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[풍력발전의 기술 및 동향 ②] 해상풍력발전 시대의 본격 개막
2013년 11월 4일 (월) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2013년 11월호 - 전체 보기 )

[풍력발전의 기술 및 동향 ②]
해상풍력발전 시대의 본격 개막


전 세계적으로 해상풍력발전에 대한 투자규모가 커지면서 재생가능에너지의 도입 확대라는 취지와 맞물려 해상풍력발전 산업이 크게 성장하고 있다. 일본에서는 세계 최초로 대규모 부유식 해상풍력발전단지 조성 계획을 추진 중에 있으며, NEDO(신에너지·산업기술종합개발기구)에서는 해상풍력 발전 기술의 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 본고에서는 해상풍력 실증연구의 개요 및 설비 구조와 위치, 해상사양풍차와 기초의 개발 등 NEDO의 지금까지의 연구 성과에 대해 알아본다.

번역·정리 김대근 기자

해상에서의 바람은 육상에 비해 강하고 혼잡함이 적다. 이러한 해상풍의 특성은 수치 시뮬레이션을 통해 예측되며, 실측에 의해 확인되어 왔다. 국토면적에 비해 넓은 영해와 배타적 경제수역을 보유하고 있는 일본에서 이러한 해상 풍력 에너지를 이용하는 기술의 확립은 재생가능에너지의 도입 확대를 위해 매우 중요한 일이다. 유럽에서는 1990년대 초반부터 해상풍력 발전의 도입이 개시되어 2000년대 이후 10만㎾를 뛰어넘는 대규모의 해상 윈드팜Wind farm(풍력 발전지역)의 건설과 운용이 진행되어 왔다. <그림 1>에 나타난 것처럼 해상풍력발전은 요 몇 해 사이에 급속도로 도입량이 늘어났으며 2011년 말을 기점으로 누계설비용량이 380만㎾에 달했다. 한편 일본에서는 태풍에 의한 폭우와 높은 파도, 지진 등의 엄혹한 자연환경 때문에 유럽의 기술을 그대로 도입할 수가 없었다. 이 때문에 신(新)에너지·산업기술종합개발기구(이하, NEDO)는 일본 근해의 해상에 해상풍력발전설비를 설치하여 기술의 실증과 확립을 도모하는‘해상풍력 발전 기술의 연구 개발(이하, NEDO 해상풍력 실증연구)’을 2009년도부터 개시했다.


NEDO 해상풍력 실증연구의 개요
목적과 실시 해역 | 근해의 해상에 풍차 1기, 관측탑 1기 등의 실증 연구 설비를 설치하여 일본의 엄혹한 자연환경에 적용 가능한 설계, 시공, 운전 등 기술의 실증적인 연구·확립을 목적으로 한다. 실시 해역은 지바현 조시와 후쿠오카현 기타큐슈의 앞바다 2지점이며, 자연환경이 서로 다른 태평양과 일본해의 쌍방의 기술 확립을 도모한다. 조시시의 앞바다는 도쿄전력과 도쿄대학이 공동으로 수탁하여 실시하고 있다. <그림 2>에 조시시 앞바다의 설비와 설치 위치를 나타냈다. 풍차와 관측탑은 조시시의 남쪽 앞바다 3.1㎞에 동서로 285m 이격하여 설치되어 있으며, 발전한 전력은 해저 송전케이블을 통해 육상으로 송전된다. 조시시의 남쪽 앞바다는 연평균 풍속이 크고, 깊이가 얕고 평탄한 해저의 바다가 펼쳐져 있어 착상식着床式해상 풍력 발전의 적합한 장소 중 하나이다. 또한 태풍에 의한 폭우와 높은 파도, 먼 곳에서 밀려오는 파도의 너울 등 기상·해상조건이 설계, 시공, 운전 등의 기술 확립에 적합하다. 이러한 이유에서 지역 관계자들의 협조를 얻어 실증연구의 해역으로 선정했다. 그리고 2012년 10월 일본에서 최초로 앞바다에 해상풍력발전소가 설치되었다.(<그림 3> 참조)


