 초대형 풍력 블레이드 설계 플랫폼 & 통합 인프라 국산화 성공 에너지연 12MW급 블레이드, 덴마크 DNV로부터 설계 인증 획득 한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연’) 풍력연구단 유철 단장 연구진이 국내 독자 기술로 초대형 풍력 블레이드 설계 플랫폼과 제작·시험까지 가능한 통합 인프라를 구축하고, 12MW급 블레이드를 설계해 국내 최초로 국제 인증기관(DNV)의 설계 인증을 획득했다. 유철 단장은 “향후 기술 고도화와 상용화를 지속 추진하여 국내 풍력 산업의 국제 경쟁력을 높이는데 기여하겠다”고 포부를 전했다.
정리 편집부 자료제공 KIER
산업부가 발표한 「제11차 전력수급기본계획(전기본)」에 따르면, ’38년 재생에너지 발전 용량은 ’24년보다 4배 상승하고, 이 중 풍력발전이 30%를 담당할 계획이다. 이를 달성하기 위해 국내에서도 기존 풍력발전기보다 높은 출력을 지닌 대형 풍력발전기의 필요성이 대두되고 있다. 10MW급 이상의 대형 풍력발전기는 현재 우리나라에서 주로 사용되는 5MW급 중소형 풍력발전기보다 설치 면적 대비 경제성과 유지보수의 효율이 높아, 향후 국내 재생에너지 발전량을 높일 핵심 설비로 평가받고 있다.
공력-구조 통합 설계 플랫폼 구축 현재 풍력발전 핵심 부품의 국산화율은 34%에 불과하다. 특히 10MW 이상급 풍력발전기의 핵심인 블레이드는 자체 설계 및 제작 능력을 갖춘 국내기업이 거의 없어, 대부분 해외 수입에 의존하고 있는 상황이다.
이를 해결하기 위해 에너지연 연구진은 초대형 블레이드 설계를 위한 국산 플랫폼 《KIER-블레이드포지(KIER-BladeFORGE)》를 개발했다. 해당 플랫폼은 반복 설계에 따른 비효율성과 수작업 부담을 줄이기 위한 설계 자동화 플랫폼으로, 설계 리드타임을 단축할 뿐만 아니라 설계 품질 고도화에도 효과적이다.
블레이드 설계의 핵심은 ‘공력 설계’와 ‘구조 설계’다. 기존에는 바람이 블레이드 표면을 지날 때 발생하는 힘을 제어하기 위해 공력 설계를 먼저 수행하고, 이후 안정성 향상을 위한 구조 설계를 진행해 왔다. 하지만 공력 설계 내용이 조금이라도 변경되면 구조 설계를 완전히 바꿀 수밖에 없어 효율적이지 못했다.
반면, 연구진은 최신 AI 기법과 최적화 알고리즘을 적용해 블레이드의 단면 형상, 비틀림 각도 등 미세한 설계 변수까지 실시간으로 반영할 수 있는 공력-구조 통합 설계 플랫폼을 구축함으로써 기존 설계 방식의 한계를 극복했다. 아울러 블레이드 설계의 전 과정을 자동화한 소프트웨어도 적용됐다. 이를 통해 기존에 3~4주 이상 소요되는 고반복 수작업 방식 대비 설계 최적화 시간을 50% 이상 단축하는 데 성공했다. 개발된 플랫폼은 한국선급(KR)의 개념승인(AIP)1) 인증을 획득해 신뢰성과 기술적 타당성을 공인받았다.
전 주기 시험 통합 인프라도 구축 이와 함께, 연구진은 설계된 블레이드의 실효성과 안정성을 검증할 수 있는 풍력 블레이드 전주기 시험 통합 인프라를 국내 최초로 구축했다. 구축된 시설은 Lab-scale 수준으로, 자동화 기반 블레이드 해석 및 설계실, 최적의 블레이드 형상 구현을 위한 풍동 실험실, 블레이드 제작실과 블레이드 구조 실험실을 포함하고 있어, 블레이드 축소 모델을 대상으로 ‘설계-제작-시험’에 이르는 전 과정을 테스트할 수 있다.
연구진은 복합재 적층 구조와 블레이드 제작 공정에서 발생 가능한 기술적 문제를 사전에 식별하고 개선할 수 있는 제작 검증 체계를 마련하여, 향후 대형 블레이드 양산의 기술 리스크를 최소화했다. 또한 블레이드 제작 전 공정에 대한 데이터 기반 품질 관리 체계를 도입하여, 설계-제작 간 연계성을 확보하고 제작 공정의 반복성과 신뢰성을 향상시켰다.
이후 연구진은 구축한 인프라를 바탕으로 길이 107m, 12MW급 초대형 풍력 블레이드를 설계했다. 개발된 설계 프로그램의 기술적 타당성과 산업 적용 가능성을 검증받기 위해 한국선급(KR)으로부터 AIP 인증을 획득했으며, 이를 통해 설계 해석 기술의 신뢰성을 확보했다. 이후 국내 기술로 설계된 초대형 풍력 블레이드 중 최초로 국제 인증기관인 덴마크 DNV로부터 설계 인증을 획득해 글로벌 기준에 부합하는 설계 안정성과 기술 경쟁력을 공식적으로 입증했다.
