가. 기술개발의 필요성
ㅇ 화석에너지의 고갈과 국제유가의 지속적인 상승, 교토의정서 발효에 따른 탄소 배출의 제한, 기후변화대응에 따라 세계 각국은 신재생 에너지를 국가 성장의 주요 핵심기술로 분류하여, 투자를 증대시키고 있음.
ㅇ 각 신재생 에너지의 발전단가 비교 시, 해상풍력발전은 발전단가가 작게 산정되 어 충분한 경쟁력을 확보하였으므로, 향후 많은 해상풍력 발전 단지의 건설이 예상 되며, 5년간 연평균 27.3%의 성장세를 보이고 있음.
그림 II-48. 신재생 에너지원별 발전단가 (2009년도 미국 기준)
ㅇ 우리나라에서도, 국가 신성장동력으로서 해상풍력 산업 활성화를 위해 정부는 해상풍력추진로드맵을 발표하였고(지경부, ‘10.11.02), KEPCO 및 발전사는 서해
안 2.5GW 해상풍력 단지개발을 위한 계획을 수립하였으며, 국내 다수 부지에
대한 해상풍력 개발 가능성을 검토하고 있음.
ㅇ 서해안 2.5GW 해상풍력단지 개발 사업 이외에도 전력사는 의무할당제도(RPS6)) 충족을 위해 수 GW 규모의 추가적인 해상풍력 개발을 추진하고 있으며, 다수
5) 지식경제부 연구 사업으로 제안하였음.
6) RPS (Renewable Portfolio Standard) : 신재생에너지의무할당제, 에너지사업자에게 공급량의 일정비율을 신재생 에너지로 하도록 의무화하는 제도.
지자체는 해상풍력의 지역경제 활성화 효과로 해상풍력단지의 유치를 희망하고 있음.
ㅇ 현재 세계 풍력발전 설비용량은 약 200GW로, 이 중 해상풍력의 비중은
1.45%(2.9GW)에 불과하나, 덴마크의 풍력발전 전문 컨설팅업체 BTM컨설팅의
자료에 따르면, 지난해 설치된 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.
ㅇ 하지만, 해상에서는 육상에 비해 동일 풍속 대비 낮은 고도에서 양질의 바람에 너지를 얻을 수 있기 때문에, 해상풍력 발전의 건설이 점차 증가하고 있으며, 발전용량의 증대를 위해, 해상풍력 발전 또한 발전 터빈, 블레이드 및 지지구조 물의 크기가 대형화되는 추세임.
그림 II-49. 부안 풍력발전 단지 조성 계획
그림 II-50. 입지에 따른 유효바람 자원 고도 비교
ㅇ 또한 육상풍력의 경우 환경파괴의 비판, 소음 및 진동에 따른 민원, 인허지 연 에 따른 문제, 대규모 풍력단지 조성의 한계 등의 문제를 갖고 있으나, 해상풍 력의 경우에는 대형화 및 대수심화에 따라, 환경파괴, 민원 문제의 최소화하며, 대규모 풍력단지의 조성이 가능함. 하지만, 육상 풍력에 비해 투자비의 증가가
발생하며, 이의 증가분은 상당부분 해상 건설에 따른 기초구조물의 공사비 증 대, 해상 시공 시 발생하는 시공상의 어려움과 대형 특수 장비에 의한 시공의 문제에 따른 비용의 증가임.
ㅇ 육상풍력과 해상풍력의 원가구성을 비교하면, 육상풍력은 터빈 70%, 기반공사
17%, 계통연계 8%, 기타 5%의 구성비를 보이나, 해상풍력의 경우에는 터빈
43%, 기반공사 24%, 계통연계 24%, 기타 9%로서, 터빈 이외의 부분에 대한 공 사비가 증대되며, 터빈 가격은 일정하다는 점을 고려하면, 육사풍력에 비해, 해 상풍력에서는 기반공사비는 2.3배, 계통연계에 대한 공사비는 4.9배 증가함을 알 수 있음.
