해상풍력발전의 역사 및 일괄설치 연구
해상풍력발전의 역사 및 일괄설치 연구
  • 조동호
  • 승인 2020.10.13
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조동호 한국전력공사 전력연구원

풍력 세계시장 동향

지난해 말 기준 재생에너지는 전체 에너지 생산량의 27.3%를 담당하고 있다(수력 15.9%, 풍력 5.9%, 태양광 2.8%, 바이오 2.2%). 지난해 기준 세계 풍력발전설비 누적 설치량은 651GW에 달한다. 2014년 이후 매년 50GW 이상 신규 설비가 건설되고 있다.

육상풍력 상용기기 개발현황

육상풍력의 경우 지멘스(Siemens), 베스타스(Vestas), GE가 각각 최대크기로 5.8MW-170, 5.6MW-162, 5MW-158(발전용량-회전 자 직경 순)를 판매 중이다. 모두 기어박스를 통한 간접구동 방식이며 이중여자유도발전기(Doubly Fed Induction Generator, 이하 DFIG)를 채용하고 있다.

풍력발전기는 기어박스의 유무에 따라 직접구동(direct drive)과 간접구동(geared)으로 구분되며 많이 사용되는 발전기형식으로는 DFIG와 영구자석동기발전기(Permanant Magnet Synchronous Generator, 이하 PMSG)가 있다. 육상용의 경우 부분용량 전력변환장치, 3단 기어박스, DFIG 구성이 시장지배적이다.

정격용량의 30% 전력변환장치 용량만으로 60%의 변속 구간을 가질 수 있어 가장 경제적인 구성이다. 반면 해상용은 전용량 전력변환장치를 갖춘 PMSG 구성이 주로 채용되며 기어박스는 없거나 낮은 기어비의 1단 기어박스가 사용된다. DFIG의 경우 계통의 주파수에 회전속도를 맞추기 위해 기어비 90~100 사이의 3단 기어박스가 사용되는데 3단 기어박스는 상대적으로 다른 부품에 비해 고장이 잦은 편이다.

육상에서는 접근이 용이하므로 바로 수리가 가능하여 이 부분이 부담이 되지 않으나 해상의 경우 기상환경에 따라 1주일 이상 접근이 불가능한 경우가 많다. 이로 인한 발전손실이 발전기 원가 이득보다 크기 때문에 해상용 풍력발전기는 높은 기어비가 불필요한 전용량 전력변환장치의 직접구동 혹은 저속 간접구동의 PMSG가 시장지배적이다.

풍력시장의 확대

 

풍력시장은 초기 고풍속 지역에서 시작됐다. IEC61400-1ed.4에서 풍력터빈의 등급을 평균풍속에 따라 고풍속(I)/중풍속(II)/저풍속(III)으로 구분하며 각각 최대 평균풍속 10m/s, 8.5m/s, 7.5m/s 이하인 지역으로 정의된다. 단지개발 비용은 고풍속에서 저풍속지로 이동함에 따라 증가한다.

같은 정격을 내기 위해 보다 긴 블레이드를 사용해야 하고 이는 타워 높이 증가, 베어링, 축 등의 지지구조 보강을 야기하므로 비용을 증가시킨다. 고풍속 지역이 비용면에서 유리하나 개발가능한 영역이 제한적이므로 실제 상용모델의 대다수는 중풍속용이다. 초기 풍력 기술개발을 이끌었던 유럽의 경우 개발가능한 육상 시장이 빠르게 포화됨에 따라 신시장 개척이 필요성이 대두됐다. 시장개척 방향의 하나는 가격
경쟁력을 확보할 수 있는 저풍속용 풍력발전기 개발이며 다른 하나는 해상으로의 확장이다. 이는 기존 오일가스 산업의 시장개발 경향과 일치한다.

저풍속용 풍력터빈을 개발하면서 단지개발의 중심이 풍황이 좋은 유럽, 미국, 중국에서 저풍속 지역인 중동, 아프리카, 아시아 지역으로 확대됐으며 해상풍력의 경우 육상풍력과 동일하게 유럽에서 시작해 미국, 중국으로 확대됐고 현재 대만을 중심으로 아시아 지역 시장 개발이 활발히 이루어지고 있다.

초기 풍력단지 개발은 정부지원이 필수였으나 현재는 육상은 물론 해상에서도 보조금이 없는 풍력단지들이 속속 개발되고 있다.