풍력 산업 생태계 강화 기대 10MW+급 초대형 풍력 블레이드의 공력·구조 설계, 제작, 시험 등 전(全) 주기에 걸친 핵심 기술을 국내 독자 기술로 확보함으로써, 향후 글로벌 풍력 시장에서도 기술 자립과 경쟁력 확보가 가능해졌다. 또한 국내 터빈 시스템 개발 기업들과의 협업을 통해 블레이드 설계 기술의 이전 또는 공동개발을 추진함으로써, 풍력 산업 전반의 기술 내재화와 산업 생태계가 강화될 것으로 기대된다.
뿐만 아니라, 국제 인증을 획득한 국산 블레이드를 기반으로 글로벌 해상풍력 시장에 진출할 수 있는 상용화 모델을 확보하고, 수입 대체 효과와 함께 국내 제조업 기반의 수출 경쟁력 제고에도 기여할 것으로 기대된다.
한편, 에너지연 제주 글로벌연구센터 내에 구축된 인프라는 현재 외부 기관과의 협력 연구에 활용되고 있다. 추후 관리 규약 등 구체적인 제도가 마련되면 관련 기업, 기관 모델의 테스트를 추진할 예정이다.  연구자와의 인터뷰
Q. 연구를 시작한 계기나 배경은? A. 기후위기 대응과 2050 탄소중립 실현을 위한 국가 에너지 전략에 따라, 재생에너지의 핵심인 해상풍력 발전의 기술 자립 필요성이 대두되었다. 특히 풍력터빈 블레이드는 전체 시스템 비용과 효율을 좌우하는 핵심 부품임에도 수입 의존도가 높아 독자적인 대형 블레이드 기술 개발이 시급했다. 이에 따라 10MW+급 초대형 풍력 블레이드의 ‘설계-제작-시험’ 전 주기를 아우르는 핵심 원천 기술을 확보하고자 본 연구를 추진하게 되었다. Q. 연구 전개 과정은? A. ‘공력-구조’ 통합 해석 기술 개발을 시작으로 ‘블레이드포지(KIER-BladeFORGE)’ 플랫폼 구축, 복합재 적층 구조 설계 및 실증 시험 인프라 확보 등으로 순차적으로 전개되었다. 특히 ‘설계-제작-시험’ 전 과정이 유기적으로 연계되는 토털 솔루션 체계를 갖추는 데 집중했다. 이를 바탕으로 설계 신뢰성 검증 및 국제 인증 획득까지 성과를 확대해 나갔다. Q. 연구 과정의 애로사항은? A. 초대형 블레이드는 구조 규모가 크고, 복합재의 비선형성이 강해 설계 해석 정확도를 확보하기 어려웠으며, 반복 설계에 따른 수작업과 시간 소요가 컸다. 이를 극복하기 위해 자체 설계 알고리즘과 해석 자동화 기능을 탑재한 플랫폼을 개발하여 설계 효율을 높였다. 또한 Lab-scale 실험을 통해 설계 결과의 정량적 검증 체계를 구축함으로써 해석 신뢰성 문제를 실험적으로 극복해 나갔다. Q. 이번 성과의 차별점은 무엇인가? A. 단순한 설계 기술 개발에 그치지 않고, 설계-제작-검증 전 과정이 자동화·연계된 통합 설계 체계를 구축했다는 것이 가장 큰 차별점인 것 같다. 또한, 국내 기술로 개발한 블레이드에 대해 국제 인증기관(DNV)으로부터 설계 인증을 획득함으로써 기술의 실효성과 상용화 가능성을 동시에 입증했다. 이는 국내 최초 사례로서, 향후 대형 풍력 블레이드 국산화와 수출의 기반을 마련한 중대한 성과라고 할 수 있다. Q. 향후 목표는? A. 현재 확보한 설계 기술을 기반으로, 실물 크기 프로토타입(12MW급 블레이드) 제작 및 실제 환경 조건에서의 실증 시험을 수행하여 기술성숙도(TRL)를 한 단계 더 끌어올릴 계획이다. 더불어, 글로벌 해상풍력 시장 진출을 위한 고신뢰·고효율 블레이드 설계 기술을 고도화하고, 블레이드 형상 최적화 및 경량화 설계 알고리즘도 추가 개발하여 국내 풍력 산업의 완전한 기술 자립을 이루는 것이 궁극적인 목표이다.
1) Approval in Principle. 조선 해양 및 산업플랜트 분야에서 주로 제작되지 않은 개념 설계에 대한 원칙 승인을 의미. 신기술, 신개념 설계안, 절차 및 프로그램 등 새로운 개념에 대해 관련 코드, 기준, 규칙, 표준 조항의 적용, 공학적 분석 및 위험도 평가를 통해 해당 기술이 적절한 신뢰수준과 타당성을 갖추었는지 검증한다.
<Energy News>
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