그림 II-51. 풍력발전 용량 증가 추세 및 전망 (미국)
ㅇ 기술의 개발에 따라, 해상풍력터빈의 발전 용량이 증대되고 있으나, 이에 따라 터빈 및 블레이드, 지지구조물도 대형화 되고 있으며, 발전용량의 증가 속도 보 다, 터빈 및 구조물의 중량, 크기의 증대 속도가 더 가파르게 증가하고 있어, 단 위중량 대비 발전용량은 너 낮아지고 있는 추세임.
ㅇ 또한, 터빈, 블레이드, 구조물의 대형화에 따라, 해상풍력발전 단지 건설시, 일반 선박 및 일반 장비로는 설비의 이송 및 건설이 불가능하고, 특수 대형 선박 및 특수 대형 장비를 이용해야 함에 따라, 건설공기의 증가와 건설비의 상승이 불 가피해 짐.
그림 II-52. 터빈 용량 증가 추세 및 블레이드 크기 증가 추세
그림 II-53. 해상풍력 터빈 크기 비교 (3.6MW)
ㅇ 이와 같은 상황에서 해상풍력 건설비의 절감 및 해상풍력발전단지 건설의 활성 화를 위해서는 지지구조물에 대한 건설공사비의 절감이 필요하며, 이를 위해서 는 해상기초의 수를 감소시키거나, 하나의 지지구조물에 복수의 터빈을 설치하 는 방법 등이 필요하며, 이를 해결할 수 있는 신형식 해상풍력 발전 시스템의 개발이 필요함.
개발 대상 기술․제품의 개요
ㅇ 육상풍력에서의 환경문제, 민원문제, 양질의 바람에너지 확보 등의 해결을 위해, 점차 해상풍력 건설이 확대되고 있고, 해상풍력의 대형화, 대수심화에 따른 기 반공사비 및 시공비용이 증가하고 있음.
ㅇ 전술한 바와 같이, 해상풍력의 대형화 추세에 따라 발전용량이 증대되고 있으 나, 발전용량의 증가율보다 터빈의 크기 및 중량의 증대 비율이 더 빠르게 증가 함에 따라, 단위 중량 대비 발전 용량은 감소하는 추세이며, 이는 막대한 공사 비의 소요를 야기 시킴.
그림 II-54. 상용 터빈 모델 별 발전 용량
그림 II-55. 상용 터빈 모델 별 중량
그림 II-56. 상용 터빈 모델 별 블레이드 직경
그림 II-57. 상용 터빈 모델 중량대비 발전량
그림 II-58. 동일 발전량 대비 단일 대형 터빈과 복수 소형 터빈의 중량 비교
ㅇ 대형 구조물의 시공에 따라, 대형 특수 장비의 사용 비용이 크게 증가하며, 장 비 운용의 제약으로 건설 공기 증가에 따른 공사비 증대가 예상됨.
ㅇ 대형 구조물의 시공에 따라, 대형 특수 장비의 사용 비용이 크게 증가하며, 장 비 운용의 제약으로 건설 공기 증가에 따른 공사비 증대가 예상됨.
ㅇ 또한, 해상풍력의 대형화에 따라, 현재 강재로 제작된 타워 구조물도 대형화와 함께 세장비7)가 증가함에 따라 지지구조의 좌굴 파괴 위험성도 함께 증가하고 있으며, DSCT8) 구조와 같은 신형식의 고강도 지지구조의 개발이 필요함.
그림 II-59. 강재 타워의 좌굴 파괴
7) 세장비 (slenderness ratio) : 타워 구조물의 높이-직경 비.
8) DSCT (double skinned composite tubular) : 이중의 강관 튜브 사이에 콘크리트가 채워지는 구조
그림 II-60. 신형식 DSCT 구조
ㅇ 현재, 풍력발전이 효율적인 신재생에너지로서 많은 주목을 받고 있으나, 실제 에너지 변환 효율 23% 정도이며, 이 또한 풍속이 일정하게 유지되지 않고 계속 변화함에 따라 불규칙한 전기가 생산되므로, 안정적인 전기 생산 효율은 약 3.3%로 계산되고 있음.
