[신재생에너지 기술 현황과 전망] 지멘스의 풍력발전 기술

지멘스
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Energy Distribution MV_황정태 부장(jeongtae.hwang@siemens.com)
_이주훈 차장(joohun.lee@siemens.com)

풍력발전의 국내 현황

전 세계 풍력발전기 시장은 현재 연간 약 30억 달러의 매출액을 기록하고 있으며, 해마다 30% 정도의 신장이 기대되고 있다. 풍력발전기는 현재 750㎾ 이상의 중대형 발전기가 대부분이며, 지멘스(7.1% 시장 점유율)를 포함한 몇몇 풍력발전기 회사가 세계시장의 90% 이상을 공급하고 있다. 그러나 시장 확대와 시스템의 대형화에 의해 대규모 산업으로 발전하면서 거대 기업 중심으로 시장 구조가 재편되고 있는 동시에 한국을 포함한 아시아 기업들이 점진적으로 부상하고 있다.
현재 한전에 전기를 판매하고 있는 국내 풍력발전단지로는 제주도 행원, 경상북도 영덕, 강원도 대관령, 태기산 등이 있다. 1997년부터 정부의 시범 사업으로 시작해 제주도 행원에 750㎾ 5기, 660㎾ 7기 등 총 9.8㎿의 발전 설비를 갖춘 국내 최초의 상업 발전용 풍력발전단지가 들어섰으며 연간 32GWh 가량의 전력을 생산하고 있다(<그림 1> 참조). 그렇지만 국내 풍력발전 산업 자체의 성장은 상대적으로 미비해 수입에 의존하고 있는 실정이고 효성중공업, 유니슨, 준마, 한진산업, 코윈텍, 한국화이바 등 많은 업체들이 풍력발전기 상용화를 위해 노력 중이다.
풍력발전 사업은 선진국의 주요 업체들이 시장을 주도하고 있으며, 국내 업체들의 경쟁력은 아직 약한 것으로 알려져 있지만 일부 중소기업과 대형 조선사들이 사업다각화 측면에서 진출하고 있어 향후 국제경쟁력 확보가 기대된다. 또한 플랜지, 샤프트, 베어링, 타워 등 주요 부품의 경쟁력은 상당한 수준에 있어서 풍력발전이 국내 주요 산업이 될 수 있을 것으로 보인다.

특히 대형 조선사의 경우 해상 풍력발전단지 조성과 같은 부분은 해양플랜트와 큰 차이가 없고, 주요부품 중 하나인 로터블레이드는 선박에서 사용하는 프로펠러와 유사한 역학적 특징을 갖기 때문에 풍력발전에 충분한 가능성이 있다.

풍력발전의 핵심기술

풍력발전기의 핵심기술은 크게 로터블레이드의 설계 및 제작 기술, 진동 최소화 기술, 최적 구동 및 제어 방식, 전력계통 연계 및 보호 방식, 지지구조물 설계 및 시공 등을 꼽을 수 있다. 이 중에서 핵심기술과 연관된 타워, 로터블레이드, 기어박스 세 가지가 차지하는 비중이 전체의 61.4%나 된다. 그 외에 전력변환기, 변압기, 발전기, 메인 프레임, 피치
시스템, 메인 샤프트, 로터 허브, 너셀 하우징, 브레이크 시스템, 요 시스템, 로터 베어링, 스크류, 케이블 순이다.

1. 로터블레이드
바람에너지를 회전력으로 변환시키는 장치로 풍력발전기 성능에 중요한 영향을 미친다. 기체역학이 상당히 중요하게 사용되므로 블레이드의 설계가 매우 중요하다. 로터블레이드는 고장이 발생한 경우 현장 수리가 매우 어렵고 비용이 많이 들어가기 때문에 품질이 매우 중요하지만, 손상되는 원인 중 51%가 설계나 제작에서의 문제로 발생하고 있다.
또한 로터블레이드는 설계해석만으로 완전히 이루어지지 않기 때문에 경험적 기술이 상당히 축적되는 분야이며, 설계와 생산공정 및 시설 등이 서로 영향을 주고 로터블레이드 강도 등의 성능에 큰 영향을 주는 것으로 알려져 있다.

2. 동력전달장치
동력전달장치는 풍력터빈의 회전부를 포함하는 로터에 연결되는 저속축(Low Speed Shaft), 저속의 회전속도를 발전기의 정격회전속도로 증속시켜 주는 역할을 담당하는 기어박스, 그리고 발전기에 직접 연결되는 고속축(High Speed Shaft)으로 구성된다. 바람에 의해 저속에서 동력을 크게 받기 때문에 증속기의 초기 고장 및 수명 단축의 원인이 되고 있다.

