1.1.1. 기술적 측면
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해상풍력 지지구조물 타워구조 부분- 해상에서는 육상에 비교하여 동일 풍속 대비 낮은 고도에서 양질의 풍력을 얻을 수 있기 때문에, 해상풍력발전의 단지건설이 증가하고 있으며, 발전용량의 증대를 위해 해상풍력 또한 발전 터빈, 블레이드 및 지지구조물의 크기가 대형화되는 추세임.
- 해상풍력 기술의 진보에 따라 해상풍력터빈의 발전 용량이 증대되고 터빈 및 블레이드, 지지구조물도 대형화 되고 있는 추세이다. 하지만, 발전용량의 증가 속도에 비하여 터빈 및 구조물의 중량, 크기의 증대 속도가 더 가파르게 증가하고 있어 단위중량 대비 발전용 량은 낮아지고 있는 추세임.
그림 1. 터빈 용량 증가 추세 및 블레이드 크기 증가 추세
그림 2. 해상풍력 터빈 크기 비교 (3.6MW)
- 이와 같은 추세에서 해상풍력 건설비의 절감 및 해상풍력발전단지 건설의 활성화를 위해 서는 지지구조물에 대한 창의적 연구를 통하여 건설공사비의 절감이 필요하며, 해상풍력 하부기초 건설비용을 줄이거나, 하나의 해상풍력 지지구조물에 복수의 터빈을 설치하는 방법 등의 신형식 해상풍력 건설기술 고도화 기술 개발이 필요함.
그림 3. 강재 타워의 좌굴 파괴
그림 4. 신형식 DSCT 타워 구조
- 최근, 해상풍력의 대형화에 따라, 강재로 제작된 타워 구조물도 두께대비 길이가 대단히 큰 세장비로 인하여 지지구조의 좌굴 파괴 위험성도 증가하고 있어 DSCT(Double Skinned Composite Tubular) 및 ICH RC (Internally Confined Hollow Reinforce Concrete)구조와 같은 신형식의 고강도 지지구조의 개발이 필요함.
- 현재, 풍력발전이 효율적인 신재생에너지로서 많은 주목을 받고 있으나, 실제 에너지 변환 효율 23% 정도이며, 이 또한 풍속이 일정하게 유지되지 않고 계속 변화함에 따라 불규칙 한 전기가 생산되므로, 안정적인 전기 생산 효율은 약 3.3%로 계산되고 있음.
- 대형 터빈의 경우 안정적인 발전을 위해 10m/sec의 최소 풍속 (start-up wind speed1))이 필요하나, 소형 터빈은 3m/sec의 최소 풍속으로 안정적인 발전을 할 수 있으므로, 동일 해상에 설치하였을 때 실제로 더 큰 발전 효율을 기대할 수 있음.
- 해상 건설공사비의 절감을 위해 단일의 지지구조 상에 복수의 터빈을 설치하여 해상 기초 공사비를 절감할 수 있는 해상 풍력 발전 시스템이 필요하며, 다수의 중소형 터빈을 설치 하는 것 이외에 소수의 대형 터빈을 설치하여, 해상풍력 기초의 수 감소를 통한 공사비의 절감이 필요하며, 이를 구현할 수 있는 고성능-대형 타위 구조 시스템을 개발이 필요함.
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해상풍력 지지구조물 하부기초 부분- 유럽 및 북미의 선진국을 중심으로 신재생에너지에 대한 관심이 급증함에 따라 국내외적 으로 해상풍력터빈 발전기 설치가 활발하다. 국내에서는 지식경제부를 중심으로 2017년 까지 9조원에 이르는 설치공사가 예정되어있다. 그리고 국내외적으로 육상에서 이루어지 던 토목공사가 아래 그림처럼 에너지 효율 및 비용절감을 위하여 점차 육지를 벗어나 먼 바다인 해상에 풍력단지를 조성하는 사례가 급증추세임.
그림 5. 육상풍력과 해상풍력의 풍력단지조성에 다른 건설비용의 예
- 이러한 시대적 흐름에 따라 해상풍력발전기, 시추시설 및 해양구조물을 설계/시공하기 위 해서는 드센 바람과 파도에 견디는 직경이 매우 큰 대구경(직영 5m이상)의 하부말뚝기초 에 대한 수평력 거동 및 시공방법에 대한 연구가 필요한 시점에 놓여있다. 하지만, 대구경 강관말뚝의 설계방법이나 시공법에 대한 연구가 국내외적으로도 많지 않아 거센 바람 및 파랑에 저항하는 최적의 해상풍력 하부기초의 수평거동(p-y, degradation etc.) 메카니즘 에 대한 이해가 부족하여 비경제적이고 구조물의 위험도가 큰 실정이 있음.
- 현재 해상풍력시장이 급중 추세이므로 대구경 하부 말뚝기초를 해상에 시공하기 위한 건 설장비도 국내에는 전무한 실정이므로 해외의 장비를 수입하거나 의존하는 현실임. 당 연
구에서는 바람과 파랑하중에 견디는 대구경 하부기초인 말뚝과 국내 해저지반과의 상호 관계를 이해하는 연구를 신뢰성 해석기법으로 규명하고 한계상태이론에 근거한 신뢰성설 계기준과 해석프로그램을 개발하고자함.
- 이러한 기관역량강화 연구를 통하여 해상풍력 지지구조물 하부기초 설계시공기술에서 선 진국으로부터의 기술 의존에서 완전히 벗어나게 될 뿐 아니라, 정·동적하중에 대한 첨단 의 신뢰도 및 최적화된 평가기법을 고려한 “신형식 기초개발 및 신뢰성 설계기준 개발”하 여 고부가가치의 해상풍력 해외시장 진출도 또한 기대할 수 있을 것으로 판단됨.
