배럴당 50달러를 넘는 고유가 추세가 한풀 꺾인 듯하더니 다시 급등하고 있다. 1970년대 이미 두 차례의 ‘오일 쇼크’를 겪은 뒤에도, 여전히 우리 정부는 국제 유가의 추이에 따라 일희일비하는 현실에서 탈피하지 못하고 있다. 이것은 미국유럽연합(EU) 등이 발빠르게 ‘석유시대’ 이후를 준비하고 이웃하고 있는 일본, 중국이 ‘에너지 외교’에 적극 나서고 있는 것과 크게 대조적이다. 풍력발전은 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있는 청정에너지이며, 대규모 풍력발전 단지의 경우에는 발전단가도 기존의 발전방식과 경쟁 가능한 발전기술이기 때문에 신재생 에너지 자원에서도 특히 각광을 받고 있는 무한 청정에너지이다. 또한 육상용 풍력발전 단지의 면적이용 비유를 비교해 보면 실제로 풍력발전기 설치에 이용되는 면적은 풍력발전기의 기초부, 도로, 계측 및 중앙제어실 등으로 전체 단지면적의 1%에 불과하며, 나머지 99%의 면적은 목축, 농업 등의 다른 용도로 이용할 수 있다. 풍력발전은 공해물질 저감효과도 매우 커서 200kW급 풍력발전기 1대가 1년간 운전하여 40만kWh의 전력을 생산한다면 약 120~200톤의 석탄을 대체하게 되며, 줄어드는 공해물질의 배출량은 연간 SO2는 2~3.2톤, NOx는 1.2~2.4톤, CO₂는 300~500톤, 슬래그(slag)와 분진(ash)는 16-28톤에 달하며, 부유물질은 연간 약 160~280kg정도 배출이 억제되는 효과가 있다. 외국은 국가적인 차원에서 경쟁적으로 풍력발전기를 보급하고 있으며, 현재 가장 많은 풍력발전기가 운전되고 있는 국가는 유럽의 독일로서 2004년 상반기에 설치된 풍력 발전 용량은 731MW 정도 되고, 지금까지 설치된 풍력발전기 수는 약 1만5천8백기 정도 되며 운전되고 있는 총용량은 1만5천329MW나 된다. 일년간 평균 풍력발전 생산량은 약 3억9백만kWh 정도의 깨끗한 전력을 생산하고 있다. 이는 전 독일 전기사용량의 6.55%를 차지하게 됐다.
국내 풍력발전시스템의 기술개발 현황 및 보급정책 현황
개발정책 및 현황 국내에서는 신재생에너지원 개발의 일환으로 1970년대부터 풍력발전 시스템 개발에 노력을 기울여 시작품이 일부 제작되어 시운전되고 있으나 아직까지 취약한 시장경제성으로 지속적인 기술개발을 통한 기술의 축적이 없이 단지 외국사의 시스템을 모방 제작하거나, 시스템의 운전실험을 통한 특성연구에 머물러 있는 실정이어서 독자 개발이나 실용화와 관련한 가시적인 성과를 거두지는 못하고 있었다. 국내의 풍력발전 분야의 기술개발 투자는 1987년 12월에 제정된 ‘대체에너지 기술개발 촉진법’을 근거로 1988년에 대체에너지 기술개발 기본계획이 수립됨으로써 일반기술로서 분류되어 연구개발이 시작되었다. 그간의 풍력발전기술개발 투자실적(1988~2002)으로는 기술 개발투자비 1백95억원(정부1백10억원, 민간 85억원)정도 지원된 것이다. 90년대에 접어들어서는 유럽의 풍력발전 기술개발 추세에 따라 중대형화 되고 경제성있는 계통 연계용 풍력발전 시스템이 연구개발되거나 도입, 설치되기 시작했다. 