3. 너셀(Nacelle)
너셀은 풍력터빈의 하우징(Housing)과 베드 플레이트(Bed Plate), 메인 프레임(Main Frame), 방향 제어시스템 등을 포함한다. 메인 프레임은 동력전달장치의 장착 및 정확한 고정을 위한 장치이며, 너셀 커버는 외부환경으로부터 주요 기계요소들을 보호하는 역할을 한다. 방향 제어시스템은 로터 축을 항상 바람이 불어오는 방향에 일치하도록 제어
하는 장치이다.

4. 요잉 및 피칭 기어
모든 수평축 발전기에 사용되는 시스템으로 풍향의 변화로 발생하는 요 에러(Yaw Error)에 대응하거나 긴급상황 시 요 에러를 통해 로터블레이드의 회전속도를 줄이는 데 사용된다. 이 시스템은 전기적 제어장치에 의해 구동되며, 모터, 기어박스, 브레이크, 베어링 등으로 구성된다. 요 에러라 함은 로터의 회전면과 풍향이 수직이 되지 않았을 때 에너지 활용도가 떨어지는 현상을 의미한다. 이때 블레이드가 플랩 방향의 앞뒤로 휘어지는 현상 및 로터의 진동과 피로하중이 증가하는 현상이 발생하게 된다.

5. 잠금장치 및 기계식 제동장치 (Locking Device and Mechanical Brake)
기계적 브레이크는 강풍이 불거나 시스템 이상 또는 보수점검 등 비상사태에 로터를 정지시키기 위해 사용되는 브레이크이다. 시스템에 무리가 가지않도록 에어 브레이크나 피치 조절 등으로 인한 로터 회전속도를 감소시킨 후 사용한다.

6. 발전기 및 전기부품
풍력발전에서 전력전자 장치들은 전체의 약 30%비중을 차지한다. 이러한 전기설비들로는 회전기계, 정지형 전력변환장치, 개폐장치 및 보호장치, 배전반, 케이블, 변압기, 고전압 전기설비, 축전지 및 충전장치, 낙뢰보호 장치 등이 있다.

7. 타워 및 Foundation
풍력발전기를 지지하는 구조물로서 수평축 풍력발전기(HAWT)의 경우 너셀과 로터부를 지상에서 부터 일정한 높이에 위치시켜 지지해 주는 역할을 하는 구조물이다. 수직축 풍력발전기(VAWT)의 경우에는 회전축의 역할까지 담당한다. Foundation은 타워를 육상이나 해상에 고정시키기 위한 구조물로 설치 위치에 맞게 다양한 형태로 제작된다.

지멘스의 풍력발전 기술

지멘스는 앞에서 언급한 핵심기술과 관련해 아래와 같은 선진기술과 풍부한 경험을 보유하고 있다.

1. 견고한 로터블레이드
지멘스는 로터블레이드를 조립하지 않고 일체형으로 생산하는 기술을 보유하고 있다. 연구보고서에 의하면 20년 동안 초속 100톤의 풍압을 견딜 수 있을 뿐만 아니라 허리케인에도 견딜 수 있는 견고성을 가져 경쟁제품과는 확연히 차별화된 기술을 보유하고 있다. 이와 같은 견고성은 기본적으로 기체역학에 의한 설계를 바탕으로 개발되어 다양한
시험을 통해 검증한 노력과 기술의 산물이다.
특히 다이옥신 문제를 발생하는 폴리비닐 클로라이드를 사용하는 대신에 재활용이 가능한 강화섬유를 이용해 브레이드 자체에 강도를 높였다. 또한 특허를 획득한 코팅기술에 의해 해양에서 사용되는 모든 기기에서 발생되는 염분에 의한 부식 등의 문제를 해결한 차별화된 기술력을 가지고 있다.

지멘스는 이미 이와 같은 기술력을 바탕으로 해양풍력에서 가장 대전력인 3.6㎿의 전력을 생산할 수 있는 풍력발전기를 공급한 바 있으며, 이는 발전용량으로 예전과 비교하면 25대의 풍력발전기에 해당하는 전력 생산량이다.
지멘스는 기술력뿐만 아니라 공급물량에서도 세계 최고의 자리를 차지하고 있다. 현재 미국에 연간 600개의 블레이드를 생산할 수 있는 대규모 공장을 운용하고 있다(<그림 4> 참조>.

