성장하는 풍력발전 산업

지구온난화 대책의 일환으로 풍력, 태양광, 바이오매스 등 재생 가능 에너지의 대량 도입이 기대되고 있다. 특히 풍력발전은 재생 가능 에너지 중에서는 발전 비용이 저렴하고 설비 이용률이 크다는 우위성을 가지고 있다. 세계 풍력 산업은 <그림 1>과 같이 그 도입 용량이 년 20~30%로 성장하고 있으며, 이러한 급격한 성장은 풍차의 도입 기수(基輸)와 유닛 용량 양쪽의 증대가 어울려 실현되고 있다. 본고에서는 대용량 풍력발전의 동향에 대해 소개하고자 한다.

대형화의 역사

1. 초기 풍력발전
풍력으로 전기를 발생시키는 풍력발전은 19세기 말 덴마크에서 시작됐으며, 일본에서도 2차 세계대전 전후에 야마다 풍차(200~300W)를 개발, 상업적으로도 성공을 거두었다. 이러한 초기 풍력발전기는 송전선과 연계하지 않고 직류로 발전해 축전지와 조합하는 방법으로 사용하는 소규모 형태였다.

2. Smith-Putnam 풍차
세계 풍력 산업 역사상 가장 초기의 대형 풍차는 1941년 미국 버몬트(Vermont)州의 Grandpa's Knob 산 정상에 건설된 Smith-Putnam 풍차가 유명하다(<그림 2> 참조). 이 풍차는 출력이 1.25㎿, 로터 지름이 53m나 되는 거대한 규모를 자랑했지에 얼마 안 돼 개발이 중지됐다. 이처럼 Smith-Putnam 풍차는 기술적으로 성공하지 못했으며, 이를 뛰어넘는 대형 풍차의 출현은 석유 위기 이후 각 국에서 대형 풍차의 개발이 시작되는 1980년대까지 기다려야만 했다.

3. 1980년대 이후의 풍차 대형화
1930~1960년대에 걸쳐 풍력계통과 연계하는 출력 100㎾ 이상의 대형 풍차의 개발이 세계 각국에서 이루어졌으나 상업적으로 성공한 것은 없었다. 1970년대 석유 위기 이후 각국에서 대형 풍차의 개발이 재차 이루어지게 됐으며, 상용기가 계통에 연계돼 사용되기 시작했다. 일본에서도 NEDO에 의해 1980년 시험용으로 40㎾ 풍차가 설치됐으며, 그 후 전력회사 등에서도 풍력발전에 대한 시험 · 연구가 시작됐다.
<그림 3>은 풍차의 정격출력 및 로터 직경의 변천을 나타낸 것이다. 현재로서는 로터 지름 70~80m, 2㎿급의 풍차가 주류를 이루고 있다. 2㎿급과 같은 파워트레인을 이용해 날개 길이를 5m 정도 늘려 출력을 2.3~2.6㎿로 증대시킨 타입의 풍차는 발생전력량도 많고, 가격대성능비(Cost Performance)가 우수해 서서히 보급되어 왔다.
<그림 4>는 IEA 가맹국에서 새롭게 건설되는 풍차의 평균 유닛 용량을 나타낸 것이다. 1995년에 약 0.3㎿이었던 것이 2007년에는 1.8㎿ 정도로 상승했다. 일본에서도 1999년 처음으로 1㎿기가 도입된 후 풍차의 대형화가 진행, 현재로는 1.5㎿ 이상의 풍차가 주류를 이루고 있다.
현재는 베스타스(Vestas), GE, 지멘스 등에서 해상/육상 겸용으로 정격출력 3㎿ 정도의 풍차가 제작 판매되고 있으며, 일본에서도 2009년 5월 베스
타스製3㎿기 26대가 설치된 ㈜유라스에너지의 신이즈모(新出雲) 풍력발전소가 준공식을 갖고 운전을 시작했다.