그림 6. 해상풍력 지지구조물 하부기초 형식 예
1.1.2. 경제․산업적 측면
- 신재생에너지에 대한 관심이 급증함에 따라 국내외적으로 해상풍력터빈 발전기 설치가 활 발하다. 국내에서도 2017년까지 9조원에 이르는 설치공사가 예정되어있다. 그 이유는 화 석에너지의 고갈과 국제유가의 지속적인 상승, 교토의정서 발효에 따른 탄소배출의 제한, 기후변화대응에 따라 세계 각국은 신재생 에너지를 국가 성장의 주요 핵심기술로 분류하 여, 투자를 증대시키고 있음.
- 각 신재생 에너지의 발전단가 비교 시, 해상풍력발전은 발전단가가 작게 산정되어 충분한 경쟁력을 확보하였으므로, 향후 많은 해상풍력 발전 단지의 건설이 예상 되며, 5년간 연평 균 27.3%의 성장세를 보이고 있음.
- 우리나라에서도, 국가 신성장동력으로서 해상풍력 산업 활성화를 위해 정부는 해상풍력추 진 로드맵을 발표하였고(지경부, ‘10.11.02), KEPCO 및 발전사는 서해안 2.5GW 해상풍력 단지개발을 위한 계획을 수립하였으며, 국내 다수 부지에 대한 해상풍력 개발 가능성을 검토하고 있음.
그림 7. 신재생 에너지원별 발전단가 (2009년도 미국 기준)
그림 8. 부안 풍력발전 단지
조성 계획 그림 9. 입지에 따른 유효바람 자원 고도 비교
- 현재 세계 풍력발전 설비용량은 약 200GW로, 이 중 해상풍력의 비중은 1.45%(2.9GW)에 불과하나, 덴마크의 풍력발전 전문 컨설팅업체 BTM컨설팅의 자료에 따르면, 지난해 설치 된 풍력발전기 중 83.1%는 1.5~2.5㎿급이며, 8.3%가 0.75~1.499㎿급 제품일 정도로 아직
해상에 설치된 대용량 풍력발전기의 비중은 미미함.
- 육상풍력과 해상풍력의 원가구성을 비교하면, 육상풍력은 터빈 70%, 기반공사 17%, 계통 연계 8%, 기타 5%의 구성비를 보이나, 해상풍력의 경우에는 터빈 43%, 기반공사 24%, 계 통연계 24%, 기타 9%로서, 터빈 이외의 부분에 대한 공사비가 증대되며, 터빈 가격은 일 정하다는 점을 고려하면, 육사풍력에 비해, 해상풍력에서는 기반공사비는 2.3배, 계통연계 에 대한 공사비는 4.9배 증가함을 알 수 있음.
- “제1차 국가에너지기본계획(2008년 8월)”에 의하면 석유를 포함한 화석에너지 비중(1차 에너지 기준)을 현재 83%에서 2030년 61%로 축소, 신재생에너지 비중은 현재 2.4%에서 2030년 약 11.5%로 확대하여 에너지 공급의 脫 화석화를 실현하고자 함.
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해상풍력 지지구조물 타워구조 부분-
대형화 되는 해상풍력 구조물 건설에 따른 공사비 증가,
건설 공기가 증가하는 문제를 기관역량 강화연구를 통하여 해상풍력 발전 사업의 활성화 및 경제성 증대.
그림 10. 해상풍력 기초/구조물 공사비
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경제적인 해상풍력 시스템 개발로 전력사RPS
달성 및 국가적 신재생에너지 개발량 달 성에 크게 기여.
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국내 해상풍력산업 발전 촉진으로 해상풍력 건설기술의 고도화,
이를 통한 경제 활성 화 및 고용 창출 효과 기대.
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해상풍력 지지구조물 하부기초 부분- 당 과제의 개발품인 “해상풍력 신형식 하부기초, 기초설계기준 및 신뢰성 해석프로그램 개발”는 국제적인 수준의 국가 설계기준이 되는 연구내용이므로 해양연구원의 기관역량 강화 연구사업인 해양에너지 구축사업 크게 부합하며 특히, 신뢰성 설계법이 해상풍력의 시설물안전에 지대한 영향을 미치므로 기후변화에 심각한 태풍 및 폭풍우에 대비하는 연 구가 필요한 시점임.
- 해상풍력 단지조성시 지지구조물과 말뚝기초는 전체 공사비의 30%이상 차지하지만, 국내 해상풍력 지지구조물 관련 하부기초에 대한 설계기준이나 그 해석기법이 전무한 실정임.
그림 11. 해상풍력 지지구조물의 연구기술수준
- 현재의 해상풍력 하부기초의 설계기술은 경제성과 안정성을 전혀 반영되어 있지 않은 비 용과대의 허용응력설계법을 적용하고 있는 상태이나, 해상풍력 선진국인 유럽에서는 태 풍 및 폭설과 같이 큰 불확실성과 위험도를 가지는 수평, 연직 및 모멘트하중에 대한 신 뢰도 기반 설계기준의 개발을 완료하고 LCC 개념에 기반하여 최적의 설계가 가능한 신뢰 성 기반 설계법을 제시하고 있음.
- 따라서 향후 국내해안에 조성할 해상풍력단지 건설을 위한 신뢰성 기반 한계상태설계법을 도입하기 위해서 우선, 국내의 해양하중 및 해저지반특성에 적합한 특화된 독자적 설계기 술을 접목하는 연구가 필요한 시점임.
- “해상풍력 지지구조물 신형식 하부기초 개발과 신뢰성 설계기준, 해석프로그램 개발”은