 동반되어 성장을 도모할 수 있어야 하지만 국내 풍력산업에서는 아직 투자가 적은 편이며 많은 부분 보급정책에 치우쳐 있다. 2012년을 기준으로 국내 29개 육상풍력 단지 중 17개가 Vestas를 비롯한 외국산 터빈이며, 발전사업자에서 총 발전량의 적정 비율을 신재생에너지로 공급하도록 의무화한 RPS(Renewable Energy Portfolio Standard, 2012년 1월 시행) 제도 역시 국내 제품에 사용에 관한 의무 규정이 없어 외국산 제품의 수입에 의존하고 있는 현실이다. 또한 우리나라는 좁은 국토 면적으로 재생에너지 자원이 부족한 입지적 조건을 지니고 있으며, 에너지관리공단의 보고 자료에 따르면 예상 풍력 잠재량은 독일에 비해 25분의 1 정도의 비율로 낮다. 특히나 풍력발전은  환경문제와 입지 조건 선정에 까다롭고, 풍력발전기의 소음과 기타 문제로 주민의 수용성이 낮아 풍력발전기 보급에 문제가 있어 3차 기본계획에 정한 목표치에 비해 실제 풍력발전의 보급률은 36.4%로 제약이 따른다. 그렇지만, 최근 2015년 7월 ‘신재생에너지 연료 혼합의무제도(RFS)'를 시행하여 수송용 연료에 재생에너지의 연료를 일정 혼합 공급함으로 신재생에너지 투자를 확대하고 있으며 여건에 따라 RPS 공급의무 비율도 조정하고 있어 재생에너지의 발전에 좋은 인식을 얻을 것이라 전망한다. 그렇다면 이제 국내의 풍력발전의 현황에 대해 기업을 통해 알아보자.
  세계의 3분의 1 이상의 점유율, 국내 풍력발전기의 절반가량 차지하고 있는 세계적 기업 ‘Vestas'이다. 전 세계적으로 몇 만여 대의 제품을 보유하면서도 Vestas는 관리 단계 단계가 치밀하다. 고가의 제품이며 전 세계로 수출됨에 따라 2년의 제품 테스트를 통해  극저온, 고온  및 가능한 환경에 관하여 많은 실험을 거치며 세계의 Vestas 풍력발전기의 운영사항을 기록하고 기후 시스템과 데이터를 저장하여 다양 환경에 따른 데이터베이스를 만든다. 또한 자체 인증을 통하여 각 부속품들은 문제없이 기능에 맞게 설비되었는지 항시 점검되고 있다. 오랜 기간의 연구 노하우와 숙련된 엔지니어를 바탕으로 풍력발전기의 1위 기업이라 불리는 베스타스의 강점인 것이다. 최근에는 전력 생산이 많은 해상풍력의 관심이 높아짐에 있어 해풍, 조수, 염분 및 플랜트에 이르러 여러 상황을 고려하여 해상화를 위해 힘쓰고 있으며 창의성 있는 여러 인재들을 채용하여 각 지역 배치하고 있다. 국내에서는 2006년 Vestas korea를 통해  서비스를 제공하며 최근까지 2010년도 70%가량의 풍력발전기의 터빈을 Vestas가 담당했다. 하지만 2013년 국내 중공업 회사들이 제조의 약진으로 성장하면서 Vestas의 점유율은 낮아졌다. 그럼에도 Vestas는 풍력발전기 공급에 있어 사후관리와 일정 기간의 서비스 및 유지관리 항목을 우선시하기에 최적의 운영 상태를 보인다. 이는 앞으로의 국내 기업이 추구하여야 할 부분으로도 보인다.

