대형 초전도 풍력발전기 개발 필요성 및 현황
대형 초전도 풍력발전기 개발 필요성 및 현황
  • 성해진
  • 승인 2020.04.06
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10MW급 초전도 코일 개발 성공 … 기존 대비 1/3수준 감소
대형 초전도 풍력발전기 제작 및 상용화 기대

❶ 서론

성해진 창원대학교 연구교수

2017년 정부가 재생에너지 3020 이행계획을 발표한 이후 원자력과 석탄의 단계적 폐지 등 재생에너지의 비율을 높이기 위한 새로운 에너지 전환계획이 진행되고 있다. 지난해 재생에너지 보급은 3분기 기준 2.6GW를 넘겼으며 신재생에너지 보급 수치도 증가하고 있는 추세다. 하지만 국내 신재생에너지 보급은 태양광 발전에 집중돼 있어 재생에너지 3020 목표를 달성하기엔 아직 부족하다는 지적이 많다.

전문가들은 정부의 재생에너지 3020 목표를 달성하기위한 성패는 풍력산업에 달려있으며 특히 우리나라는 선박과 해상플랜트 분야의 기술경쟁력을 갖추고 있어 조선 산업에 이어 신성장 산업으로 부유식 해상풍력에 대한 높은 잠재력과 보급 확대를 강조하고 있다.

풍력발전의 경우 대형화가 될수록 LCOE(균등화 발전비용) 비용이 낮아짐에 따라 해외에서는 10MW급 이상의 대형 풍력터빈에 대한 기술개발이 적극적으로 진행되고 있다. 하지만 국내의 경우 3MW 이상급이 상업가동 중인 경우가 거의 없으며 두산중공업이 개발 중인 8MW도 오랜 시간이 필요한 상황이다.
풍력산업계의 국내업체가 자생력을 갖추고 국외 선진사와의 기술격차를 줄이기 위해서는 대형 풍력터빈의 국산화가 시급하며 풍력발전 시장의 원활한 진입을 위해선 국제표준화에 대한 선점 또한 필수적이다.

현재 대형 풍력터빈를 개발하는데 있어 가장 큰 걸림돌은 Nacelle의 하중증가에 따른 Tower 및 Foundation의 스트레스 향상과 이에 따른 운송 · 설치 비용 증가다. 무엇보다 부유식 해상풍력에 대한 관심이 집중되면서 해당 이슈는 더욱 커지고 있다. 이에 대한 해결방안으로 초전도 풍력발전기라는 기술이 제시됐으며 현재 전 세계적으로 많은 연구자들이 초전도 풍력발전기의 상용화에 힘쓰고 있다.

일반적인 풍력발전기의 경우 구리코일 또는 영구자석을 발전기 내부에서 회전시켜 쇄교 자속으로 인해 전압전류를 유도시키는 방식이다. 그러나 용량이 증감함에 따라 그 무게 또한 증가해 10MW급 이상의 용량에서는 300톤 이상의 하중을 갖게 된다. 반면 초전도 풍력발전기의 경우 얇은 초전도선을 사용해 초전도코일을 만든다. 기존 구리선보다 단위 면적당 높은 허용전류를 이용해 기존 발전기 대비 5배 이상의 쇄교자속 밀도를 발생시킬 수 있어 무게와 부피를 최대 3분의 1까지 줄일 수 있다는 장점을 가지고 있다.

❷ 현황

이에 따라 그림 1 에서와 같이 현재 전 세계적으로 초전도 풍력발전기 연구개발을 진행하고 있다. 유럽의 경우 대표적으로 SUPRAPOWER와 EcoSwing 프로젝트가 있다. SUPRAPOWER 프로젝트(그림 2)는 2012년 12월에 시작해 2017년 5월에 완료된 EU FP7 프로그램 지원 연구 프로젝트로써 유럽 내 9개 기관이 참여했으며 총 540만 유로가 투자됐다.

이붕화 마그네슘(MgB2) 초전도선을 활용해 혁신적이고 가벼우며 신뢰할 수 있는 10MW급 해상 풍력발전기를 설계함으로써 해상 풍력 산업 솔루션에서 중요한 혁신을 제공하는 것을 목표로 한 프로젝트다. 이 프로젝트는 10MW급 직접구동방식의 동기발전기를 설계하고 1극에 대한 초전도 코일을 제작해 회전형 극저온 냉각시스템을 부착, 냉각 및 초전도코일의 전자기 특성에 대
한 테스트를 성공적으로 완료했다.

EcoSwing 프로젝트(그림 3)는 2015년부터 유럽 연합 Horizon 2020의 지원을 받아 총 4년에 걸쳐 1,300만 유로가 지원되며 총 5개의 나라에서 9개의 기업 및 연구소가 참여했다. 3.6MW, 15rpm, 128m rotor의 고온 초전도 풍력발전기를 전체 설계 및 제작, 실증하게 되며 기어박스가 없는 직접구동방식으로 전력변환 장치를 통해 운전한다. 이후 동일하게 적용 일반 영구자석 동기발전기와 비교분석을 통해 무게를 40% 감소시키며, 가격 경쟁력 분석을 통한 초전도발전기의 경제성을 입증하는 것을 목표로 진행하는 프로젝트다.