ㅇ 현재대형 터빈의 경우 안정적인 발전을 위해 10m/sec의 최소 풍속 (start-up wind speed9))이 필요하나, 소형 터빈은 3m/sec의 최소 풍속으로 안정적인 발 전을 할 수 있으므로, 동일 해상에 설치하였을 때 실제로 더 큰 발전 효율을 기 대할 수 있음.
그림 II-61. 풍속과 전기생산량 간의 관계
9) start-up wind speed : 풍력 터빈이 안정적인 전기 생산을 위해 필요한 최소 풍속.
ㅇ 따라서, 해상 건설공사비의 절감을 위해 단일의 지지구조 상에 복수의 터빈을 설치하여 해상 기초 공사비를 절감할 수 있는 해상 풍력 발전 시스템이 필요하 며, 대형 터빈 1기를 타워에 설치하는 대신 다수의 중소형 터빈을 설치함에 따 라 이에 최적화된 지지구조물의 개발이 필요하며, 본 연구에서는 이러한 지지구 조물을 개발하고 그 성능을 검증하고자 함.
그림 II-62. 다수의 중소형 터빈이 설치된 해상풍력 구조 시스템
ㅇ 다수의 중소형 터빈을 설치하는 것 이외에 소수의 대형 터빈을 설치하여, 해상 풍력 기초의 수 감소를 통한 공사비의 절감이 필요하며, 이를 구현할 수 있는 고성능-대형 타위 구조 시스템을 개발함.
그림 II-63. 소수의 대형 터빈이 설치된 해상풍력 구조 시스템
ㅇ 또한, 단일 지지구조물에 복수의 터빈이 설치됨에 따라, 각 터빈 간 상호작용에 따른 발전 효율의 검증 및 최대 발전 효율을 발휘할 수 있는 최적 배치에 대한 연구를 수행하며, 복수 터빈 배치에 따른 전력 계동 연계 안정성 검증과 최적화 를 수행함.
나. 대상 기술․제품의 중요성과 파급효과
개발 대상 기술․제품의 중요성
ㅇ 기존 기술 활용으로 발전 효율성 증대
- 기존 중대형 풍력 터빈을 활용한 대규모 해상풍력 단지 조성 - Low start-up wind speed에 따른 안정적인 발전 효율 증대
ㅇ 해상 풍력 건설 공기 단축 및 건설비 절감으로 인한 해상풍력 단지 건설 활성화 - 단일 지지구조에 복수의 터빈 설치로 인한 지지구조물 수 절감 및 이에 따
른 해상기초 공사비 절감 및 공기 단축.
- 상재 터빈 중량 감소에 따른 구조물의 슬림화 및 공사비 절감.
- Low Start-Up Wind Speed에 따른 구조물 형고 감소 및 구조안정성 증대.
- 대형 특수 선박 및 장비가 아닌 일반 선박 및 일반 장비에 의한 이송 및 수 송이 가능하여, 공기단축 및 공사비 절감.
ㅇ 터빈 상호 작용 해석 및 배치 최적화에 발전 효울 증대
- 동일 구조물에 설치된 복수 터빈의 상호 간섭 효과 및 와류 분석을 통한 발 전 구조체 안전성 해석 기술 향상.
- 터빈 블레이드 위상 변화에 따른 발전 효율 변동성 해석.
- 터빈이 구조물에 미치는 하중 및 진동 평가 기술 개발에 따른 구조물 안정 성 증대.
ㅇ 복수의 터빈이 설치된 단일 구조물에서의 계통 연계 최적화 - 복수 터빈 생산 전기의 집전 효과 분석 및 최적화
- 복수 터빈간 계통 연계 최적화 및 풍력 발전 구조체 간 배전 및 송전 최적화
그림 II-64. 소형 풍력 터빈의 형고 비교
그림 II-65. 대형 풍력 터빈의 형고 비교
개발 대상 기술․제품의 파급효과 [기술적 측면]
ㅇ 발전 터빈 해석 기술 증진에 따른 터빈 효율 증대.
ㅇ 해상풍력 개발 목적에 부합하는 경제적인 풍력 발전 시스템 제공.