  다음 국내 풍력발전과 발맞춰 앞서는 외국계 기업은 ㈜로맥스 테크놀로지코리아이다. 로맥스 테크놀로지는 1989년 CEO 피터 푼(Dr. Peter Poon)에 의해 설립되었고, 본사는 현재 영국의 노팅엄에 위치하고 있으며 한국, 프랑스, 독일, 미국, 인도, 중국 등 풍력발전에 투자를 하고 있는 세계 12개국에 지사를 두고 있다. 27년의 역사 동안 창조, 혁신, 지속 가능한 동력 솔루션 제공이라는 비전을 지니고 단기적인 안목보다 미래를 보는 시선으로 운영되고 있으며 기술 리더십을 위해 전 세계 많은 대학, 기업, 정부 기관의 R&D 프로젝트에 협력하고 있다. 국내에서는 지난 2011년 제주대 공과대학과 학술교류 및 상호 협력에 관한 MOU를 체결했고, 지난 2010년에는 세계 최초로 GL(GL Renewables Certification) 인증 기어박스 소프트웨어를 개발했다. 이를 통해서 풍력발전기의 내부 설계 및 해설 툴로써, GL에서 요하는 고차원적 비선형성을 고려한 솔루션을 제공할 수 있게 되었다. 이렇게 풍력발전 및 자동차 산업의 기어 박스, 드라이브 트레인에 대한 소프트웨어를 구축하면서 입지를 다졌다. 최근에는 ‘풍력발전기O&M 스마트플랫폼’으로 아시아와 미국시장 공략에 성공했고, 그로 인해 미국 최대 풍력발전 단지 윈디 플랫 풍력발전단지의 진단 프로젝트를 맡고 있는 EDF REnwewables Service사는 2015년 9월부터 ‘풍력발전기O&M스마트플랫폼’를 통해서 정밀진단하고 있다. 국내에서는 2004년부터 유일한 풍력발전기 유지보수 업체로 풍력발전에 열을 올리고 있으며 신안 풍력복합발전회사의 3MW급 풍력발전기 3대의 출력 성능 향상 프로젝트를 맡아 정밀진단, 문제 해결과 주요 부품의 점검 및 사용 방안을 제시하면서 전체적인 해결책을 제공하고 있다. 이러한 기술적 데이터를 통해 제주도 행원과 신창 풍력발전단지를 관리하며 가동률 10% 증가의 결과물을 만들고 유지 보수의 전문 기업으로 입지를 잡고 있다. Vestas와 로맥스의 유지관리에 대해 알아보았다. 다음은 풍력에너지 유지 보수 계획 및 방법에 대해 알아보자.
 
  풍력의 활용성이 증가함에 따라 기존 계통에 풍력이 전력 공급에 중요한 축으로 자리 잡게 되었다. 하지만 풍력 발전기는 발전 비용에 비해 유지보수 비용이 더 많이 지출되는 시스템이므로 유지보수 업무를 통한 신뢰도 기반 유지보수를 도입하여 유지보수 계획을 수립 후 유지보수 업무인 고장정비(CM), 예방정비(PM), 상태 기반 정비(CBM)를 결정 하여 유지 보수 업무를 효율적이고 경제적으로 하여야 한다. 따라서 풍력 설비의 신뢰도 분석을 통한 효율적이고 경제적인 유지 보수 계획을 세워야한다.

                                                              

[그래프2.  동작 감퇴 계수를 고려한 고장률] 

 유지보수 및 워크 플로어 풍력발전기는 위 그림과 같이 고장률을 고려하여 적절한 유지보수 업무를 이뤄야 한다. 유지보수 작업(유지보수 워크플로어)은 고장 발견 및 진단, 고장과 유지 보수 선정, 유지 보수 계획, 유지보수 추적 및 실행 단계로 진행되어야한다.
설비의 워크 플로어 수립하고 최적의 유지보수 계획을 시행할 수 있다.
  위 그래프가 고장률을 통한 신뢰도를 고려한 유지보수 계획이라면 아래는 유지보수 계획을 세우기 위해서는 예방 및 고장 유지보수에 따른 주기를 선정관련 그래프이다. 이러한 주기를 선정하기 위해서는 유지보수 주기에 따른 비용과 신뢰도 사이에 나타나는 상충관계(Trade-off relation) 를 고려해야 한다.