지난 10여년간 중형급 풍력발전시스템 개발에 관심을 가지고 국산화 및 실증운전을 병행하여 국내 풍력발전시스템의 도입 여건 조성에는 상당한 역할을 했다. 그러나 이는 국내기술 인프라의 부족으로 인한 기술개발 방향은 선진국 회사제품의 단순한 도입에 의한 시스템의 실증운전에 역점을 두게 되었고, 기반기술이 확보되지 않은 상태에서 무리하게 진행하다 보니, 여러가지 시행착오를 하게 됐다. 이는 지금까지 개발 성공된 제품이 상용화 된 적이 없는 것으로도 알 수 있다. 그러므로 그동안의 풍력발전시스템 설치 경험과 단위 구성기기, 중형발전기 시스템 개발경험과 선진국의 기술이전을 바탕으로 비교적 빠른 시일내에 풍력발전시스템의 독자 설계, 제작 및 풍력단지 전체에 대한 설계, 설치기술을 확보하는 것이 더욱 필요하게 됐다. 그러나, 풍력발전시스템 전체를 설계하고 제작하는 부분은 아직까지 기술적인 축적이 일천하여 MW급의 국산상용 풍력발전시스템의 독자적 생산 및 수출에 이르기까지는 험난한 길이 예상된다. 따라서, 전체적으로는 국내 풍력 산업계의 기술력이나 기술인력, 경험과 축적된 기술자료 등에서 풍력 선진국에 비해 많은 기술격차가 있는 것은 사실이나, 국내의 대·중소기업들 중에서 풍력 설비 개발투자에 대한 관심과 국산화 연구개발에 참여하는 기업들이 있어 국산화 개발 전망은 밝게 보인다. 다만 현재적인 시장 창출과 정부의 적극적인 풍력 산업 육성의지 및 지원정책 그리고 민자투자의 유도 등이 절실히 필요한 시점이다. 보급현황 2003년도에 정부주도의 보급사업으로서 제주도, 전남 무안, 울릉도 등에 61기 22.1MW정도의 풍력발전 설비가 설치되어 운영중에 있으며, 이는 풍력발전으로 47.0TWh/년 정도의 청정전력을 생산하여 1만500TOE/년 에너지 수입 대체하는 효과를 얻을 수 있는 양이다. <표 1>은 현재 국내에서 가동중인 풍력발전시스템의 현황을 정리한 것이다. 전국시설 용량별로는 600kW급 이상이 27기에 불과하지만 발전량은 85%를 점유하고 있다. 특히 정부의 지역에너지 사업으로 조성된 제주 행원지역의 풍력발전 단지는 국내 최초의 상업용 풍력발전 단지로 제주 전체 전력수요의 10%를 풍력발전으로 대체하려는 제주도 풍력발전 실용화 사업(국가보조 73억)의 일환으로 건설 추진중인 사업으로 1997년도부터 단계별로 건설중에 있으며, 2003년 현재 9795kW(15 기)의 규모로서 운전중에 있고, 전국 풍력발전시설 용량의 50%를 차지하고 있다.
[그림1] 제주도 월령 연구단지
[그림2] 제주도 행원 풍력발전 단지
[그림3] 국내 풍력발전 단지 및 예정지
현재 풍력발전기술 분야에서의 사업화는 그동안의 연구개발의 체계적인 지원의 부족으로 풍력발전시스템 관련 기술 자체가 완전히 국산화 되어 있지 못하고, 국내 시장이 활성화되어 있지 못한 관계로 주로 정부주도의 사업전개로 진행되고 있다. 국내 풍력발전 기술의 사업화를 위해서는 정부차원에서 실증연구를 마친 기술을 대상으로, 대체에너지기술과 관련된 제품의 초기시장 창출 및 시장기반 조성으로 관련 사업체의 대체에너지 기술개발 참여유도와 보급 활성화의 기반구축을 필요로 한다. 