재료연구소 풍력핵심기술연구센터

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재료연구소 풍력핵심기술연구센터

2020년 2월 1일 (토) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2020년 2월호 - 전체 보기 )

재료연구소 풍력핵심기술연구센터

초대형 해상 풍력터빈 연구개발의 핵심 인프라

재생에너지 가운데 풍력은 많은 장점을 가진 에너지원으로 평가되고 있다. 우리나라 역시 풍력의 잠재력에 주목하고 있으며, 2030년까지 국내 풍력발전의 규모를 16 GW까지 확대하는 계획을 갖고 있다. 최근, 풍력 중에서도 해상풍력에 많은 기대가 쏠리고 있다. 설치장소의 한계와 환경문제가 불거지고 있는 육상풍력과는 달리 여러 논란에서 자유로울 뿐만 아니라, 해풍이라는 풍부한 자원을 활용할 수 있기 때문이다. 이외에도, 대형터빈 설치와 단지 대형화가 용이해 경제성이 있다는 평가를 받고 있다. 해상풍력은 고압직류전송(HVDC)과 에너지저장시스템(ESS), 사물인터넷(IOT) 등의 기술이 합해질 경우 경제성이 더욱 커질 것이란 기대를 모으고 있다. (메인 사진 : 국내 해상풍력터빈 '두산 3 MW)

글 강창대 기자 | 자료제공 재료연구소 풍력핵심기술연구센터

한국은 신재생에너지 확대정책과 ‘세계 3대 해상풍력국가’라는 목표를 갖고 서남해안과 제주도를 중심으로 해상풍력단지 건설을 추진해오고 있다. 이와 함께 한국 정부는 환경과 공존하는 육상풍력 발전 활성화 방안을 모색하고 있기도 하다. 풍력발전은 온실가스 감축효과가 상대적으로 크고, 산업적으로도 한국의 주력산업인 조선과 해양플랜트, ICT 등과 연계되어 있어 새로운 성장동력으로 유망한 산업으로 평가되고 있다. 그러나 입지규제 및 주민수용성 문제 등으로 인해 2018년 보급규모가 168 MW(목표대비 84%), 2019년 상반기에도 133 MW(목표대비 20.4%)에 그치는 등 보급과 확산이 원활하지 못했다. 이에 ① 발전사업 허가 초기단계에서의 환경성 검토 강화, ② 불분명하거나 타당성이 부족한 환경·산림 규제의 합리적 개선, ③ 사업추진 전 과정을 원스톱(One-Stop) 지원하는 민·관 합동 지원단 신설 등의 방향을 설정하고 풍력 활성화에 노력하고 있다.

한국의 풍력발전 기술과 가격경쟁력은 국내 시장의 확대가 지체되면서 다소 정체됐다는 지적이 있다. 풍력발전의 핵심적인 경쟁요소로는 터빈 제조기술이 손꼽힌다. 유럽과 미국은 M&A를 통해 시장 지배력을 확대하고 있으며 대형화 및 양산기술을 확보하고 있다.

반면, 한국은 소수의 풍력터빈 시스템 기업과 중소 부품기업군으로 산업구조가 형성돼 있다. 2017년에 신규로 설치된 풍력발전의 규모만 보더라도 중국(19.5 GW), 미국(7.0 GW), 독일(6.6 GW)에 비해 현격하게 떨어지는 114 MW에 그쳤다. 그럼에도 불구하고 한국의 기술력은 이미 미국, 유럽 등 풍력 선진국의 기술수준에 근접한 수준으로 뒤쫓고 있다. 한국은 풍력 선진국에 비해 20~30년 이상 늦게 풍력 산업에 뛰어들었지만, 2017년까지 개발된 3 MW급 터빈 3종은 유럽경쟁제품 대비 오히려 우수한 성능으로 상용화에 성공했다. 또한 2019년에는 5.5 MW급 터빈 2종을 성공적으로 개발해 올해 상용화를 앞두고 있으며, 다가오는 2021년에는 8 MW급 터빈 개발을 목전에 두고 있는 등 빠른 속도로 풍력 선진국의 기술수준을 따라잡고 있다. 또, 전북권(새만금 태양광 풍력 4 GW), 전남권(태양광 2 GW 등), 동해권(부유식 해상풍력 1 GW), 경남권(풍력 제조기반) 등 재생에너지 혁신거점을 조성하면서 내수 시장의 규모를 키워나가는 등 한국 풍력 산업의 미래는 밝다.

