해양에서의 새로운 에너지원 개발을 위한 해상발전설비 특히, 해상풍력발전에서 기초의 설 계 및 시공에 대한 관심이 증가되고 있어, 이에 대한 기술개발 동향을 분석할 필요가 있다. 해상풍력발전소 건설은 규모 및 대상지의 여건에 따라 초기 투자비용 및 유지관리 등 막대 한 예산이 소요된다. 해상풍력 발전시스템은 육상풍력과 유사하지만, 풍력발전 지주대(기상 탑 등)의 지지(기초)구조물은 연안 또는 해양구조물로서 수심 및 해저지반, 파랑 등 해양환경 에 따라 구조물의 형식 및 규모가 상이하여 지지(기초)구조물의 구조형식이 건설공사비 및 시공성 등에 미치는 영향이 매우 크다. 일반적으로 전체 해상풍력발전기에서 기초가 차지하 는 공사비는 전체 공사비의 약 30%를 차지하고 있으며 표 5.1.1에 나타난 바와 같이 수심의 증가에 따라 비례하여 증가한다. 본 연구에서는 향후 해상풍력발전 기초구조물 설계 시 적 합한 기초구조 형식을 선정하는데 필요한 기초자료를 제공하기 위하여, 해상풍력발전 기초공 법의 종류 및 특성, 국외 해상풍력발전 기초공법 적용사례, 국내 해상풍력 기초분야 연구동 향 등을 중심으로 조사하였다.
예상 공사비 Water Depth(m)
10-20 20-30 30-40 40-50
Cost (EUR/kW)
Turbine 772 772 772 772
Foundation 352 466 625 900
Installation 465 465 605 605
Grid Connection 133 133 133 133
Others 79 85 92 105
Total cost(EUR/kW) 1,800 1,920 2,227 2,514
표 5.1.1 수심별 해상풍력발전 예상 공사비 (EEA, 2009)
해상풍력발전에서 현재 사용되고 있는 기초형식으로는 모노파일(monopile) 기초, 트라이포 드(Tripod) 기초, 석션케이슨(Suction caisson/bucket) 기초(그림 5.1.1 참조), 트라이파일 (Tripile) 기초, 중력식(gravity) 기초 , 자켓 기초 등이 있으며, 수심 60m 이상의 대수심 조건 에서 이용하기 위한 부력식 기초가 현재 연구 중이다.
(a) Monopile: Horns Rev(Denmark) (b) Tripod(Borkum Germany)
. (Monopile)
모노파일 기초공법은 해상지반을 20.0~30.0m 정도 선굴착(pre-drilling)한 후 그라우팅을 하
여 파일(pile)을 고정시키는 기초형식으로 해양 기초구조물로 널리 활용되고 있으며, 특히 유
럽지역에서 가장 많이 해상풍력에 적용한 기초형식이다. 일반적으로 직경 4m, 두께 5cm의 강관을 항타형식으로 해저면에 설치한다. 수평보강재(bracing)가 없는 경우 수심 25m, 수평보 강재가 복합적으로 설치될 경우 수심 40m까지 설치가 가능하며, 해저지반의 지지층이 일정 범위 이상 확보될 수 있는 해역에 적합한 형식으로 마찰말뚝으로서 신뢰도가 확보될 경우, 경제성 확보가 용이한 기초형식이다. 그러나 수심 20m가 넘고 터빈의 용량이 5MW급 이상 이 되면 직경이 6m를 초과하게 되어 강재량이 많이 소요될 뿐만 아니라 시공장비 확보에도 제약이 있어 다른 형식의 기초에 비하여 경제성이 떨어지는 단점이 있다. 그림 5.1.1(a)은 모 노파일 기초인 덴마크 Horns Rev의 시공사례이며, 표 5.1.2에 해외 모노파일 형식의 해양 기 초구조물 시공 수행 현황을 나타내었다.