3㎿급에서 로터 지름이 90m를 넘자 육상용으로서는 운송이나 시공방법이 문제가 돼 이 이상의 대형화가 어렵다. 그러나 해상을 운송하고 전용배로건설하는 해상풍력은 더욱더 대형화가 가능하다.
현재 해상풍력을 타깃으로 한 대형 풍차는 5㎿급의 상업 운전을 시작했으며, 에너콘(Enercon), 리파워(REpower) 등 기존 풍차 제조사 외에 바드(Bard), 멀티브리드(Multibrid) 등 5㎿ 이상의 해상 풍차를 타깃으로 설립된 신흥 풍차 제조사도 경쟁하도록 프로토 타입(Proto Type)의 운전을 개시하고 있다.
현시점에서 세계 최대의 풍차는 에너콘의 'E-126'이다. ' E-126'은에너콘의E-112의후계기종으로, 타워 높이가 135m에 이른다. <그림 5>는 독일 북부의 엠덴(Emden)에 건설 중인 'E-126'의 모습이다. 엠덴은 지형이 평탄하고 에너콘의 공장에서도 가까운 데다가 분할 블레이드 채용으로 사이즈에 비해 운송 및 조립이 용이하기 때문에 이처럼 육상에서도 건설이 가능했다. 일본에서도 미쓰비시중공(三겒重工)㈜가 해상풍력을 타깃으로 5㎿급의 대용량 풍차 개발을 추진하고 있다.

대형화가 필요한 이유

이처럼 풍차의 대형화가 추진되고 있는 이유는 온난화 대책 및 원유 가격 앙등 등으로 인해 풍력발전의 대량 도입이 필요해졌기 때문이다. 풍력으로부터 얻을 수 있는 에너지는 풍차의 회전면적에 비례하고 풍속의 3승에 비례하므로 큰 풍차를 풍속이 빠른 지점에 설치하는 것이 풍력발전에 유리하다. 바람은 지표의 식생, 건물 등의 마찰 영향을 받기 때문에 지표에 가까이 갈수록 약해지며, 상공으로 갈수록 강해진다. <그림 6>은 풍속의 연직 분포를 나타낸 것으로, 지상 10m와 50m를 비교해 보면 50m 높이에서는 풍속이 1.2~1.3배가 되며, 면적당 에너지밀도는 1.7~2.2배가 된다.
이처럼 발전용 풍차를 타워 위에 설치해 상공의 빠른 풍속을 얻어 발전 효율을 높일 수 있다는 것이 수평축 프로펠러 풍차의 큰 이점이며, 현재의 상업용 풍력발전기 대부분이 이 타입의 풍차로 되어 있다. 게다가 같은 출력을 얻기 위해서는 대용량의 풍차를 이용하는 편이 풍차 대수도 적어지고 용지(用地)나 경관, 소음 등 환경 배려 측면에서도 유리하다는 것이 대용량화가 추진되고 있는 이유다.

대형화를 달성하기 위한 기술 개발

풍차의 대형화가 에너지 취득에서 유리하다는 것은 지금까지 논한 대로지만, 대형화가 이루어지면 풍차의 중량이 증가하고 그만큼 풍차의 비용이 증대하게 된다. 일반적으로 풍차의 중량은 로터 직경D의 3승에 비례하는 것에 대해 얻을 수 있는 에너지는 D의 2승에 비례하므로 풍차에 드는 비용(COE : Cost of Energy)은 D의 3/2승에 비례해 증가한다. 이것이 이른바 COE의 3/2승칙이다. 때문에 풍차의 대용량화를 실현하기 위해서는 취득 에너지를 증가시키는 고효율화와 중량을 경감시키기 위한 경량화 이 두 기술의 개발이 중요하다.

1. 블레이드
풍차용 블레이드는 일찍이 항공기용 날개를 운용해 제작돼 왔지만 날개 두께가 두꺼운 풍차 전용 설계를 통해 같은 풍속에도 큰 출력을 얻을 수 있는 고효율 블레이드가 개발됐다. 블레이드 재료는 날개의 대형화와 함께 지금까지 장시간 표준으로 사용되어 온 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP : Glass Fiber Reinforced Plastics) 대신 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP : Carbon Fiber Reinforced Plastics)을 사용하게 됐다. CFRP는 GFRP에 비해 3배의 강성(剛性)이 있으며, 피로 특성도 현격하게 우수해 풍차 제조에 적합한 다음의 이점을 가진다.

· 블레이드의 박육(薄肉)화와 고효율 형상이 가능해져 출력 효율이 향상된다.
· 블레이드의 슬림화가 가능하고, 타워와 나셀(Nacelle)에 걸리는 최대 부하를 경감할 수 있으며, 풍차의 기초도 콤팩트화 할 수 있다.
· 블레이드가 경감되기 때문에 운송 및 설치가 용이해 시공 면에서 유리하다.

<그림 7>에 풍차용 블레이드의 대형화 변천을 나타냈다. 가장 오른쪽이 61.5m 블레이드로 풍차출력은 5㎿다.