풍력핵심기술연구센터 부안 풍력시험동 전경

한국 풍력터빈 기술개발을 이끄는 WTRC

한국기계연구원 부설 재료연구소의 풍력핵심기술연구센터(WTRC: Wind turbine Technology Research Center)는 한국 풍력산업 기술경쟁력의 최전선에 있는 기관이다. 풍력핵심기술연구센터(이하 센터)는 대형 풍력터빈의 핵심부품인 블레이드 설계·해석 및 인증시험 기술 개발을 맡고 있으면서 기반구축과 기업지원, 인력양성, 공공지원의 매개 역할 등 국내 풍력산업에 전방위적 역할을 담당하고 있다. 특히, 기술개발과 관련해 센터는 핵심부품의 설계와 해석, 인증시험 기술을 개발·지원하고 있다. 그리고 이들 부품의 인증 시험을 위한 시험설비 기반 구축을 담당하고 있다. 또 기술개발과 기반구축 등을 바탕으로 기업지원과 산업체 전문가 및 R&D 인력을 양성함으로써 기술 확산에 기여하고 있다. 센터는 2006년부터 ‘3 MW급 복합재 블레이드 개발’사업에 참여해 2009년 국내최초로 3 MW급(길이 44m, 고풍속형 모델) 풍력 블레이드의 국산화를 이끌었다.

이 사업에는 두산중공업이 주관기관으로 참여해 풍력 터빈 시스템을, ㈜케이엠이 블레이드 제조를, 재료연구소(KIMS)가 블레이드 설계를 맡아 공동으로 진행됐다. 이때 개발한 3 MW급 복합재 블레이드는 유럽의 경쟁 제품보다 중량을 10% 이상 줄여 하중 특성이 우수하다는 평가를 받았다. 출력효율도 48% 이상으로 우수한 성능을 보여줘 국내 블레이드 설계 및 제조기술의 우수성을 입증한 사례로 남았다. 이어서 센터는 2009년부터 2012년까지 ‘대형복합재 블레이드 핵심소 재공정 기술개발’사업에 참여해 앞서 개발된 블레이드의 핵심소재를 국산화하는 성과를 냈다. 이 사업은 블레이드용 NCF 직물(강화섬유직물)을 국산화하고, 블레이드 공정기술을 고도화하기 위해 실시됐다. 그 결과, 개발한 블레이드 핵심 소재는 GL인증을 획득, 3MW급 풍력 블레이드에 적용해 터빈 상용화와 양산에 성공했다. 뿐만 아니라, 개발 소재가 적용된 블레이드 인증시험을 성공적으로 완료함으로써 소재 검증과 신뢰성 데이터를 확보하고, 국산 블레이드의 시장 경쟁력을 강화하는 기반을 확보하게 됐다.

이러한 경험은 전주기 기술 국산화 블레이드 DSB48.3 개발로 이어졌다. 전주기 기술을 국산화한다는 것은 소재에서부터 설계, 제조, 시험평가에 이르는 모든 단계에 국내 기술을 100%로 적용했다는 것을 의미한다[그림1]. 이때 블레이드 소재(국도화학), 설계(두산중공업, 재료연 공동), 제작(케이엠), 시험평가(재료연)의 전 분야를 100% 국내기술로 개발하여 국내 복합재료와 블레이드 기술의 우수성을 입증한 사례로 남았다.

[그림 1] 블레이드 전주기적 기술개발 체계

2008년부터 2013년까지 센터는 ‘해상용 5 MW 블레이드’ 개발에 참여하기도 했다. ㈜효성이 주관기관으로 참여하고 남부발전, DACC항공, 광동FRP, 하이닥코리아, 버추얼모션을 비롯해 한국기계연구원(KIMM) 및 재료연구소 등이 참여한 이 사업을 통해 2013년 당시 국내 최대 규모(길이 68 m, 중량 28 ton)의 블레이드 개발에 성공했다. 이때 센터는 블레이드 통합 설계/해석프로그램인 BIMS(BIMS: Blade Intelligent Modeling System)를 개발하여, 5 MW급 블레이드 설계/해석에 적용하였는데, 이는 블레이드 설계와 해석, 제작성 확인, 도면출도 등 모든 과정을 자동화하고 체계적으로 관리할 수 있게 하는 프로그램으로서, 기존의 모델링 시간 대비 블레이드 해석 시간을 10분의 1 수준으로 단축시켜주는 강력한 장점을 가졌다. 또한 3 MW ~ 5.5MW급의 다수 블레이드 설계에 적용함으로써 그 유효성이 충분히 입증됐다. 이때 개발된 5 MW 블레이드는 독일 국제인증기관인 GL의 입회하에 정하중시험을 성공적으로 완료하여 국제인증을 획득했다.

