해상풍력 일체형 신개념 MICRO -CAES 시스템 개발
• 해상풍력 기초 형식인 Monopile, 중력식, 잔교식 기초나 상부 타워 구조물을 이용한 고압 CAES 저장용기를 개발하여 구조물 내부에 고압 공기를 저장하는 방법으로, 저장된 고압 공기를 상부 transition piece에 설치된 발전실로 유출하여 발전하는 시스템을 개발한다
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해상풍력 구조물을 이용한 고압 CAES 구조물 개발
• 해상풍력 기초구조물이나 타워를 ICH RC 또는 DSCT 구조로 개발하여, 내부 강관 고압 공기 저장 기술 개발
• 해상풍력 기초구조물의 해양하중 안정성 확보를 위한 수치 및 수리모형실험
• 해상풍력 타워구조물의 풍하중 안정성 확보를 위한 수치 및 풍 동모형실험
• 고압 기체 저장용 복합 보강 구조물 설계 및 제작 기술
• 구조물 안전성 평가 및 유지보수 기술
• 콘크리트 구속효과를 고려한 강도 산정 및 해석 기술
• 압력용기 구조 거동 해석 기술 개발
• 저장용기의 기밀성 향상을 위한 밀폐 및 체결 기술 개발
• ICH RC 및 DSCT 고압용기 연결부 설계 및 시공기술 개발
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풍력 블레이드 직 구동 유압 동력발 생시스템 개발
• 블레이드 회전축 및 유압피스톤 펌프의 축이음 장치 개발
• 고출력 밀도형 고압(350bar)/대유량 피스톤 펌프 설계 및 제작
• 유압회로 설계 및 제어밸브 블록 개발
• 압력맥동 저감 및 에너지 축압장치 개발
• 성능 및 내구시험장비 개발
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유압 직구동 용적 식 고압(100bar) 공기압축기 개발
• 유압식 저솟 고토오크 회전구동 장치개발
• 유압회로 설계 및 제어밸브 블록 개발
• 왕복동 플런저 윤활설계기술 개발
• 공기 압축기 헤드 설계기술 개발
• 성능 및 내구시험기술 개발
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AA CAES 시스템 열에너지 저장 및 이용기술 개발
• CAES 시스템 공정, 설비 장소, 수요처 조건 등을 고려한 압축열 최 적 활용 시스템 기술 개발
. 압축열 이용 발전 시스템 기술 개발 . 압축열 이용 담수플랜트 기술 개발 . 압축열 이용 난방 공급 기술 개발
. 재생에너지 연계 발전/담수 하이브리드 시스템 공정 설 계 기술 개발
. 발전/담수 하이브리드 시스템 제작 및 실증시험
• CAES 시스템 압축열에너지 이용 공정기기 개발
. 고온, 고압 대용량 열교환을 장기간 유지할 수 있는 열 교환기 개발
. 압축공기와 열교환을 통해 얻은 열에너지를 안정적으로 유 지할 수 있는 축열기술(저장용기, PCM 등) 개발
. 압축열 회수 및 저장 기술 개발 . 최적 열교환 시스템 개발
3. 추진전략 및 로드맵
가. 추진전략
◦ 일본 후쿠시마 원전의 방사능 누출 사고로 인해 전세계 각국의 신재생에너지 개발 의지는 고조되고 있으며, 원자력 발안의 대안으로서 가장 각광받고 있는 신재생에 너지 분야는 대규모 해상풍력 단지 개발이다. 우리나라에서는 서남해안 2.5GW급 해상풍력 단지 개발을 계획을 수립하고, 관련 연구에 박차를 가하고 있으며, 원자 력 발전과 달리 방사능 유출 위험이 없는 무한 청정에너지라는 점에서 해상풍력 발전의 개발 가능성이 높아지고 있다.