프로젝트 이름 국가 년도 수심 해안까지 거리 파일타입
Blyth offshore British 2000 8m mono
Scroby Sands British 2004 3-12m 2.5 km mono
North Hoyle British 2004 <21m mono
Egmond aan
Zee Netherland 2006 15-20m 10-18km mono
Butendiek Germany 2008 16-20m 34km mono
Horns Rev Denmark 2003 6-14m 14km mono
North Sea UK test 50m Guyed
Samso Denmark 2002 grouted mono
Long island USA 15-20m 5-6km mono
표 5.1.2 해상풍력에서의 모노파일 형식 기초구조물 시공 현황
나. 트라이포드(tripod structures) 기초
트라이포드 기초공법은 깊은 수심(30~60m)일 경우 현재의 시공능력으로 설치 및 유지가
이고 3-Pile System은 모두 공장에서 제작하여 한 번에 시공하는 형식이다. 표 5.1.3에 수심 30m이며 5MW 터빈에 대하여 2-Pile System 트라이포드 기초와 모노파일, 중력식 기초의 중 량과 자재비를 비교하고 있는데 Tripod가 경제적으로 유리한 것으로 나타났다. 기초수심 3
0～60m에서 적절한 기초시스템이며, 모노파일공법 대비 해류 등에 대한 수평저항력이 높은
것이 특징이지만, 기초 설치에 대한 비용이 고가여서 경제적 측면에서 모노파일에 비해 떨어 지는 단점이 있다. 또한 수심이 비교적 깊고 터빈의 용량이 클 경우에는 2-Pile System 보다
3-Pile System이 적합하나 기초를 운반 및 설치하는 대형 해상장비가 필요한 단점이 있다.
표 5.1.3 해상풍력발전에서 트라이포드 기초의 경제성 비교 분석(한국에너지기술평가원, 2011)
표 5.1.4 모노파일 대비 트라이포드 및 자켓 기초의 비용 비교 (한국에너지기술평가원, 2011)
Component 강재
모노파일 콘크리트
모노파일 강재 자켓 콘크리트
중력식 기초 강재
트라이포드
Materials 100 80 80 60 90
Manufacture 100 100 170 100 150
프로젝트 이름 나라 년도 수심 해안까지 거리 타입
Borkum Germany 2009 30m 45km Tripod
Nogersund Sweden 1990 Tripod
(a) 2-Pile system (b) 3-Pile system 그림 5.1.2 트라이포드 기초 형식
트라이파일 기초는 독일의 Bard Engineering에서 개발한 형식이며, 3개의 강관파일을 수면 위로 노출되도록 설치한 후 특수하게 제작한 Transition Piece로 연결한 형태의 구조물이다. 트라이포드나 자켓 기초에 비하여 브레이싱이 없는 형태이므로 강재의 중량은 다소 많아지 나 강관파일에 대한 수중 설치장비가 필요 없고, 강관이 지지구조물과 기초 구조물의 역할을 동시에 담당하는 단순한 구조형식이어서 제작비 면에서 유리할 수 있다. 또한, 강관파일이 수면 위로 노출되어 Transition Piece만 운반하여 설치하면 되므로 전체 구조물을 운반하여 설치하는 트라이포드나 자켓 기초에 비하여 운반이 용이하며 시공성도 우수하다고 볼 수 있
다. 다만, Transition Piece는 전단력과 휨모멘트를 전달하는 구조체로서 부재의 크기가 크며
트라이파일 기초에서도 트라이포드나 자켓 기초와 마찬가지로 강관파일의 정밀시공이 필수 적이다. 트라이파일 기초는 독일 Alpha Ventus 해상풍력단지(수심 40m 조건)에서 5MW급 터빈의 Substructure로 적용된 바 있으며 향후 6.5MW급 터빈에서도 적용될 예정이다.
그림 5.1.4 트라이파일 기초(Alpha Ventus, Bard Engineering사(Germany))
라. 석션케이슨(Suction caisson/bucket) 기초
석션케이슨 기초공법은 해저에 기초를 거치하여 케이슨 내부의 해수를 펌핑하면서 해저지 층 속으로 관입 후 고정되는 방식이다. 수심이 깊을수록 큰 석션압의 발생이 가능하여 대수 심 조건에서 유리하며, 별도의 파일항타 없이 공장에서 제작 후 해상으로 이동하여 Suction
, , . 이 연약지반이고 하층이 사질토로 된 지반조건인 경우 다른 연약지반 개량공법에 비해 유리 한 기초형식이다. 수심이 깊은 경우에는 가장 경제적인 시공방법이며 저소음 저진동 공법이 므로 해양 환경규제로 인하여 강관파일의 항타가 어려운 경우에는 유력한 대안이 될 수 있 다. 현재 적용성 및 시공성 증대를 위해 단단한 지층에서의 관입, 불균질 지층에서의 경사 도 확보 등에 대한 연구가 수행 중이다. 해상풍력기초로는 2002년 덴마크 Frederikshavn에 직경 12m, 길이 6m의 석션케이슨 기초를 설치한 후 3MW급 터빈을 설치하여 기초 변위 및 구조물-지반 상호 작용 등에 대한 실험 및 장기 모니터링을 실시한 사례가 있으며, 표 5.1.6 에 다양한 시공 프로젝트 현황을 나타내었다.
