국내외 해상풍력 R&D·인증·발전사업 정보 한자리에

국내 해상풍력발전기 기술개발과 발전단지 조성사업이 본격화되고 있는 가운데 지난 3일 코엑스에서 ‘2009 해상풍력 국제세미나’가 개최됐다.

이날 세미나에는 해상풍력분야 사업을 추진 중이거나 진출을 검토 중인 시스템 개발업체, 토목·건설사, 전선 및 부품 제조사, 발전사, 연구소, 대학교, 인증기관 등 업계 관계자 150여명이 참석해 뜨거운 관심을 보여줬다.

또한 한경섭 지식경제부 풍력에너지 R&D PD, 노상양 에너지관리공단 신재생에너지산업육성실장, 조동혁 효성 풍력사업단 팀장과 게오르그 발로그 넥상스 매니저, 지미 한선 바텐팔 윈드 파워 사이트 매니저 등이 발표자로 나서 국내외 해상풍력 정책, 인증, R&D 등 생생한 해상풍력 정보를 제공했다.

이번 세미나는 한국에너지신문사가 주최하고 웍스월드와이드가 주관했으며 지식경제부와 (사)한국신재생에너지협회, 한국풍력발전협의회가 후원했다.

2020년까지 국산풍력 2000MW 공급… ‘WIND 2000’ 추진

에너지관리공단 노상양 실장

풍력은 국내 신재생에너지 중 2007년 기준 1.4%, 전력 중에서 8.6%를 차지했다. 지난해 말 기준 신규 설치용량은 105MW로 집계됐다.
제3차 신재생에너지 기본계획은 총 발전량 대비 신재생에너지 발전량 비중을 지난해 1.2%에서 2020년에는 4.7%, 2030년 7.7% 이를 것으로 전망하고 있다.
신재생에너지 RD&D전략에 의하면 풍력은 신재생에너지 전력량 대비 2010년 13.9%, 2020년 37%, 2030년 42.1%를 차지할 것으로 예상된다.
정부는 2020년 세계시장 5위권 진입을 위한 1단계로 2010년까지 ▲2~3MW 육·해상 풍력발전시스템 실증·5MW 개발 ▲육·해상 풍력자원지도 구축 ▲고효율 블레이드 기반 기술· 대형 영구자석 발전기 개발 등을 추진 중이다.
2020년까지 ▲10MW 해상풍력시스템 개발 ▲부유식 해상 기초기술 ▲일체형 블레이드 성형기술 등 가격저감을 위한 기술을 개발하고, 2030년까지 3단계로 ▲고공풍력활용시스템 ▲빌딩적용형 소형 풍력발전시스템 ▲풍력예보기반 다국간 계통운영 기술 등 산업화 저변을 확대하기 위한 기술개발을 목표로 하고 있다.
특히 정부는 ‘Wind 2000 프로젝트’를 추진함으로써 2020년까지 국산제품 2000MW를 공급할 계획이다.
소형풍력은 그린홈 100만호사업, 750kW급 중형은 지방보급사업, 2~3MW급 대형은 발전단지조성을 통해 보급한다는 방침이다.
제주도, 새만금 등 대규모 풍황지를 대상으로 타당성을 조사하고 윈드팜을 조성할 계획이다.