대체에너지 시범보급사업과 중앙정부 위주의 에너지 절약 정책에서 탈피, 지방화 시대에 대비한 지방자치단체의 창의적이고, 자발적인 에너지시책을 수립하고, 에너지 정책 추진기반의 확충과 저변확대를 통해 국가에너지 정책목표를 효과적으로 달성하며, 지방자치화와 연계한 지방자치단체의 역할증대 및 자립기반 구축을 지원하는 목적으로 하는 지역에너지 사업을 중심으로 추진중에 있다. 제주 행원 풍력발전 단지의 경우에는 평균 발전 원가가 90원/kWh 수준으로서 제주도내 한전발전소의 평균발전원가가 약 1백30원/kWh에 비해 저렴한 상태로서 자체적으로도 충분한 경쟁력을 지니고 있어서, 풍력에 의한 연간 전력생산을 12GWh/년으로 예상하고 있으며, 한전에 대한 매전으로 연간 6~7억원 정도의 매전수입이 예상되고 있어, 제주도의 입장에서는 충분한 사업성을 갖추고 있다고 할 수 있다. 이밖에도, 경북 울릉도 풍력발전시스템의 연간 생산전력량은 770MWh/년으로 예상되며 한전에 대한 매전으로 연간 5~6천만원 정도의 매전수입이 예상되고 있다. 그러나, 풍력기술의 사업화는 아직 초기단계로서 제주도의 성공적인 풍력기술 사업화 성과에 대한 사례를 타 지방자치단체에서도 관심있게 주목하고 있어 정부주도 지원사업 및 민자유치를 통한 풍력기술의 사업화는 획기적으로 증가될 것으로 예상되고 있다. 이의 대표적인 예로서는 제주도(행원, 한경), 강원도(대관령지구, 태백), 전라북도(새만금), 경북(영덕) 및 인천(서해안지역)등의 지방자치단체 및 산업체가 사업화에 본격적인 참여를 희망하고 있는 상황이다. <표 2>는 03년도 현재 계획하고 있는 민자유치 풍력단지의 현황을 나타내고 있다.
해외 풍력발전 시스템의 기술개발 현황 및 보급현황
해외 풍력에너지 동향 70년대와 80년대의 에너지 파동을 거치면서 다른 국가들에 비해 대체에너지의 필요성을 먼저 인식한 국가들은 정부차원의 지원과 장려책을 수립하여 현재 환경친화적이고 지속가능한 에너지의 확보는 물론, 세계 신재생에너지 산업의 선두권을 형성하고 미래 산업의 주역으로 육성하고 있다. 세계 각국은 자국의 여건에 맞는 지원육성프로그램을 수립하여 풍력산업의 발전을 주도하기 위한 투자를 강화하고 있다. 유럽풍력협회(EWEA) 국가에 보급된 풍력발전기 규모는 3만9천294MW로, 유럽 1천9백만 가구에 또는 4천7백만 사람들에게 전력을 공급할 수 있는 규모이다. 특히 유럽국가들이 90년대 후반부터 원자력발전의 증설을 중지하면서부터 풍력발전기 이용보급은 비약적으로 성장하여, 연평균 30%가 넘는 성장률을 보이고 있으며, 세계 풍력발전기 보급규모는 2004년에 4만7천512MW, 2009년에는 13만MW에 이를 것으로 전망되고 있으며, 1999년 약 38억불이었던 세계시장 규모는 2004년에 2백80억불에 이를 것으로 전망되고 있다. 또한, 고용면에서 1999년 미국의 경우 풍력발전산업의 직접종사자만 2천명으로 2010년에는 약 15만명의 일자리가 창출될 것으로 예측하고 있으며, 유럽풍력학회(EWEA)의 보고에 의하면 유럽지역에만 2010년에 51만2천명의 고용이 창출될 것으로 보고되고 있다.