프로젝트 이름 국가 년도 수심 해안까지 거리 용도 타입
Wihelmshaven Germany 2003 5m - test Steel bucket
Klasarden Sweden 2003 - - test Concrete caisson
Frederikshavn Denmark 2005 4m - test Steel caisson
Bothkennar UK - - - test Steel caisson
Luce Bay Scotland - - - test Steel caisson
WEC project Germany 2004 - - - Steel bucket
표 5.1.6 해상풍력에서의 석션케이슨 기초 시공 현황
마. 중력식(Gravity) 기초
중력식 기초공법은 연약지반을 통과하여 지지층에 기초의 선단을 설치하여 자중에 의해 전도에 저항하며, 상부하중을 지반으로 직접 전달시키는 방식이다. 최대 설치 수심이 25m로 알려져 있으나, 수심 3.0~5.0m의 지역(해안에 면한 지역)에 일반적으로 설치되는 가장 고전적 인 기초형식이다. 경제성 면에서 가장 경쟁력이 있으나 해양에서의 수평하중에 대한 지지력 이 상대적으로 낮으며, 기초를 거치할 수 있도록 해저 지반을 정리해야 하고, 세굴 보호공을 반드시 적용해야 하므로 토사의 이동이 많은 경우 적용하기 어려운 단점이 있다.
그림 5.1.7 해상풍력발전용 중력식 기초
프로젝트 이름 국가 년도 수심 해안까지 거리 타입
Thornton Bank Belgium 2010 10 - 24m 27 - 30km gravity
Nysted Denmark 2003 6 - 9.5m 9km gravity
Middelgrunden Denmark 2000 3 - 5m - gravity
Lillegrund Sweden 2006 - - gravity
Borkum West Germany 2009 - - gravity
Rodsand 2 denmark 2009 - - gravity
La Carnpagnie France 2010 - - gravity
표 5.1.7 해상풍력에서의 중력식 기초 시공 현황
바. 자켓(Jacket) 기초
자켓기초공법은 자켓 구조물을 공장 제작하여 설치위치로 운반, 레그(leg) 파일 거치 후 자 켓 파일을 항타하여 시공하는 방식이다. 하중에 대해 강성거동을 보이는 기초 형식으로 수
심 20~40m의 연약층 지반에 대해 적용성이 양호하며, 경제성은 다른 기초공법에 비해 보통
수준이다. Oil & Gas 플랜트에서는 많이 사용해온 해상 구조물로서 트러스 형태이므로 파
력이 큰 곳에서 유리한 기초 형식이다. 자켓 기초 역시 공장에서 제작하여 해상으로 운반하 여 설치하는 형식인데 수심이 깊은 경우에는 Jacket의 높이도 크기 때문에 해상 설치 시 안
지배될 가능성이 높아짐. 앞의 표 5.1.4에서 모노파일 기초 대비 자켓 기초의 자재비와 제작 비를 비교하고 있는데 자켓 기초는 모노파일 기초에 비하여 강재량이 작아서 자재비는 작게 들지만 용접 등에 의하여 제작비가 높기 때문에 현장에 적용할 때에는 경제성 여부를 확인 하여야 한다.
자켓기초는 미리 강관파일을 해저면 상단에 노출되도록 수중 항타 또는 굴착 후 매입 시 공한 후, 해상으로 운반하여 강관파일 위에 끼워서 설치하기 때문에 강관파일의 시공정밀도 확보도 필수적이며 해상기상 조건에 의하여 시공에 많은 제약을 받기 때문에 시공기간이 오 래 걸릴 수 있다. 자켓 기초는 수심이 깊고 발전기 용량이 큰 경우에는 모노파일 대비 경제 적으로 유리할 수 있지만 향후 자재비 및 제작비 절감, 시공기술 향상을 위한 기술개발이 필 요하다.
프로젝트 이름 국가 년도 수심 해안까지 거리 타입
Beatrice UK 2007 45m 25km Jacket
표 5.1.8 해상풍력에서의 자켓 기초 시공 현황