전 세계적으로 초전도 풍력발전기 관련 프로젝트 중 가장 큰 규모이며 제작된 초전도 풍력발전기 용량 또한 최대 규모다. 3.6MW 초전도 풍력발전기(그림 4)는 성공적으로 제작 · 설치 · 운전 됐으며 발전기 및 전력 변환기는 목표 범위 +3MW에 도달, 650시간 이상 운전했다. 프로젝트 일정에따라 EcoSwing은 2019년 4월 25일 운전을 마지막으로 종료됐다. EcoSwing 프로젝트를 통해 초전도 풍력발전기의 가능성을 입증했으며 풍력시장 진입을 위한 표준화 제정에도 큰 영향을 끼쳤다.

미국 에너지부 (DoE)에서는 2019년 7월 유럽의EcoSwing 프로젝트의 성공을 언급하면서 미국에서도 풍력터빈 개발에 대한 지원계획을 밝혔다. 3가지 타입의 12MW급 풍력터빈 개발에 대한 지원을 계획하고 있으며 이 중 2가지 타입이 초전도 풍력발전기와 연관돼 있다. 총 800만 달러를 지원할 계획이며 General Electric사에서는 저온초전도 풍력발전기를, American Superconductor Corporation사에서는 고온초전도 풍력발전기 개발을 두고 경쟁할 계획이다.

국내에서는 2030년까지 20% 재생에너지 달성을 위한 한국형 10MW급 초전도 풍력발전기용 부유식 해상풍력터빈 플랫폼개발을 목표로 한 에너지신기술 클러스터 프로젝트가 진행 중에 있다. 에너지신기술 클러스터 프로젝트는 한국전력 전력연구원(원장 김숙철)이 지원하는 ‘에너지거점대학 클러스터 사업’ 중 하나다. 에너지신기술 클러스터 프로젝트란 미래 핵심기술 확보를 위해 창원대학교 등 국내 24개 대학에서 580명의 연구 인력이 참여해 클러스터별로 △인공지능 △정보통신기술 융복합 △사물인터넷센서 △에너지 신기술 △차세대 전력계통 5개 기술 분야에 대한 기초연구를 수행하는 사업이다. 이 중 에너지신기술 클러스터 프로젝트는 한국전력 전력연구원으로부터 총 60억 원을 지원받아 2018년 3월 초부터 3년간 창원대학교, 울산대학교, 제주대학교, 인천대학교, 안동대학교 총 5개 대학이 참여하여 연구를 수행 중에 있다(그림 5).

창원대학교는 이 프로젝트의 주관기관으로 10MW 초전도 풍력발전기를 설계하고 1극 초전도계자코일 및 초전도코일용특성평가장치(그림 6)를 제작 및 테스트하는 것을 목표로 하고 있다. 울산대학교는 10MW 초전도 풍력발전기용 부유시스템 설계분석하고 스몰스케일로 부유시스템을 테스트한다. 제주대학교와 인천대학교의 경우 10MW 초전도 풍력발전기용 부유식 해상풍력터빈 모델 개발 및 풍력단지 계통연계 분석을 수행한다. 안동대학교는 초전도 풍력발전기용 초전도선재 기계적-전기적 특성을 분석하고 초전도계자코일 설계 성능을 향상시키기 위한 요소기술을 개발한다.

1차 년도에는 10MW 초전도 풍력발전기 및 부유시스템에 대한 상세설계를 수행했으며 2차 년도에는 10MW 초전도 풍력발전기용 1극 초전도계자코일 제작에 성공(그림 7)했다. 마지막 3차 년도인 현재는 초전도코일용 특성평가장치를 제작해 10MW급의 출력토크를 동일하게 구현, 1극 초전도계자코일의 전기적 · 기계적 특성을 평가할 예정이다. 대형 초전도 풍력발전기의 주 이슈사항은 높은 출력토크에 대한 초전도코일의 기계적 특성에 있다. 초전도코일용 특성평가장치를 통해 기계적 특성이 충분히 검증될 경우 10MW 초전도 풍력발전기에 대한 신뢰성을 확보할 수 있어 대형 초전도 풍력발전기 제작 및 상용화에 크게 기여할 수 있을 것이다.

❸ 맺음말
앞에서 언급한 것처럼 에너지신기술 클러스터 프로젝트의 최종목표는 10MW 초전도 풍력발전기를 설계하고 그 일부분을 제작한 뒤 특성평가장치를 통해 동일한 성능을 구현하는 것이다. 이러한 목표 달성은 초전도 풍력발전기에 대한 이해도가 높아지고 신뢰성 향상에 크게 기여할 것이다.

향후 국내에서도 대형 초전도 풍력발전기 제작 및 실증과 관련된 다음 단계가 기획될 수 있기를 기대하며 다음 단계에서는 대학기관 뿐만 아니라 제조업체들의 적극적인 참여가 이루어져야 할 것이다.

대형 초전도 풍력발전기를 개발할 경우 제작 및 성능평가에 최소 3년이 소요될 것이며 그 후 현장 테스트는 2년 이상이 필요하다. 5년 이상의 기간이 필요하지만 이러한 기술적 극복을 이루어 낸다면 정부의 재생 에너지 3020 계획의 이행뿐만 아니라 풍력분야 원천기술 확보에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

 

 


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