2011년까지 5MW 대형시스템 개발 올인

효성 조동혁 팀장

효성은 지난 1997년 감속기와 모터 사업을 시작한 이래 2002년 풍력발전시스템 개발에 뛰어들었다. 현재 750kW급 인증을 보유하고 있고, 2004년 말부터 시작한 2MW급은 이달 중 인증을 확보할 예정이다. 효성의 육상용 라인업이 갖춰진 것이다.
이에 올해부터 5MW급 발전시스템 개발에 뛰어들었다. 2012년 개발 완료를 목표로 해상에 대응하자는 것이다.
현재 컨셉 스터디 중인데 계획상으로는 연말부터 디자인 작업을 시작해 2011년 초에 마무리 하고 조립 및 설치에 들어가 2012년 중반에는 프로토 타입을 육상에 설치해 실증하는 것이 목표다.
실제 해상에는 2013년에 설치하려고 한다. 회사 내부적으로는 2011년에 서해에 세울 수 있도록 서두르고 있다.
타겟 스펙은 윈드 클래스 ‘IEC ⅡA’다. 서해안은 난류에 대해 아직 판별이 안 돼 있지만 ‘A’클래스로 해야 할 것으로 판단하고 있다. 섬도 있고, 바람도 세기 때문에 더 강하게 해야할 한다. 당연히 ‘B’로 하는 것보다는 비용도 증가할 것이다. 블레이드 지름은 130미터 이상으로 개발할 계획이다. 서해안처럼 저풍속에서도 경제성이 나오도록 하기 위해서다.
타워 높이는 서해안 방파제 높이 정도를 생각할 때 육상 120m, 해상 80m 정도로 할 것이다. 드라이브 트레인은 ‘2 베어링’이나 ‘라지 싱글 베어링’두 가지에 대한 컨셉 스터디를 진행 중이다.
라지 싱글 베어링의 경우 고장 사례가 많이 보고됨에 따라 둘 중 하나를 선택하려고 한다. 제너레이터는 ‘3스테이지 기어박스/DFIG’를 적용할 예정이다. 바꾸는데 어렵지 않기 때문에 PMG로 바꿀 수도 있다.

HVDC 라이트, 해상풍력 적합한 전력변환·송전 해법

ABB코리아 정제욱 부장

송전방식은 환경에 대한 영향을 최소화하고 새로운 시장에 대응하기 위한 도전에 직면해 있다.
송전시스템은 발전기에서 전기부하가 있는 곳으로 전력을 보내주는 것으로 안정적으로 전력을 공급하고, 발전효율을 높이는데 기여해야 하며 에너지시장에서 경쟁력을 갖춰야 한다.
미래에는 기존의 HVAC(High Voltage Alternating Current)에서 기술적인 제어가 가능한 HVDC(High Voltage Direct Current)가 주로 적용될 전망이다.
HVDC는 비동기 네트워크를 서로 연결하고 육지나 수중에서 긴 거리의 송전이 가능하며 시스템의 안정도에 기여한다. 또한 전력 흐름을 제어할 수 있다.
ABB의 ‘HVDC 라이트(Light)'의 기술적인 장점으로는 ▲전력흐름에 대한 기술제어 ▲비동기 커넥션 ▲수동적인 네트워크 공급 ▲양극 전환 ▲신속한 커뮤니케이션 불필요 ▲단락(누전) 방지 등을 들 수 있다.
이와 함께 원거리에 있는 장소에 전력을 공급할 때 비용절감이 가능하고 특히 재생에너지원에서 생산한 전력을 공급할 때 경제성을 확보할 수 있도록 한다.
단계별로 확장이 가능하고 송전시간이 짧고 주파수가 달라도 서로 연결이 가능하기 때문에 적용성이 높다.
해상풍력발전단지에 적용할 경우 발전기에서 생산된 AC 전력을 DC로 전환·송전하고 이를 다시 AC로 전환해 육상의 변전소에 공급하게 된다.
발전량이 아니라 전력을 어떻게 배달하느냐가 더 중요하다. ABB는 노르웨이, 네덜란드, 독일 등 많은 프로젝트를 수행한 경험을 갖고 있다.