해상풍력의 역사

최초의 해상풍력 단지는 1991년 덴마크 빈데비(Vindevy) 해상에 450kW급 풍력발전기 11기로 준공됐다. 이후 소규모의 다양한 실증 단지가 추진되다 2002년 최초의 160MW 대규모 해상풍력단지인 덴마크 Honrs Rev I단지가 준공됐다. 덴마크는 Horns Rev I에 더해 후속으로 개발된 Nysted 단지 2개를 대상으로 다양한 환경 모니터링 프로그램을 실시했고 이 연구결과들은 해상풍력발전이 자연 생태계에 해로운 영향을 미치지 않음을 입증했다. 이는 해상풍력산업이 클 수 있는 주요한 토대가 됐다.

본격적인 해상풍력의 확대는 영국과 독일의 지원에 힘을 얻은 2008년부터 시작됐다. 2015년 이후 영국과 독일은 각각 매년 연평균 1GW의 해상풍력 신규단지를 건설 중이며 지난해 기준 각각 1.7GW, 1.1GW의 신규 해상풍력단지를 준공했다. 주력기종은 Siemens 7MW-154, Vestas 8.4MW-164모델이다. 참고로 작년 말 기준 누적 해상풍력 설치용량은 영국 9.9GW, 독일 7.4GW, 중국 6.4GW 순이다.

해상풍력 시장 동향

해상풍력은 지난해 연말 기준 전체 풍력발전설비 설치량의 4.5%에 불과하나 폭발적인 성장이 기대된다. 지난해 기준 전년 대비 육상풍력은 10% 성장했으나 해상풍력은 26%로 눈에 띄는 성장세를 보였다. 작년 연말 기준 신규 설치용량만 5.9GW에 이른다. 이는 전년 대비 26% 많은 설치용량이다. GWEC는 2022년부터 2023년까지 매년 7~8GW 규모 해상풍력발전단지가 조성될 것으로 전망했다.

해상풍력 상용기기 개발현황

해상풍력의 경우 Siemens, Vestas, GE가 각각 최대크기로 11MW-200(2020), 9.5MW-174(2020), 12MW-200(2019)가 개발됐다. 특히 Siemens는 14MW-222(2021) 모델을 개발 중에 있다. 모두 기어박스가 없는 직접구동방식이며 PMSG를 채용하고 있다.

육상용의 경우 중/저풍속 시장개발을 목표로 하다보니 최신 개발된 5MW급 육상용 대형터빈의 에너지 밀도가 250~320W/㎡범위인 반면, 최신 개발된 해상용 대형터빈은 고풍속용인 350~400W/㎡인 범위를 가진다.

풍력발전기의 에너지 밀도는 블레이드의 회전면적에서 정격용량을 나누어 구한다. 정격용량이 결정되면 에너지 밀도에 따라 요구되는 회전자 지름이 결정되고 정격풍속이 결정된다. 20MW의 터빈을 에너지 밀도 350W/㎡의 터빈으로 설계하는 경우 필요한 회전자 지름은 270m, 정격풍속은 11.5m/s 가 되는 식이다.

해상풍력과 육상풍력

해상풍력발전기는 육상풍력발전기보다 기기비용이 비싸다. 육상풍력 대비 하부구조물과 해저케이블, 해상장비임대 및 유지보수 비용 등이 가격상승 요인이다. 반면, 대형화가 용이하고 더 높은 블레이드 끝단 속도를 가질 수 있어 단지개발비용을 줄일 수 있는 이점도 있다.

육상의 경우 터널, 신호등, 표지판 등의 높이 지장물에 의해 운송제약이 발생해 일반적인 방법으로 5MW 이상의 터빈을 건설하기 어렵다. 정격용량을 키우기 위해서 더 긴 블레이드를 사용해야 하며 이는 더 큰 하중을 유발한다. 큰 하중에 버티기 위해 블레이드 루트 및 타워 지름이 커져야 하는데 운송제약에 의해 4.5~5m 이상의 지름으로 설계가 불가하며 도로의 파괴를 방지하기 위한 무게제약도 있어 대형화가 쉽지 않다.

육상용 5MW급 터빈들은 블레이드, 나셀, 타워를 기존과 같은 하나의 부품이 아닌 분할 운송 후 현장에서 쉽게 조립할 수 있도록 연구개발 중이다.

해상용의 경우 지름 10m 이상으로 설계해도 운송에 제약이 없기에 10MW 이상으로 대형화가 용이하다. 터빈의 대형화는 같은 용량의 단지개발시 더 적은 수의 하부구조물,전력변환장치, 케이블을 의미하며 적은 설치, 유지보수 비용 덕에 단지규모에서의 원가하락 효과가 크다.