설비의 개요
실증연구의 설비는 해상사양풍차 1기, 풍황風況관측탑 1기, 계통연계설비일식과 각종 관측장치 등으로 구성된다. <그림 4>에 풍차와 관측탑의 구조와 수치를 나타냈다. 풍황관측탑은 높이 100m의 철탑으로 삼배식三杯式풍속계와 초음파식 풍향풍속계 등을 통해 풍차의 하중 평가에 필요한 풍속의 연직분포 등을 관측한다. 관측탑 기부에 설치된 도플러 라이다는 리모트 센싱Remote sensing(원격 탐사) 풍향풍속계이며, 관측탑에서 고고도高高度의 풍황을 관측함과 동시에 그 정밀도를 검증하여 도플러 라이다에 의한 저렴한 관측방법의 실용화를 도모한다. 해상사양풍차는 미쓰비시 중공업㈜의 MWT92/2.4를 토대로 개발하였으며, 초동기 세르비우스 방식의 발전기는 국산최대 정격출력 2400㎾를 발생하고, 22㎸ 해저케이블로 조시시 시내에 연계한다. 해수면에서 블레이드(날개) 끝부분까지의 높이가 126m, 로터 직경은 92m이다. 해저가 평평한 암반으로 돼 있어 기초는 말뚝을 타설하지 않는 중력식을 채용했다.


 
 
지금까지의 연구 성과
해상 풍황 및 파랑의 관측 | 해상 풍차의 합리적인 설계 방법의 확립을 위해서는 고도별 평균 풍속과 강도, 극치極値의 추정을 위한 관측 데이터의 축적이 필요하다. 또 합리적인 하중의 조합 설정에 있어서는 폭우와 높은 파랑과의 상관관계를 알 필요가 있다. 풍차와 관측탑의 설치 예정 지점의 중간에, <그림 5>에 나타난 해상관측시스템이 2010년 1월에 설치되어 파랑을 관측하고 있다. 현지의 파고와 주기 등은 데이터 전송 부표에서 20분 간격으로 송신되어 해상 공사작업의 가부판단 등 연구의 안전 면에서도 공헌하고 있다. 2011년 3월 11일 해상관측시스템은 동북지방 태평양 앞바다의 지진해일을 관측했다. <그림 6>에 그 관측결과를 나타내었다. 수심 11m(지진 시) 지점에서 높이 5m의 단파段波발생과 5m에 달하는 매우 큰 수심의 저하와 유속이 관측되었다. 각지의 검조소가 부서진 것으로 보아 진원 근처의 천해역으로서 해일의 발생에서 종료까지 상세하게 관측된 데이터는 거의 없었고, 해일의 전파 메커니즘의 해명과 수치 시뮬레이션의 정밀도 향상을 위한 데이터로 활용되고 있다. 이 해일에 대한 실증연구 설비의 안전성에 관해서는 관측결과를 근거로 한 재현 수리모형실험 등을 통해 관측파가 안정하다는 것이 확인됐다. 관측탑에 의한 해상 풍황의 관측은 2012년 12월부터 개시되어 태평양 연안에서의 해상 풍황 및 파랑의 특성과의 상관관계 등을 평가한다.

해상사양풍차의 개발 | 해상사양풍차는 나셀을 밀폐구조로 하며, 나셀 내 기기는 흡기구에 설치된 방수 장치와 제염 필터로 물방울과 염분을 제거한 외기로 냉각한다. 증속기의 냉각은 냉각재를 겸한 윤활유를 일단 냉각재로 식히고, 냉각재를 다시 직접 외기로 식히는 방법을 취했다. 또 국소적으로 히터를 배치하여 풍차의 정지 시에 결로 방지를 꾀했다. 또한 나셀 안에 카메라와 마이크, 진동 센서 등을 설치하여 액세스가 곤란한 해상풍차의 원격 감시 및 제어기능을 확충하고 있다. <그림 7>에 완성된 풍차를 나타내었다. 2013년 1월 이후 풍차의 내염해 성능을 검증하고, 최적의 운전 보수 방법을 확립함과 동시에 해염 입자에 의한 블레이드 마모 및 해상에서의 낙뢰 빈도와 강도, 풍차의 내뢰 성능 검증을 행한다.

기초의 개발 | 공사비의 절감과 안전을 위해 해상에서의 공사기간은 가능한 짧게 하는 것이 좋기 때문에 항만 내 이미 완성시킨 기초를 크레인선으로 운반해 설치할 필요가 있었다. 이러한 전제하에 조시시 남쪽 앞바다와 같이 평평한 해저 지반에 적합하며 향후 대수심화大水深化에도 적용 가능한 기초 형식으로서 프리스트레스트 철근 콘크리트Prestressed reinforced concrete구조의 삼각 플라스크형 케이슨 기초를 개발했다. <그림 8>에 완성된 기초를 나타내었다. 기초는 삼각 플라스크형으로 상부를 잘게 하여 파력을 감소시킴과 동시에 프리스트레스트 철근 콘크리트를 채용하여 벽 두께를 얇게 한 케이슨 형식에 의해 크레인선으로 운반·설치 가능한 가볍고 콤팩트한 기초 구조를 실현시켰다. 또한 프리스트레스트에 의한 긴장으로 균열이 발생하기가 어렵고, 높은 염해에 대한 내구성을 가지고 있다. 케이슨 내부에는 비중이 큰 구리 수재 슬래그를 중 마무리하여 소정의 안정성을 얻었지만, 비교적 취약한 기초와 풍차의 강관 탑과의 접합부에 슬래그 투입 구멍이 있는 특수한 구조이기 때문에 <그림 9>에서와 같이 1/4 모형실험에 의한 파괴실험을 실시하여 내하실험을 검증했다.