미래형 부유식 해상풍력시스템 개발 추진

지경부 한경섭 풍력에너지 R&D PD

지경부는 풍력분야에 3~5년간 매년 100억원을 투자한다는 방침을 밝힌 바 있다.
특히 전력기술개발과제로 ‘부유식 해상풍력 시스템’개발이 시작되면 원천기술 확보를 통한 미래시장 선점이 가능할 전망이다. 정부는 2012년까지 2.5GW 규모의 풍력을 보급할 계획이며 현재 금호산업, 남부발전, 한수원, 동국S&C, 포스코건설, 한화건설 컨소시움 등이 전남, 부산, 제주, 인천 등지에 대규모 해상풍력발전단지 개발계획을 진행하고 있다.
국내 해상풍력 자원은 제주도와 남해가 가장 우수하며 연간 20TWh의 전력을 생산할 수 있는 것으로 파악되고 있다. 국내 발전기의 대부분이 수입에 의존하고 있지만 가장 중요한 기초, 타워 기술은 세계 정상급이다.
수출주도형 1~2MW급 풍력발전시스템 개발이 실증단계에 와 있고 대용량 해상풍력시스템 개발 중이다. 장기적으로 차세대 초대형 5MW급 풍력시스템 개발과 미래형 부유식 풍력시스템 개발에 뛰어들고 있는 상황이다.
현재 독일의 리파워와 에너콘, 바드, 덴마크의 베스타스와 지멘스, 스페인의 가메사, 미국의 GE윈드, 우리나라의 효성과 두산 등이 해상풍력발전기 모델을 보유하고 있거나 개발 중인데 5~5.2MW가 현재까지는 최대 용량이다. 6~8MW급은 개발 단계에 있다.
현재 가장 많이 쓰이고 있는 해상풍력단지 기초는 ‘모노파일 타입’이다. 해저면에 대구경의 파일을 향타(driving) 또는 드릴링(drilling)해서 고정하는 것으로 수심 25~30m에 적당하다.
다만 부재에 대한 피로 하중이나 부식문제가 있는 것이 단점이다. 재킷 타입은 현재 해상 풍력단지 보유국들이 많은 관심을 보이면서 실증 단계에 있다.
수심 20~80m에 가능하며 재킷식 구조물로 지지하고 파일로 해저에 고정하는 방법이다. 수심 40~900m의 심해상에 적용하는 플로팅(floating) 타입은 현재 많은 풍력기업들이 연구 중이어서 10~15년 후에나 상업화될 전망이다.
수심 30m까지는 모노파일 타입, 60m까지는 재킷 타입, 그 이상은 플로팅 타입이 경제성이 있는 것으로 분석되고 있다. 해상풍력의 환경적인 영향은 기존 단지 사례에 비춰볼 때 피해는 미미한 것으로 조사됐다.
하지만 해양생물의 산란기, 서식지 등을 피해 설치시기와 장소를 조정하는 것이 좋다. 또한 조류나 해저생물, 철새에 미치는 영향이나 유조선과 같은 배와 발전기의 충돌, 해저케이블의 전자장과 저주파 소음, 항공기나 레이더, 천연자원 매장지역, 군사 중요지역 등에 미치는 영향등 예상되는 피해를 예방과 노력이 병행돼야 한다.

유럽에서 시작된 해상풍력… 북미·아시아로

프로스트앤설리번 브라이언 강희 리 이사

해상풍력은 아직은 매우 초기 단계다. 지난해까지 설치된 풍력발전 121.2GW 가운데 해상풍력은 1.2%에 지나지 않았으며, 대부분 유럽에 편중돼 있다. 해상풍력은 연간 31% 정도의 성장세를 보이고 있으며 2020년에는 38GW 정도 설치될 것으로 예상되고 있다.
육상풍력과는 달리 해상풍력은 현재까지는 대부분 유럽에 설치됐다. 유럽의 강력한 환경정책과 북해의 원유매장량 감소 전망에 따른 것이다. 게다가 풍부한 바람자원과 북해와 발트해 연안의 얕은 수심 등 해상풍력에 좋은 조건을 갖추고 있기 때문이다. 높은 건설비용 때문에 투자수익률(ROI)이 정부와 FIT가 산업을 견인하고 있다.
지난해부터 시작된 세계 금융위기에도 원가경쟁력이 있는 풍력, 특히 해상풍력에 큰 영향이 있지는 않겠지만 규모가 작은 프로젝트, 은행에 자금을 의존하는 경우에는 문제가 생길 수 있다. 최초로 시민이 출자한 ‘부텐디크(Butendiek)’는 240MW 규모 발전단지의 당초 계획을 수정하고 연기하는 등 영향을 받고 있다.
지난해 1위로 올라선 영국은 현재 598MW를 설치했으며 이는 영국 전체 풍력의 20%를 차지하는 양이다.
영국 정부는 2020년까지 육상 14GW, 해상 14GW를 설치한다는 목표를 갖고 있다. 이것은 시작에 불과하다.
지난해 6월 수립된 ‘라운드 2’ 개발과정은 25GW 이상을 추가 건설할 것으로 알려지고 있다. 육상 풍력 위주였던 독일은 좀 더 심해에 설치하는 걸 선호한다. 해상에서도 2015년 정도 되면 영국을 앞서갈 것이다. 스페인, 이탈리아, 프랑스, 포르투갈 등은 풍력에 대한 투자의지가 높으면서도 해상풍력에는 주저하는 경향이 있다.
미국은 지난해 발표된 2030년 20% 풍력 시나리오에 따르면 미국 전체 잠재량은 1000GW에 달한다.
아직까지 해상풍력에 대한 투자는 이뤄지지 않고 있는데 수심이 깊고 심해에 설치하는 비용, 기술 등이 따라주지 못했기 때문이다. 정부차원의 정책도 뚜렷하지 않았다.
하지만 동부 해안쪽에 많은 해상풍력계획이 나와 있고 올해 오바마 행정부가 신재생에너지에 대한 대규모 투자를 하고 있어 1위로 올라서는 것은 시간문제다. 중국도 해상풍력은 초기다. 3MW급 3기를 설치한 정도다.
해상풍력 잠재량이 750GW이긴 하나 아직까지는 육상 위주로 진행되고 있고 해상에 설치되더라도 비싼 송배전 비용 때문에 주로 인구가 밀집된 연안에 설치될 전망이다.