또한 육상용의 경우 소음제약으로 인해 블레이드 끝단 속도를 80m/s 정도로 설계를 하는데 해상의 경우 거주지에서 멀어 소음규정을 만족하면서도 끝단 속도를 95m/s 로 설계 가능하다. 높은 블레이드 끝단 속도는 풍력터빈에 발생하는 하중을 경감시켜구조물의 비용을 줄이는데 도움이된다. 대신 블레이드의 처짐이 커지고 저속에서 토크가 낮아지게 되는데 이 부분을 해결하기 위해 블레이드를 미리 앞쪽으로 휘어지게 설계하거나 저속에서도 블레이드의 각도를 제어하는 등의 연구가 진행 중이다.

풍력발전기 계통연계 조건 강화

풍력발전기는 정격이하에서 계통 주파수가 아닌 풍속에 따라 출력이 계속 변동하게 된다. 이는 바람이 가진 에너지를 최대로 끌어내기 위해 회전자 회전속도를 풍속에 맞춰 최적으로 제어해야 하기 때문이다. 신재생 단지규모가 적었던 초기에는 전력시스템이 가진 유연성으로 충분이 대응이 가능했으나 대형화, 대단지화가 되면서 신재생에너지도 기존 동기발전기에서 수행하던 보조서비스를 분담해야 하는 상황이 되었다.

국내도 선제적으로 신재생 계통연계기준을 마련했다. 예비력에 대한 요구는 없지만 무효전력 공급, 유무효전력 제어, 계통연계유지 등의 기준을 마련해 태양광 및 풍력발전기의 전력변환기에 추가 역무를 강제하고 있다.

특히 발전량을 임의로 조절할 수 없기에 수요와 공급의 불일치 문제가 크다. 신재생 용량이 크게 증가한 제주는 올해만 44번의 출력제한이 발생했다. 최대 출력 제한은 과잉전력을 제한하여 전력계통의 신뢰도를 유지하는 효율적인 수단이나 신재생 발전사업자에게는 수익이 감소하는 문제를 안긴다.

현재는 적절한 보상규정이 없어 신재생 발전사업자의 반발이 크다. 이 문제를 완화하기 위해 한전에서는 단기 기상 예측을 통한 재생에너지의 발전량 예측 시스템을 개발해 제주에서 실증 중이다. 육지의 신재생비중이 증가하면 제주와 같은 상황이 발생할 것이기에 에너지 저장, 전기 품질 유지, 전력계통 안정도 유지에 대한 기술 개발과 제도 마련이 필요하다. 계통안정도 향상을 위해 풍력발전기의 제어를 변경할 수 있다.

풍력발전기의 경우 모두 전력변환장치를 구비하고 있으며 외부지령에 따라 출력 최적모드, 소음감소 모드, 하중 최적모드 등으로 변경운전이 가능하다. 일정부분의 예비력를 보유하기 위해 최대출력추종제어 대신 10~20% 낮은 저발전 모드로 운전이 가능하며 종단풍속까지 정격출력을 유지하다 종단풍속 이상에서 급격히 정지 시키는 현재의 제어대신 고풍속이 될수록 출력을 서서히 줄여 종단풍속 이상이 되어도 계통 관성에 영향을 적게 주는 방식으로 제어가 가능하다.

하지만 모두 계통의 안정도를 향상시키는 대신 발전량 손실을 보게 된다. 풍력발전기는 보통 10분 평균 풍속 3m/s에서 시동하며 10~13m/s에서 정격에 도달하고 25m/s 부근에서 발전을 멈춘다. 또 다른 방법은 에너지저장장치(ESS)와 결합하는 것이다. 과잉전력을 저장하였다가 전력이 부족할 때 공급하거나 출력변동을 완화해 주파수와 전압을 일정 범위 내에 유지시킴으로써 계통안정성을 향상시킬 수 있다.

하지만 아직까지는 석탄화력의 운영예비력이나 가스터빈과 같은 유연한 발전설비에 비해 에너지저장장치의 비용이 상당히 높다.

국내 해상풍력 현황

풍력시장이 저풍속지역과 해상으로 확장됨에 따라 한국도 풍력발전 사업가능 지역으로 인식된다. 한국, 대만, 일본은 육지가 좁아 육상풍력 시장은 적으나 해상풍력은 충분한 시장을 가지고 있다. 작년 말 기준 국내 해상풍력의 누적설치량은 132.5MW(상용 124.5MW, 연구용 8MW)로 초라한 성적이다. 정부목표인 2030년까지 12GW의 해상풍력을 설치하려면 영국, 독일, 중국처럼 매년 1GW 이상의 신규단지를 준공해야 한다.