실증연구 설비의 건설 | 실증연구 설비의 건설 중 기초의 구축은 2010년 12월 이라바키 현의 가시마항에서 개시되었다. 풍차의 기초는 부력을 이용하여 운반·설치하기 때문에 <그림 10>에서와 같이 항내의 부두에 계류된 플로팅 독Floating dock 위에 구축했다. 2011년 3월 11일 가시마항과 조시 앞바다의 공사 현장은 동북지방 태평양 앞바다 지진과 해일에 의해 재해를 입었다. 인명피해와 제작 중 기초의 피해는 없었지만, 가시마항에서는 <그림 11>에 나타난 것처럼 액상화로 부두가 손상을 입음과 동시에 해일에 의해 자기재를 손실하여 공사를 중단할 수밖에 없었다. NEDO와 조시 지역의 여러 관계자들의 이해와 협조를 얻어 2011년 8월부터 건설을 재개했으나, 가시마항이 재해를 입고 자기재의 조달도 곤란해졌기 때문에 기초의 구축 장소를 효고(兵庫)현 히가시하리마(東播磨)항으로 변경하여 구축 중의 기초를 플로팅 독마다 800㎞ 이동시켰다. 효고 현에서 완성된 기초는 가시마항으로 귀항시키고 2012년 7월 안으로 조시 앞바다에 착상시켰다. 착상에 관해서는 <그림 12>에서와 같이 전선회식 크레인선에 전용 가대를 설치하고 요동이 적은 배의 중심 부분에 기초를 고정·운반하여 매달아 착상시켰다. 가시마항에서 조시 앞바다까지의 운반거리는 70㎞이고, 크레인선의 왕복 항행시간과 착상에 요하는 사이클 타임을 합계 34시간으로 하며, 가시마의 여울과 조시 앞바다가 동시에 평온해지는 Weather Window(알맞은 날씨가 지속되는 시간대)를 신중하게 예측하여 시공했다. 풍차와 관측탑의 조립은 대형크레인과 부품을 적재한 두 척의 자기 승강식 작업대선(이하, SEP)을 이용했다. <그림 13>에 이번 공사를 위해 건설된 SEP, ‘쿠로시오’와 풍차의 조립 상황을 나타내었다. 2012년 10월 14일에 풍차의 조립이 완료되고, 이곳에 일본 앞바다 최초의 해상풍력발전소가 설치됐다. 본 실증연구는 2014년도 말까지 실시되어 차후 일본형 해상풍력발전기술의 확립에 공헌해나갈 계획이다.




 
*
실증연구 설비의 건설과 연구는 일본 제일의 어획량을 자랑하는 조시시 어업협동조합 등 여러 지역 관계자의 이해와 협조를 얻어 진행되었다. 일본의 엄혹한 기상·해상조건 아래에서의 기술 확립뿐만 아니라, 지역사회와의 공생이라는 점에서도 조시 앞바다의 해상풍력발전 설비는 일본에서의 본격적인 해상풍력발전을 여는 시발점이라고 할 수 있다. 한편, 일본에서의 부유식 해상풍력발전의 잠재력은 착상식보다 높으며, 후쿠시마 현의 부흥을 목적으로 하는 경제산업성의‘부유식 해상 윈드팜 실증연구 사업’이 지난해 2012년 2월부터 개시되었다. <그림 14>에 실증연구 설비의 완성 예상도를 나타내었다. 또한, 나가사키(長崎)현 고토열도(五島列島)의 카바시마(木花島)의 앞바다에서는 환경성의‘부유식 해상풍력발전 실증사업’인 100㎾ 풍차를 탑재한 시험기의 연구가 진행되어 2㎿ 풍차에 의한 실증연구를 준비 중이다. NEDO는 이러한 연구를 통해 경제성이 우수한 일본형 해상풍력발전의 기술 확립으로 향후 신에너지의 도입 확대 및 산업 진흥에 많은 공헌을 할 것으로 내다보고 있다.



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