바다에서 불어 오는 열풍, 해상풍력 - 기술편

바다에서 불어 오는 열풍, 해상풍력 -기술편

 작성자 : 김재환

▶ 육상에서 해상으로 풍력발전이 이루어지고 있는 이유는 무엇인가?

 기존 육상풍력발전에서 해상풍력발전으로 바뀌고 있는 추세의 이유는 해상풍력의 장점이 돋보이기 때문이다. 해상 풍력발전은 육상에서의 풍력발전보다 풍력에너지 밀도와 균일한 풍속,풍향의 분포와, 초대형 풍력 발전시스템 건설의 가능성과 대형 부지 확보의 용이성, 소음문제, 그림자, 전파방해등 육상풍력발전의 단점을 해결 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 풍력발전에서 가장 중요한 바람의 에너지밀도가 높다는 점은 바다의 육상보다 상대적으로 마찰을 일으킬 장애물이 없기 때문이고 바람의 난류와 높이, 방향에 따른 풍속 변화가 적은 장점이 있다. 또한 해상풍력발전기의 터빈에 의한 소음은 거주지로부터 멀리 떨어져있기 때문에 육상에서는 날개 끝 속도를 60m/s로 제한되고 있지만 100m/s를 초과하는 고속화할 수 있어 발전제한속도를 높일 수 있게 된다. 이는 해상풍력발전을 통해 더 높은 발전량을 가질 수 있다는 것을 뜻하고 대형 단지조성과 초대형 풍력발전을 할 수 있어 경제성향상이라는 기대를 할 수 있게된다. 하지만 기초 및 설치공사의 기술적, 경제적 과제와 바닷물에 의한 부식 대책, 보수점검, 어업 보상 등 문제점은 해상풍력의 해결과제라고 할 수 있다.

[그림1. 해상풍력발전단지]

출처 : KOTRA

 

▶ 해상풍력 단지를 구성하기 위한 필요 기술

- 부지평가 및 계획기술

- 터빈제작 및 시공기술

- 유지관리기술 및 계통연계기술

 부지평가 및 계획기술은 해상풍력발전을 위한 최적 위치를 선정하여 시공성 및 경제성을 확보하고 발전효율을 극대화하기 위한 기술이다. 터빈 제작 및 시공기술은 해상풍력발전 단지 조성을 위한 제품제작 및 해상시공기술을 확보하여 최적의 공사를 수행하기 위한 기술이다. 유지관리기술은 해상풍력단지 건설 후 발전량 측정 및 예측 작업을 시스템화 하는 기술이며, 내부 또는 외부적인 원인에 의한 오작동과 장비 고장 및 노후 교체 등에 해당하는 기술이다. 계통연계기술은 해상풍력단지 내의 전력계통 연결 및 육상변전소까지의 전력선 연계 기술로 기존 전력망과 안정적인 연계기술 및 원활한 전력공급을 위한 기술이다.

 해상풍력발전은 이러한 기술을 바탕으로 부지를 선정부터 단지조성 및 계통연계까지 이르러 발전을 하게 된다.

▶ 해상에 구조물을 설치 방법

 해상 풍력발전의 개발에 있어서 가장 중요한 것은 해상에 구조물을 설치 하는 것이다. 일반 육상용 풍력발전기와 비슷하지만, 타워의 기초와 해수에 의해 발생되는 부식방지를 위한 풍력발전시스템의 해양화가 가장 핵심적, 그 중 가장 기술적이고 경제적인 요소가 되는 타워의 기초는 4가지로 분류할 수있다.

-Gravity Based Foundation : 낮은 수심에 콘크리트 중량을 이용한 기초형식으로 Steel,콘크리트를 사용하여 수심 10m내외 가능하다. 수심이 얕고 해저면 단단한 지반과 해저지반 정리필요, 세굴보호공 반드시 필요, 토사 이동 많은 지역 사용의 어려움의 특징이 있다.

-Mono-pile : 가장 일반적으로 사용하고 국내외적으로 사용화 되어 있는 다른 기초 형식에 비해 경제적인 공법이다. 적용수심은 25m까지 가능하며 해저지반 정리할 필요 없이 시공가능하고 제작이 상대적으로 간단한 특징을 가지고 있다.

-Tripod pile : 수심이 다소 깊은 곳인 30m 이상 가능 하며 큰 용량의 터빈 사용가능하다. 하지만 선박 접근이 용이치 않고, 제작 및 설치비가 상대적으로 고가인 단점이 있다.

-Floating system : 부유식 풍력발전 시스템이라고 불리는 이 시스템은 해상에 떠있는 부유체위에 타워를 고정시키고 부유체의 운동을 계류 시스템으로 제어하는 시스템, 해안에서 멀리 떨어져서 설치할 수 있기 때문에 주변환경에 미치는 소음과 전자기 등의 영향이 적은 장점을 가지고 있다. 부유식은 해상에 떠 있어 파도, 바람 등의 주위 환경의 영향을 많이 받아 고정식에 비해 움직임이 크다. 이 움직임이 최대한 작도록 부유시스템을 설계하는 것이 최대 관건이라고 할 수 있다. 부유식 구조물의 형식은 방법에 따라 폰툰형, 주상형, 인장 계류형으로 분류된다.

[그림2. 해상구조물 설치 방식]

출처 : Wind Power Engineering

▶ 부유식 풍력발전(Floating system)의 중요성

 육상이나 연안에 설치된 고정식 해상 풍력발전시스템은 기술 주기상 발전기에 도달해 있어 시장 진입장벽이 크다. 부유식은 아직 세계적으로 개발 단계에 있고 상용화 되지 않아서 기술을 선점할 가능성이 크다. 장기적인 관점에서 조선/해양 및 토목분야에서 새로운 시장개척으로 사업영역을 넓히는 계기를 마련할수 있다. 또한 풍력발전 시스템의 특성상 대형화가 될수록 경제성이 있기 때문에 해상에 설치하는 것이 유리하며 이 경우 부유식 풍력발전시스템이 고정식에 비해 경제성이 높다는 장점을 가지고 있다.

▶ 해상풍력발전의 동향

 우리나라 또한 서남해 해상풍력단지조성을 진행 중에 있다. 서해안에 2.5GW 용량의 대단위 해상풍력발전단지를 조성하는 것을 골자로 해상풍력 로드맵이 발표되었다. 덴마크, 스웨덴 등 해외 성공사례와 진행사항과 더불어 우리나라의 해상풍력발전의 진행사항과 발전가능성 대해서 다음기사를 통해 이야기하려 한다.  

 

 

▶출처 

1. KOTRA https://www.kotra.or.kr/

2. Windpower https://www.windpowerengineering.com/

3. 풍력공학 입문 -고경남 문운당