지난 7월까지 추진중인 주요 풍력사업은 전북 서남권 2.4GW, 신안 8.2GW, 울산 6GW, 제주 0.6GW, 인천 0.6GW 등이며 이 중 해상풍력사업은 26건, 3.5GW 규모이다. 규모는 크나 인허가 승인, 주민동의 등의 문제로 사업이 반복적으로 지연되면서 체계적인 파이프라인 수립이 불가능한 문제를 안고 있다.

제조업의 설비투자와 고용창출을 유발하려면 적은 규모라도 매년 꾸준한 개발이 보장되어야 하는데 규모와 착수년도 모두 불확실하다보니 제조사의 안정적인 유입이 힘들고 기술발전을 위한 생태계 조성도 어려운 형편이다. 국내의 풍력 제조사는 현재 두산, 유니슨, 효성, 한진이 있으나 유럽,미국, 중국의 제조사들에 비해 기술력, 가격 모두 열위에 있다.

국내 풍력기술이 선행적으로 개발되었다면 현재 추진되고 있는 대만 해상풍력시장에 수출을 할 수 있었으나 현재는 풍력을 제외한 몇몇 해양기자재만 수출을 하고 있는 실정이다. LS전선은 해저케이블, 삼강앰엔티는 하부구조물, 씨에스윈드는 타워를 대만 시장에 납품하고 있다.

해양강국의 이점을 살리면 기자재에 더해 설치 및 유지보수 분야에서도 강점을 가져갈 수 있다. 풍력발전 기자재는 현재는 경쟁력이 낮아 수출이 어렵지만 국내 개발되는 해상풍력 단지에 납품하고 유지보수 경험을 쌓으면서 기술격차를 줄일수 있다.

해상풍력 설치 기술 현황

육상 이격거리가 멀고 수심이 깊은 곳에서 단지개발이 이루어지고 있는 유럽에서는 1단계로 중량물운반선으로 하부 구조물을 설치한다. 그리고 2단계에서 여러 대의 풍력발전기를 운송해 현장에서 조립한다. 이격거리가 멀기에 선박의 왕복횟수를 줄여야 단지개발 비용을 줄일 수 있다.

많은 터빈을 적재하려면 조립된 상태로 적재하는 것보다 부품상태로 적재하는 것이 유리하다. 때문에 부품상태로 운송하여 현지에서 대형 크레인으로 조립하는 방식을 취한다.

바람이 강하고 파도가 많은 외해에서 100m 상공의 볼트조립 작업을 하려면 선체를 흔들리지 않도록 고정하는 것이 필수다. 이를 위해 선박 전체를 수면위로 들어 올려 고정시킬 수 있는 잭업시스템을 사용한다.

잭업시스템은 선박에서 길이 70~80m 기둥 3~4개를 해저에 내려 유압 또는 기어로 선박을 들어 올려 고정한다. 유럽에서 사용되고 있는 풍력 전용설치선의 선가는 보통 2,000~3,000억 원 사이다. 잭
업시스템이 장착되어 있으며 선체의 회전과 이동을 용이하게 하기위한 전방위 추진기, 동적위치제어 시스템 등의 부가 장비가 있어 고가이다.

해상풍력 후발주자인 미국과 대만은 초기 실증단지 건설을 위해 유럽의 선박을 임대해 건설하였다. 미국은 노르웨이의 Fred. Olsen 선박을 임대했으며 대만은 벨기에 JanDeNul, 영국 Seajacks, 네덜란드 VanOord의 풍력설치선을 임대하여 건설 중이다. 미국, 대만 모두 다수의 해상풍력단지가 계획되어 있어 자국의 풍력설치선을 제작하고 있다.

국내의 경우 하부구조물은 바지선으로 운송 후 해상크레인으로 설치했으며 풍력발전기 조립은 해양공사용으로 사용 중이던 잭업바지선을 사용했다. 다수의 해상풍력단지가 건설될 것에 대비해 현대스틸산업에서 원거리 대수심 풍력단지 건설용으로 유럽과 같은 개념의 풍력전용설치선을 정부 지원과제로 개발하고 있다.

국내에서 계획 중인 단지들은 울산지역을 제외하고는 대부분 연해이며 근거리 지역이 많다. 근거리 단지개발에 임대료가 비싼 풍력전용설치선 사용은 개발비용을 상승시키므로 한전 전력연구원에서는 근거리용에 적합한 설치공법과 설치시스템을 연구했다.