독보적 해상풍력 프로젝트 인증 노하우

DNV 윈드에너지 에릭 한센

지난 1864년 노르웨이에 설립된 DNV(Det Norske Veritas)는 140년 이상의 리스크 관리 역사를 자랑한다.
보험회사로 출발한 DNV의 주요 업무는 인증, 감정, 평가, 리스크 관리 등이었다. 현재 전세계 100여개 국가, 300개의 사무소에서 7000여명의 직원들이 일하고 있다.
현재 DNV에는 DNV 매러타임, DNV IT 리스크 매니지먼트, DNV 에너지, DNV 인더스트리 등 4개 분야에서 인증, 컨설팅 등을 수행하고 있다.
DNV는 풍력산업 관련 ▲풍력 터빈 형식인증 발급 ▲육상 및 해상 윈드팜 프로젝트 인증 ▲프로젝트 리스크 관리 ▲해상풍력발전단지와 선박 충돌로 인한 위험 평가 ▲이산화탄소 저감 실적 검·인정 ▲제조업 및 서비스 기업에 대한 ISO 9000 및 ISO 14000 인증 ▲해상풍력발전기 설치시 해상 보증 등의 서비스를 제공하고 있다.
풍력터빈에 대한 형식인증의 경우 제조사와 투자자 간에 신뢰를 확보할 수 있도록 IEC WT 01 인증, 덴마크 및 네덜란드 타입 설계 승인, 독일 인증 등을 수행한다.
개별 프로젝트에 대한 특정 풍력 터빈에 대한 인증업무도 하고 있는데 해상풍력 터빈과 관련 DNV 타입 인증이 있다. 예를 들어 지멘스의 SWT-3.6-107이나 베스타스의 Vestas V90 등이 있다.
윈드 터빈에 대한 25년 역사의 형식인증 경험과 해상에서의 40년 된 원유 및 가스 채취 노하우가 결합해 해상풍력발전 프로젝트에 대한 인증부문에서 세계에서 독보적인 위치에 오를 수 있었다.
프로젝트 인증의 경우 전체 리스크를 줄일 수 있고, 프로젝트에 대한 신뢰도를 높임으로써 투자자와 보험사의 이익을 동시에 높일 수 있다.
또한 디자인 변경이나 디자인 비용을 최소화 하고 DNV의 노하우를 활용할 수 있다.