2. 유지 보수의 최소화
지멘스는 유지 보수를 최소화하기 위해 기어박스가 없는 형태의 풍력발전기를 2007년에 덴마크에 설치해 약 2년 동안의 시험 운전을 성공적으로 마쳤다. 이는 효용성은 높이면서 내부 콤포넌트(Component)는 크게 줄어든 간단한 구조로서 유지보수 문제를 최소화 해 준다. 이러한 장점은 접근이 용이하지 않고 유지 보수 비용이 많이 발생하는 해상풍력에서는 매우 중요한 고려사항이다.
현재까지는 기어박스가 있는 타입보다는 무겁고 생산비가 높다는 단점이 있지만, 별도의 변환장치가 없어 앞에서 언급한 저속에서 동력을 크게 받는다. 따라서 증속기가 초기에 고장 나거나 수명 단축의 문제가 없으며, 풍속에도 영향을 받지 않고 전력을 생산할 수 있다는 큰 장점이 있다. 이외에도 가변속도 운전이 가능하므로 계통 연계성 면에서 성능이 우수하다.

3. 간편한 감시 기능
운영비 절감과 효율적인 운전 및 장애 발생 시의 조치를 위해 모터나 터빈의 주요부분과 전류와 같은 정보를 원격에서 쉽게 감시할 수 있는 시스템이 요구된다. 특히 유지 보수가 힘든 해상풍력의 경우에는 한번 설치하고 나면 접근이 용이하지 않기 때문에 이러한 시스템이 더욱 절실하다. 또한 최근 화제가 되고 있는 스마트그리드와 연관해 볼 때에도
풍력발전은 전체 네트워크에 쉽게 접근할 수 있어야 한다. 이러한 관점에서 볼 때도 감시 기능은 상당히 중요하다.

4. 풍부한 경험 및 납품 실적
앞서 언급한 바와 같이 어려운 작업 여건과 높은 유지 보수 비용을 제외하면 여러 면에서 해상풍력은 지상풍력보다 많은 장점을 가지고 있다. 지멘스는 이미 해상풍력을 세계 최초로 노르웨이에 공급했으며, 2년 동안 성공적으로 운전해 왔다. 더욱 중요한 것은 해상풍력의 경우에는 해상에 풍력발전기를 고정해야 하므로 높은 건설비와 지형의 제한을 많이 받는다. 이러한 이유로 많은 국가들이 해상풍력을 주저하고 있지만 지멘스에서 공급한 해상풍력의 경우에는 고정된 것이 아니라 해상에 선박과 같이 떠 있는 상태에서 해저 케이블을 통해 전력을 전송한다. 이로써 높은 건설비와 지형의 제한을 덜 받게 되는 장점이 있다. 또한 풍력발전기를 받치고 있는 Floating Foundation은 파도의 영향 등을 감시해 운전에 이상이 없도록 제어하는 기술까지 갖추고 있다. 무엇보다도 풍력발전 시스템은 거대한 토목 또는 해양플랜트와 관련되어 있기 때문에 기술뿐만 아니라 경험이 매우 중요하다.

5. 전기설비(RMU : Ring Main Unit)
지멘스에서 생산하고 있는 RMU는 GIS(Gas Insulated Switchgear) 타입으로 여러 산업분야에 다양한 용도로 사용이 되면서 우수한 성능을 자랑하고 있다. 특히 지멘스의 모든 GIS 제품은 어떤 환경에서도 유지 보수가 거의 필요 없는 안정성이 매우 우수한 제품으로 유지 보수가 어려운 해상풍력에 사용하기 매우 적합한 제품이다. 또한 디지털 멀티기능 계전기를 사용해 다양한 보호기능을 제공하며, 원격에서 통신을 통해 계측, 제어 및 감시 기능을 원활하게 수행한다.

마무리

독일 지멘스社는 2010년 5월 1일부터 10월 31일까지 개최되고 있는 중국 상하이 엑스포에 참가해 앞에서 소개한 풍력 관련 제품뿐만 아니라 태양광, 전력장비 등을 대거 전시해 세계적인 기술력을 유감없이 펼치고 있다. 이를 통해 급속히 팽창하고 있는 '녹색기술'시장에서 흔들리지 않는 위상을 보여주고 있으며, 상하이 엑스포를 계기로 환경기술 경쟁력을 한층 강화해 나갈 계획이다. 녹색기술과 관련해 지멘스는 이미 30억 유로 이상을 수주했고 3년 안에 150억 유로 가량 수주를 예상하고 있다.