2014년부터 2017년에는 탄소 복합소재를 적용한 3 MW급(길이 65.5m, 저풍속형 모델) 블레이드 개발사업 사업에도 참여했는데, 주관기관으로 두산중공업이, 참여 기업으로 한국카본, 정인테크, 휴먼컴퍼지트, 재료연구소 등이 함께했다. 이는 탄소 복합소재를 적용한 TBC 블레이드를 상용화한 세계 최초의 성공 사례다. 탄소섬유를 적용해 내구성이 뛰어나면서도 동급 가운데 가장 가볍고 긴 블레이드(길이 65.5m, 중량 13.8 ton, capacity factor 48% 향상)이다. 또한 국내 최초로 ‘Fullset’ 인증시험(정하중-피로하중-피로후정하중 시험)을 성공한 사례가 됐다. 최근에는 두산중공업 및 효성중공업과 함께 5.5 MW급 블레이드 2기를 성공적으로 상용화하는 등 국내 풍력 블레이드 개발에 지속적으로 그 역할을 담당하고 있다.

이러한 블레이드 개발의 성공에는 블레이드 설계/해석 기술 뿐 아니라, 블레이드 인증시험 기술 또한 그 역할이 매우 중요하다. 센터는 국산 대형 풍력터빈 개발을 위해서는 핵심부품의 인증 시험설비가 중요하다 판단해 2011년 11월 전북 부안에 풍력시험동을 준공하여 대형 블레이드 인증시험을 위한 시험설비를 갖추었다. 블레이드 인증시험을 위한 시험설비[그림 2] 또한 센터가 직접 개발하여, 현재까지 20건 이상의 블레이드 인증시험에 적용함으로써 그 유효성을 입증하였다. 뿐만 아니라, 블레이드 설계 기술을 바탕으로 블레이드 시험 시뮬레이션 기술을 개발해 시험 셋업을 최적화 하는 등 블레이드 인증시험을 더욱 안정적이고, 신속하게 수행할 수 있도록 꾸준히 시험기술 개발에 노력하고 있다. 2011년 당시에는 5 MW급 시험설비로 시작했으나, 풍력터빈 대형화 속도에 맞춰 2015년에 7 MW급으로 증설하고, 2020년 현재는 8 MW급으로 증설 중에 있다. 이로써 블레이드 인증시험에 있어서만큼은 세계 최대규모의 시험설비와 시험기술을 갖추었다고 해도 과언이 아니다.

[그림 2] 부안 풍력시험동 및 블레이드 시험장비

또한 부안 풍력시험동은 2013년 산업부로부터 국내 유일의 대형 풍력부품 성능평가기관으로 지정되었고, 한국인정기구(KOLAS)로부터 ‘국제공인시험기관’자격을 획득하면서 국내인증 및 국제인증을 위한 기반을 마련하였다. 2019년에는 재생에너지 분야에 더욱 강화된 국제인증체계인 IECRE 체계 상의 RETL(Renewable Energy Test Laboratory) 자격을 국내 최초로 획득하여, 블레이드 시험기관으로서의 국제적 위상을 높였을 뿐만 아니라, 국내 풍력기술의 세계진출의 교두보를 확보했다.

세계 최대 규모의 풍력 종합 연구단지로...

현재 센터는 2022년 이후 국내 대규모 해상풍력단지 공급을 목표로 8 MW급 풍력터빈 개발에 참여하고 있다. 이를 위해 센터는 8MW급 초대형 블레이드 설계와 인증시험 역할을 담당한다. 뿐만 아니라 길이 100 m 이상 블레이드 시험 수용이 가능하도록 부안 풍력시험동을 확장하고, 시험설비를 증설하고 있다. 이로써 부안풍력시험동은 명실상부하게 세계 최대 규모의 블레이드 시험기관으로 자리매김하면서 시험설비 개발과 더불어 초대형 블레이드에 적합한 동시제어 수직 정하중시험기술과 다점가진 피로시험기술 등의 시험기술 개발을 함께 진행하고 있다.

앞으로 센터는 풍력 종합연구단지로 확대 발전하기 위해, 12 MW급 이상 블레이드, 너셀 및 부품·소재 종합시험설비를 구축할 계획을 갖고 있으며, ‘재생에너지3020’ 국가정책 실현과 국가 풍력산업 부흥의 견인차 역할을 수행하겠다는 비전을 품고 있다. 이를 통해 12MW급 초대형 해상풍력시스템 연구개발을 가속화하고 상용화하기 위한 핵심 기술 및 인프라를 제공하겠다는 포부를 밝혔다.