세계 최대 해상풍력발전단지 운영

바텐팔 윈드 파워 지미 한슨 매니저

유럽에서 다섯 번째로 큰 전력회사인 스웨덴 국영기업 바텐팔은 덴마크, 핀란드, 독일, 영국, 폴란드 등 5개국에서 발전소를 운영하고 있다. 지난해 총 전력생산량은 163.1TWh였으며 이중 풍력이 1.5TWh를 차지했다. 목표는 2030년까지 49TWh를 생산하는 것이다.
덴마크 309MW, 영국 90MW, 핀란드 4MW, 스웨덴 160MW 등 총 560MW에 달하는 풍력발전설비를 보유하고 있으며 이 중 덴마크 호른스레우 160MW, 영국 켄티쉬 플래츠 90MW, 스웨덴 릴그룬드 110MW 등 대규모 해상풍력발전단지 3곳을 운영하고 있다.
바텐팔은 스코티시파워 리뉴어블과 조인트벤처(JV)를 세우고 영국에서 3000MW 규모의 윈드 프로젝트 파이프라인을 건설 중이다. 올 가을부터 30MW 규모의 육상풍력발전기가 가동될 예정이다.
이밖에도 전력회사를 흡수 합병한 덕분에 육상 프로젝트가 많이 진행 중이다. 해상풍력의 경우 네덜란드 기업인 누온과 합병하고 총 4000MW를 개발할 계획이다. 영국과 노르웨이 지방을 합하면 굉장히 많을 것이다.
총 110MW 규모의 릴그룬드 윈드팜은 2, 3MW급 풍력터빈 48기가 설치돼 있다. 스웨덴 남부 해안에서 10㎞ 떨어진 말뫼와 코펜하겐 사이의 외레순 해협에 위치하고 있으며 연간 330GWh의 전력을 생산이 가능하다. 많은 후보지가 있었지만 65m 높이에서 8.5㎧의 강한 바람이 불었고 풍향도 225~255도로 좋았다. 완공되기까지 굉장히 지리한 과정을 밟았다.
1997년 착수한 이후 8년만인 2005년에 필요한 허가절차와 투자가 결정됐고 실제 공사는 2006년 봄부터 이듬해 가을까지 이뤄졌으며 2007년 12월 운전을 시작했다.
2008년에 326GWh읠 전력을 생산, 가동률 94%를 기록했다. 1년간 시운전 결과 전기생산이 중단된 것은 일주일 정도다.

세계 최고 해저케이블 전문기업

넥상스 게오르그 발록

상스는 케이블 제조 분야 세계 1위 기업이다.
노르웨이와 일본 도쿄 인근의 공장에서 해저케이블을 생산하고 있다. 노르웨이는 국토는 작지만 세계를 합친 것보다 더 많은 케이블이 설치돼 있다. 굉장히 높은 곳에 있어 바람이 많고 바다로 둘러싸여 있어 수력으로 필요한 전기의 100%를 공급하고 있다.
1930년대부터 피요르드 해안과 육지를 연결하는 고전압 케이블 1300개를 설치하면서 해저케이블에 대한 노하우를 확보할 수 있었다.
또한 원유 채굴 경험과 26km에 달하는 긴 해안가 덕분에 해상풍력에 눈을 돌리게 됐다.
초기단계부터 케이블을 고려해야 한다. 디자인 후에 케이블을 정하는 것은 좋지 않다.
먼저 케이블을 정하고 디자인을 하거나 동시에 해야 한다.
케이블 설치 후 보호하는 문제도 중요하다. 가능성이 낮기는 하지만 일단 사고가 난 후에는 프로젝트 전체를 진행하기 어려울 정도로 엄청난 비용이 들어가기 때문이다.
케이블이 땅에 묻혀 있더라도 조업으로 인한 피해를 막기 위한 조치가 필요하다.
넥상스에는 이에 대비해 실무단이 꾸려져 있다. 케이블보호지수(CPI)를 제정, 모든 관련 요인을 점검한다.
토양의 무른 정도, 대형 선박의 정박, 조업 등 다양한 해상활동, 케이블에 미치는 하중, 얼마나 빨리 대처할 수 있는지 등 다양하다.
케이블을 보호한다고 깊이 파묻으면 꺼내서 고치기 힘들고 용량을 늘릴 경우 새로 설치할 수밖에 없기 때문이다.
한국에서도 해상풍력이 활성화되면 협력할 수 있기를 바란다.
우리는 세계 최고 수준의 효율적인 솔루션을 제공할 수 있다.

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