해외 풍력발전 기술의 동향 90년대 이후의 국외 풍력발전기술의 동향은 계통 연계형 풍력발전단지 조성이 활발해짐에 따라 시스템의 대형화, 구조의 단순화를 통한 생산원가의 하락과 해양풍력발전 단지개발이라는 경향을 보이고 있다. 블레이드 제작기술과 타워 구조물 제작기술 등 관련기술이 발달함에 따라 미국과 유럽을 중심으로 로터 직경과 허브 높이가 60~90m에 다르는 정격용량 1천~3천kW의 메가와트급 풍력발전기들이 개발되고 상용화되고 있다. 1992년 한해동안 독일에 설치된 풍력발전기 1기의 평균용량은 2백kW미만이었던 것이 1995년에는 두배 이상이 커진 4백50kW를 기록했고, 1999년에는 9백19kW, 2000년 상반기에는 1천71kW에 이르고 있으며, 2001년 현재는 2MW급 풍력발전기 모델이 상용화되어 공급중이며 3~4.5MW에 이르는 초대형 풍력발전기(Multi-Megawatt wind turbine)의 상업화가 목전에 와 있는 실정이다. 이러한 풍력발전기의 대형화 이점은 첫째가 단위 용량당 건설비 및 설비비의 감소이며 둘째는 대형화에 따른 에너지 효율의 증가를 들 수 있다. 특히 대형 풍력발전기의 출력증가는 로터 직경의 2승이 아니라 2.35승에 비례해 증가하게 되는데 이는 타워의 높이 사승에 따른 평균 풍속의 증가로 용량 및 이용률이 증가하기 때문이다. 이런 대형화를 통해 풍력발전의 단가는 2004년 4cents/kwh, 2010년에는 2.5cents/kwh로 낮아질 전망이다. 현대 들어 전력전자기술의 급격한 발전으로 풍력발전시스템의 구성 요소 중에서 기계장치들이 전기장치로 교체됨으로써 기계적 구조가 단순되는 특징을 보이고 있다. <그림 4>는 고전형 발전기이며, <그림 5>는 기어리스형 발전기다. 고전적 풍력발전기는 로터의 회전속도를 증속기를 통해 발전기 동기속도로 증속시켜 유도발전기를 통해 계통에 직접 연계하는 풍력발전기가 가장 널리 보급되어 왔다. 그러나 근래에 들어와 로터의 회전속도를 증속장치가 아닌, 발전기 극수를 증대시킨 다극형 동기발전기를 이용하여 이를 전기적으로 해결하는 직접구동형 풍력발전기의 개발이 새로운 분야로 자리를 잡고 있다.
[그림4] Gear타입 풍력발전 시스템
[그림5] 기어가 없는 풍력발전 시스템
덴마크, 네덜란드, 독일 및 영국 등은 해안에서 수km 떨어져 수심이 5m~20m 바다위에 풍력발전기를 설치하는 해양풍력발전단지는 내륙의 공간적 제약에서 벗어나 해상의 우수한 풍력자원을 이용하고자 난류성으로 인한 시스템의 수명증대를 가져올 수 있는 장점이 있다. 이런 장점에도 불구하고, 해상 구조물의 높은 설치비용으로 인해서 그동안 실용화 되지 못했으나, 대형풍력발전기 개발의 성공으로 인하여, 단위기의 용량을 대형화 할 수 있음으로 발전단가의 경쟁성을 확보해가고 있는 실정이다. 덴마크 전력회사들의 경제성 분석 결과에 따르면 대당 용량 1천5백kW 풍력발전기를 사용한 해상풍력발전단지의 경우 Tuno지역의 해상단지의 경우는 발전원가는 kwh당 현재 6cents에서 3.8cents로 낮아질 것으로 전망하고 있다. 또한 국외 풍력발전기 전문제작사 들은 해양풍력단지용 모델로 내세우고 있는 실정이다. 현재 덴마크와 네덜란드 북쪽 해안에 대규모 해상풍력단지가 건설중에 있으며 이들 해상단지의 용량은 각각 6백MW와 1백MW에 이르며, 건설비용은 kW당 약 1천5백60유로와 2천2백50유로 이를 것으로 예상된다. 또한 덴마크는 2030년까지 4천MW의 해상풍력단지를 조성한다는 목표를 세우고 있다.
결말
풍력발전은 가장 실용성 있는 재생에너지원으로서 정부의 신재생에너지 보급목표인 2011년 7%의 큰 역할을 할 것이다. 국내의 육상 풍력은 부지 확보문제로 인한 단지화 조성에 제한적 요인이 있으므로 향후 해상 풍력에 대한 기반조성이 필요하다. 특히 해상 풍력발전 사업은 밝은 미래에 대한 무한한 가능성을 갖고 있으며 새로운 기업분야로 확립되어져야 한다. 해상 풍력사업의 활력은 점점 더 커지고, 새로운 전망이 더욱 개발될 것이며, 새로운 개발 역할분담과 경험을 통한 성장이 이루어 질 것이고, 이 분야에 대한 기술들은 더욱 개척되고 진보되어 질 것이다. 국가적인 정책이나 정치적인 지원만이 무한한 해상 풍력의 청정자원을 우리에게 갖다 줄 것이다. 특히 우리나라가 갖고 있는 지리적 여건을 본다면 해상 풍력이야말로 기후협약에 대처해 나갈 수 있는 절호의 청정 신재생에너지다.
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