◦ 해상풍력은 대규모 단지화로 생산기반 기술 유관 산업이 차지하는 비중이 높고 고 용창출 효과가 매우 크며 전 세계를 마켓으로 할 수 있는 최고의 미래 유망 산업 이며, 발전용량 대비 소요면적에 있어 석탄 3,642㎡/GWh, 태양광 3,237㎡/GWh인 데 비해 풍력은 1,335㎡/GWh로 경쟁력이 있으므로 동 분야에 관한 핵심 기술 개 발 시급한 실정이다. 하지만, 해상풍력의 발전 전력은 불연속적이고 예측 불가능하 므로, 국가 전력망에 계통연계 될 수 있는 정출력의 전력 발전을 위해 에너지 저 장 필수이며, 에너지 저장 기능이 없이는 섬이나 오지 등의 독립 발전용으로 풍력 에너지 보급 불가한 실정이다. 따라서 신재생 에너지 산업의 활성화를 위해서 에 너지 저장 기술 확보는 필수불가결하다고 할 수 있다. 이러한 에너지 저장 기술 개발은 국가적 정책 추진 방향과 부합하며, 에너지 저장 모듈 방식의 하나인 유체 압축식 에너지 저장을 위해서는 기반 기술의 고도화가 동반되어야 한다.
◦ 기존의 공기압축 에너지 저장 시스템(Compressed Air Energy Storage System)이 화력 발전소 등의 유휴 전력을 이용하여 압축 공기를 저장한 후 개스터빈으로 발 전시 압축 공기를 이용하여 개스터빈의 효율을 올리는 용도로 사용되는 것에 반 하여, 해상풍력 일체형 신개념 MICRO-CAES 시스템은 기존의 해상풍력 나셀부 에 기어박스와 발전기 대신에 풍력 블레이드 직구동 유압 동력발생시스템만을 설 치하여 나셀부의 구조를 경량화하여 타워 하중을 크게 경감하고 유지보수를 매우 쉽게 할 수 있는 장점이 있으며, 해상풍력 기초나 타워 구조물의 일부를 저장소로 이용하고 상부 Transition Piece에 압축 공기를 이용한 발전 시설을 설치함으로써 공사비의 획기적의 절감, 시공의 편의성 확보 및 유지보수 비용의 대폭 절감하다.
또한, 풍력 에너지의 간헐적인 발생 특성으로 인한 불규칙적인 발전 전력을 안정 적인 효율적인 정출력 기저 발전 시스템으로 만들 수 있으므로 해상풍력 발전의 효율성을 극대화시킬 수 있다. 기존의 해상풍력 시스템과는 전혀 다른 시스템과
정출력 발전 시스템을 개발하게 되므로 기존 해상풍력 개발의 패러다임 자체를 바꿀 수 있으며, 관련 기술의 선점을 통해 국내 산업 육성 발전 및 해외 시장 진 출과 점유율 제고가 가능하여 국가 녹색 성장 전략에 크게 기여할 수 있다.
◦ 하지만, 국내에는 아직 해상풍력 일체형 신개념 MICRO-CAES 시스템에 관한 개 발 및 제작 경험이 없어, 해상풍력을 직접 유압시스템을 이용한 정출력 발전 시스 템으로 개발하기는 어려운 실정이다. 따라서 본 사업에서는 해상풍력 일체형 신개 념 MICRO-CAES 시스템의 핵심 기술인, 1) 해상풍력 구조물을 이용한 고압 CAES 구조물 개발, 2) 풍력 블레이드 직구동 유압 동력발생시스템 개발, 3) 유압 직구동 용적식 고압(100bar) 공기압축기 개발, 4) AA CAES 시스템 열에너지 저 장 및 이용기술 개발, 각 핵심 기술을 유기적으로 연계/통합한,『해상풍력 일체형 신개념 MICRO-CAES 시스템』을 개발한다. 각각의 핵심기술을 동시에 확보하고 있는 기업은 흔하지 않으며, 각각의 핵심기술을 각 참여기업이 개발하는 것이 효 율적이며, 주관기관은 핵심모듈의 성능향상을 위한 생산기반기술을 지원하며 과제 의 총괄지원하고, 대학은 참여기관으로써 주관기관과 기업이 확보하지 못한 기초 기술을 지원하는 것이 효율적이라 판단된다. 합성구조 및 급속시공 기술을 갖고 있는 연구원 및 기업의 협동 연구로 효율적 기술 개발하고 CAES 설비 분야 개발 의 주도적 역할을 추진하고 있는 국내 연구소, 해외 대학 및 해외 CAES 운영사 와의 공동연구개발을 추진한다. 또한, 기존 연구성과 활용을 위해 국내외 공동연구 모색하고, 기계, 건설, 토목, 해양, 전기전자, 지질 등 다학제적 융복합 기술개발을 추진한다.