                                                                

[그림3. 유지보수 주기에 따른 고장(Failure)확률과 유지보수 비용의 상충관계]

 위 그래프에 나타낸 것처럼 일반적인 유지보수 계획에서, 주기가 짧아지면 시스템의 신뢰도는 좋아지지만, 유지보수비용이 증가하게 된다. 반대로, 유지보수주기가 길어지게 되면 유지 보수  비용이 감소하는 대신 고장확률이 증가하게 된다. 위 그림의 사례연구에서는 시스템 신뢰도 95%수준을 만족하기 위해서 유지보수주기를 65일 이하로 설정해야한다는 것을 볼 수 있다.

                                                             

[ 그림4. 풍력발전기의 발전 손실비용 ]

위 그래프에서 유지보수주가 길어질수록 발전하지 못하는 기대비용이 올라가는 것을 볼 수 있다. 이것은 풍력발전기의 고장확률이 유지보수 주기가 길어지면서 커지기 때문이다.

    [ 그림5. 기존의 방법에 의한 발전 손실비용 및 유지보수 비용]

                                                               

  위 그래프는 그림 1과 2의 결과를 종합하여 최적의 유지보수 주기를 구한 것이다. 풍력발전기를 하나의 컴포넌트라고 가정하여, 고장 시 고장시간이 긴 4개 컴포넌트 유지보수주기 동일하게 하는 기존의 방법을 이용하게 되면 유지보수 비용과 발전 손실비용을 합한 총 비용이 최소가 되는 지점이 최적점이라고 생각할 수 있지만, 0.95의 신뢰도 제약조건을 만족해야하기 때문에 유지보수주기를 65일 이하로 해야 한다는 것을 알 수 있다.
  유지보수 계획을 세우기 위해서는 유지 보수 주기를 산정하여야 하는데, 유지보수 주기와 신뢰도 사이에는 상충관계(Trade-off relation)가 존재 하게 된다. 시스템의 신뢰도와 유지보수 비용 사이의 상충관계(Trade-off relation)를 해결하기 위해 신뢰도 기반 유지보수(Reliability Centered Maintenance, RCM) 기법을 풍력발전기에 도입하여 적정 신뢰도를 고려 한 최적의 유지보수 주기를 찾아 상충관계 (Trade-off relation)를 해결하였다.

  신재생에너지의 연구과정과 변환점에 존재하는 지금의 시점에서 태양광 에너지와 풍력에너지가 현실적 상황에서 대두되고 있다. 터빈 제조, 발전기 설치 및 건설, 발전 사업, 연구개발 및 서비스 등 4개 부문으로 구성된 풍력발전에서 유지보수 서비스 또한 미래의 중요한 과제 중 하나로 보인다. 그런 의미에서 앞서 로맥스와 베스타스라는 외국계 기업이 풍력발전의 유지 보수 분야에서 보여준 과감한 투자와 기술 개발은 풍력발전의 미래에 굉장히 중요한 요소라고 할 수 있다. 또한 풍력발전이 육상에서 해상으로 옮겨가고 있는 현재, 발전 단지에 대한 접근성이 떨어져서 발전기가 고장 났을 때 문제를 해결하기 위한 시간이 길어지게 되므로 보다 합리적이고 체계적인 유지 보수 계획이 필요하다.
  제도적인 문제 또한 우리나라가 극복해야 하는 문제 중 하나이다. 앞서 언급된 김녕 풍력발전기 사고로 인해서 제주도는 ‘풍력발전사업 허가 및 지구 지정 등에 관한 조례’ 개정을 추진한다고 밝혔다. 하지만 제주도에 설치된 풍력발전기는 87기 정도이고, 국내에 설치된 풍력발전기는 400개에 달한다. 그렇다면 대략 300개가 넘는 풍력발전기는 또 다시 무방비 상태에 노출된다. 이 문제는 정부와 풍력발전기가 설치된 각 시, 도에서 힘을 합쳐 해결해야 할 것이다.

                            

* 참고자료

• Risk Cost를 고려한 풍력설비의 최적의 유지보수 계획(한국조명·전기설비학회 학술대회논문집)
  각 유지보수 기를 고려한 풍력발전 설비의 유지보수 계획에 관한 연구 (한국조명·전기설비학회 학술대회논문집)
  한국풍력산업협회
  한국에너지공단 신재생에너지센터