2. 에너지 변환장치
여기서 말하는 에너지 변환장치란 로터에서 얻을 수 있는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 부분으로, 메인 샤프트(Shaft), 기어박스, 발전기, 교직 변환기, 변압기 등으로 이루어진다. 현재 베스타스로 대표되는 기어박스, 2차 권선형 유도발전기(DFIG : Doubly-Fed Induction Generator)와 부분 용량 인버터의 조합과, 에너콘으로 대표되는 기어리스(Gearless), 다극식 동기발전기와 전량 인버터의 조합이 주류로 되어 있다. 전자는 비용 측면에서 유리한 반면, 트러블이 많은 기어박스가 필요하다는 점에서 불리하다. 후자는 전량 컨버터를 계통사고 시의 운전 계속(FRT : Fault Ride Through)제어에 이용할 수 있기 때문에 계통 적합성에서 우수하지만 발전기와 교직 변환기가 대형화 한다는 결점이 있어 어느 방식도 일장일단(一長一短)이 있다. 최근에는 동기발전기에 1단 기어박스를 둔 형식도 주목을 받고 있다.

3. 해상풍력
육상풍력의 경우 운송이나 경관 등의 문제로 풍차의 대형화가 어렵기 때문에 3㎿ 이상의 대형화는 해상을 타깃으로 하게 된다. 해상풍력발전은 풍황(風況)이 좋고 수심이 얕은 적지(適地)가 많은 유럽에서 이미 실용 단계에 있으며, <그림 8>에서 보듯이 유럽을 중심으로 2007년 말까지 1GW 이상의 해상풍력발전소 건설이 추진됐다. 한편, 일본은 바다로 둘러싸여 있긴 하나 풍황이 다르거나 깊은 수심 등의 이유로 유럽의 기술을 그대로 이용한 해상풍력발전 개발은 어렵다. 일본에서는 지금까지 난바다에 해상풍력발전소가 건설된 적이 없었으며, 방파제 내 해상에 건설된 2개의 풍력발전소가 전부다.
현재 NEDO에서 해상풍력발전의 타당성 조사(Feasibility)를 실시 중이며, 해상풍력발전 실현을 위해 일본 주변 해역에서 기상 해상 조건 검토 및 15m 이상의 수심에서의 지지 구조물 설계, 시공방법의 검토, 환경영향평가 검토 등을 행하고 있는 중이다.

4. 계통 운용
풍력발전기의 출력은 항상 변동하기 때문에 풍력발전소가 대형화 되어 갈수록 계통 주파수나 전압에 가하는 영향도 커진다. 그 대응책으로는

· 기상 데이터로부터 풍력발전기의 출력 변동을 예측해 계통 측에서 대응한다.
· 축전지 등의 에너지 저장장치를 이용해 풍력발전의 출력 변동을 흡수한다.
· 복수(複겤)의 풍력발전소나 그 외 발전 설비를 조합해 발전소 간에 출력 변동을 취소한다.

등의 방법을 생각해 볼 수 있다.

초대형 풍차

5~6㎿급의 대형 풍차는 현재 에너콘, 리파워, 멀티브리드, 바드 등의 제조사가 개발한 프로토 타입이 운전 중이며, 영국 등의 해상풍력 프로젝트에서 채용될 예정이다(<그림 9> 참조). 유럽에서 실시 중인 풍력발전 프로젝트 '업 윈드 프로젝트'에서는 보다 큰 10㎿급의 초대형 풍차 개발이 진행되고 있다. 대형 풍차 개발에는 실증을 포함해 10년 정도의 리
드 타임(Lead Time)이 필요하기 때문에 풍력의 대량 도입을 실현하기 위해서는 되도록 조기에 산 · 학 · 관 수평적 협력체계의 개발 계획안을 만들 필요가 있다.

마무리

영국에서는 2020년까지 33GW의 해상풍력을 개발하기 위해 정부와 산업계가 서로 합의해 개발 해역 선정 및 이해관계자와의 조정 등 환경 정비가 진행되고 있다. 이 배경에는 온난화 대책 이외에 북해원전 고갈이라는 특유의 사정이 있으며, 에너지 보안 확보 및 북해 원전 노동자의 고용 대책 등 강렬한 동기가 작용하고 있는 점이 다른 국가와는 다르다.
그러나 다른 국가에서도 100m가 넘는 대형 풍차를 설치하는 대용량 풍력발전 개발을 성공적으로 이끌기 위해서는 계통 운용이나 환경 문제, 인허가 절차의 번잡함 등 해결에 시간이 필요한 과제가 많다. 따라서 대형 풍차의 개발과 함께 풍력발전의 대량 도입을 가능케 하기 위한 이러한 환경 정비에 대해서도 조기에 착수하는 것이 바람직하다.

<Energy News>