일괄설치 공법

일괄설치란 풍력발전기와 이를 지지하는 하부구조물까지 전체를 한 번에 육상부에서 조립한 후 운송 설치하는 기술이다. 바다에 설치되는 해상풍력발전기는 육상에서의 공사에 비해 날씨의 영향을 더 많이 받는다. 바람 뿐만 아니라 바다 상태에도 크게 의존해 해상환경에 따라 공기가 크게 늘어날 수 있다.

이 같은 공기지연은 비용상승으로 직결된다. 일괄설치공법은 모든 고공 조립작업이 항만 혹은 평수구역에서 완료되므로 날씨의 영향을 적게 받아 공사기간이 단축된다.

고가의 해상크레인 임대 없이 육상크레인으로 조립이 가능하고 해상에서의 조립작업이 없이게 선체를 고정하는 잭업시스템도 불필요하다. 하부구조물과 풍력발전기를 나눠 2회에 설치되던 작업이 1회 만에 완료되어 운항횟수가 줄어든다. 이러한 장점을 가진 일괄설치공법을 적용하기 위해 선행되어야 할 과제는 연안부에 가설치한 하부구조물의 분리를 용이하게 하는 기술이다.

풍력발전기 기초형식

기초는 풍력발전기가 전복되지 않도록 하부구조물을 해저면에 고정하는 부분이다. 해양에서는 주로 파일기초와 석션기초가 사용된다. 파일기초는 유압식해머를 이용해 파일을 해저에 설치한다. 반면 석션기초는 석션버켓 내부의 물을 펌프로 뽑아내어 발생하는 내외부의 수압차를 이용하여 항타없이 설치한다. 석션은 역으로 펌프로 물을 넣으면 해체가 가능한데 이 특징을 활용하면 평수구역에서 가조립된 풍력발전기와 하부구조물을 해저에서 쉽게 분리하여 일괄운송이 가능하다.

석션기초의 경우 파일의 높이가 보통 8~12m 사이이며 지질에 따라 달라지나 한 시간에 평균 1m씩 침투하여 12시간 만에 설치가 가능하다. 이러한 쉬운 해체와 짧은 설치시간은 일괄설치의 장점을 극대화할 수 있다. 석션기초가 불가능한 지질에서는 파일을 선 시공하는 프리파일링 설치공법과 연계할 수 있다.

해상풍력 일괄설치 시스템

일괄운송의 사례를 보면 하부구조물까지 한번에 운송한 경우는 없고 하부구조물을 제외한 풍력발전기를 한 번에 설치한 사례가 있다. 사이펨(SAIPEM)사는 에쿼노르(Epuinor)사의 스코틀랜드 Hywind 해상풍력단지 건설시 지멘스 6MW 풍력발전기를 하부구조물을 제외한 타워까지의 조립품을 한번에 들어 설치했다. 이때 길이 70m, 무게 1,140톤의 풍력발전기를 안전하게 들기 위해 SAIPEM7000 중량물 운반선을 이용했다. 1,100여톤의 무게를 들기 위해 1만 4,000톤까지 들어올릴 수 있는 초대형 크레인을 투입한 것은 과하다고 볼 수 있으나 무게중
심이 나셀 근처 매우 높은 곳에 위치하다보니 붐대가 긴 대형 크레인이 요구됐다.

풍력발전기를 전복위험 없이 안전하게 들어올리기 위해선 와이어가 무게중심 위에 위치해야 하기 때문이다. 하부구조물까지 한번에 운송하려면 길이가 50m 이상 증가하게 되고 붐대가 더욱 긴 해상크레인이 요구되기 마련이다. 이런 대형 해상크레인을 풍력발전사업에 투입하게 되면 장비 임대비용이 지나치게 증가하게 돼 경제성을 악화시킨다.

한전 전력연구원은 지노스 · 티엔지 · 금원ENG · 기계연구원 · 인하대 · 목포대 등의 기관들과 공동연구를 수행해 무게 중심 아래에서 지지해도 안전하게 들어올릴 수 있는 권상 방안과 시스템을 고안하여 이 문제를 해결하였다.

국내는 규정이 강화돼 물체를 선체 수선면 외부에서 들어올리는 해상크레인으로 와이어에 권상한 상태에서 운송을 할 수 없다. 해상크레인으로 하부구조물 설치를 하는 경우 운반은 별도의 바지선으로 해야만 한다. 이에 반해 현재 제작중인 일괄설치시스템은 운송시 수하물의 6자유도를 구속할 수 있는 지지구조를 추가하여 화물고박 지침서가 발행되기에 별도의 바지선이 필요없어 효율적이다.

일괄설치시스템이 완공되면 근해에서 개발되는 단지의 개발비용을 크게 줄여 해상풍력 발전 활성화에 기여할 것으로 기대된다.

 


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