◦ 첫번째 핵심기술인 「해상풍력 구조물을 이용한 고압 CAES 구조물 개발」 분야 에서는 다음과 같은 핵심 기술을 개발하며, 이는 산학연 협동 연구로 추진된다.
- 해상풍력 기초구조물이나 타워를 ICH RC(Internally Confined Hollow Reinforced Concrete Column) 또는 DSCT(Double-Skinned Composite Tubular Columns) 구조로 개발하여, 내부 강관 고압 공기 저장 기술 개발 - 중력식 해상풍력 기초 구조물인 경우 강합성 구조인 ICH RC(Internally
Confined Hollow Reinforced Concrete Column)나 FRP 합성형 기초로 개발하 여 압축공기 저장 구조물로 활용하는 기술
- 잔교식 해상풍력 기초 구조물인 경우 기초 파일을 DSCT(Double-Skinned Composite Tubular Columns)나 FRP 합성형 파일로 개발하여 압축공기 저장 구조물로 활용하는 기술
- Monopile 해상풍력 기초 구조물인 경우 기초 파일을 DSCT(Double-Skinned Composite Tubular Columns)나 FRP 합성형 파일로 개발하여 압축공기 저장 구조물로 활용하는 기술
- 해상풍력 상부타워에 압축 공기 저장소를 설치시에는 상부타워의 일부를 기초 파일을 DSCT(Double-Skinned Composite Tubular Columns)나 FRP 합성형 파일로 개발하여 압축공기 저장 구조물로 활용하는 기술
- 해상풍력 기초구조물의 해양하중 안정성 확보를 위한 수치 및 수리모형실험 - 해상풍력 타워구조물의 풍하중 안정성 확보를 위한 수치 및 풍동모형실험 - 해상풍력 복합 하중(바람, 파랑, 조류등) 평가 기술 및 상하부 구조 통합 해석
기술
- 고압 기체 저장용 복합 보강 구조물 설계 및 제작 기술 - 구조물 안전성 평가 및 유지보수 기술
- 콘크리트 구속효과를 고려한 강도 산정 및 해석 기술 - 압력용기 구조 거동 해석 기술 개발
- 저장용기의 기밀성 향상을 위한 밀폐 및 체결 기술 개발 - ICH RC 및 DSCT 고압용기 연결부 설계 및 시공기술 개발
◦ 두번째 핵심기술인 「풍력 블레이드 직구동 유압 동력발생시스템 개발」 분야에서 는 다음과 같은 핵심 기술을 개발하며, 이는 산연 협동 연구로 추진된다.
- 블레이드 회전축 및 유입 피스톤 펌프의 축이음 장치 개발 - 저소음, 플레시블 축이음 기술
- 병렬구동 기어 트레인 구성기술
- 고출력 밀도형 고압(350bar)/대유량 피스톤 펌프 설계 및 제작 - 대용량(1,000cc/rev급) 레이디얼 피스톤 펌프 설계 및 주문제작 - 저소음 고효율화 설계기술
- 흡입부 캐비테이션 저감기술
- 유압회로 설계 및 제어밸브 블록 개발
- 풍력 타워 또는 헤드에 설치하기위한 컴펙트한 카트리지형 유압제어밸브블록 설계
- 압력맥동 저감 및 에너지 축압장치 개발 - Accumulator 용량설계 기술
- 타워 내부공간 활용 형상 설계기술 - 성능 및 내구시험장비 개발
- 시험장비 설계 및 제작
- 동력발생시스템의 손실동력 측정 - 내구수명 및 신뢰성시험