 더 풍부한 바람을 이용한 해상 풍력 발전
선두주자 유럽, 2030년 1억 5000만㎾
육상 풍력 발전을 선도적으로 개발해 온 유럽 일부 국가들은 차차 해상으로 눈을 돌렸다. 풍력 발전 설치에 적합한 평야가 감소했으며 산지는 접근 도로 정비 등의 비용 증가로 만만치 않기 때문이다. 이에 바람의 세기가 더욱 강해 풍력 에너지가 풍부한 해상 풍력 발전을 목표로 기술 개발에 착수했다. 20년 전부터 해상 풍력 발전 연구에 돌입한 유럽의 해상 풍력 발전 동향과 그 뒤를 이어 대규모 해상 풍력 발전 단지 개발에 힘쓰고 있는 일본의 현황을 살펴본다. 정리 유미희 기자
 유럽풍력협회(EWEA)는 해상 풍력 발전의 도입 확대를 위해 2020년까지 4000만㎾, 2030년까지 1억 5000만㎾의 해상 풍력 개발에 야심찬 목표를 내걸고 잇달아 대규모 해상 풍력 발전소 착공에 들어갔다. <그림 1>에 나타냈듯이 한때 육상 풍력 발전의 대규모 도입 추진처럼 최근 해상 풍력 발전 개발에도 활기를 띠기 시작했다.
해상 풍력을 견인해온 덴마크와 영국
해상의 풍속은 육지에 비해 강해 이러한 환경에 흔들리지 않고 버틸 수 있는 차별적인 해상 풍력 발전기가 필요하다. 해상에 풍력 발전기를 건설할 경우의 장점은 육상에 비해 경관과 소음 등의 환경 문제가 적다는 것이다. 또한 도로 등의 제약 조건을 받지 않아 대형 발전기의 운반·설치가 용이하다.
이러한 장점으로 유럽에서는 20년 전부터 해상 풍력 발전 연구 개발을 시작했다. 1990년 스웨덴 해상에 설치된 정격 출력 220㎾ 1기 풍력 발전기(Nogersund 해상 풍력 발전소)가 해상 풍력 발전의 시작으로 알려진다. 1991년 덴마크에 건설된 Vindeby 해상 풍력 발전소는 정격 출력 450㎾의 11기 풍력 발전기를 설치한 세계 최초의 해상 풍력 발전 단지다.
 2000년에 덴마크에 건설된 세계 최초의 본격적인 상업 해상 풍력 단지, Middelgrunden 해상 풍력 발전소를 보여준다. 2000㎾의 해상 풍력 발전기 20기가 해안에서 2㎞ 떨어진 지점에 건설됐으며 세계에서 가장 아름다운 해상 풍력 발전소로 알려져 있다. 이후 2002년 덴마크에 2000㎾짜리 80기가 해안에서 14~20㎞ 떨어진 지점에 설치된 Horns Rev 해상 풍력 발전소가 건설됐다.
<표 1>은 유럽의 상위 10개 대규모 해상 풍력 발전 단지를 나타냈다. 대형 풍력 단지의 규모가 해마다 커지고 있음을 알 수 있다. 현재 건설 중인 세계 최대 규모의 해상 풍력 발전소는 London Array로 설비 용량은 68만㎾에 달한다.
이처럼 유럽의 해상 풍력 발전소는 규모의 증가와 함께 풍차의 크기와 정격 출력도 커지고 있다. 20년간 풍차 로터의 직경은 약 10배, 정격 출력은 100배로 늘어났다. 최근 최대 풍차의 정격 출력은 5000㎾, 직경 126m에 이른다(위 사진 참조).
풍차의 대형화에 따라 풍차 로터에 유입하는 풍속이 커져 보다 풍부한 풍력 에너지를 얻을 수 있음과 동시에, 풍차에 작용하는 바람 하중도 커졌다. 이에 바람 하중을 줄이기 위한 공력 제어나 액티브 제어에 관한 연구도 활발해졌다.
덴마크는 오랫동안 유럽의 해상 풍력 발전을 견인해 왔다. 그러나 2010년 영국이 세계 최대의 설비 용량을 자랑하는 Thanet 해상 풍력 발전소를 가동시킴으로써 설비 용량이 134만㎾에 달해 덴마크를 제치고 1위를 차지했다. 이에 그치지 않고 영국은 최근 전 세계 풍력 발전 기업의 연구 시설 및 생산 시설 건설 프로젝트도 추진하는 등 풍력 발전 사업을 국가의 일대 산업으로 발전시킴과 동시에 세계의 해상 풍력 발전 시장을 이끌어 가고 있다.
영국 해상 풍력, 2020년 4060만㎾ 예상
영국의 해상 풍력 개발은 1라운드, 2라운드, 3라운드로 나눠 진행 중이다. 1라운드 개발 해역은 해안선에 비교적 가깝고 수심이 얕은 곳이 선정됐으며, 3라운드는 해안선에서 벗어나 더욱 수심 깊은 곳으로 이동하고 있다. 3라운드 중 가장 먼 지역은 해안선에서의 거리가 195㎞, 수심이 가장 깊은 지역은 평균 수심 50m이다.
영국에서는 해상 풍력 발전 설비를 설치할 수 있는 대륙붕(Continental Shelf)의 소유권은 왕실에 있기에 그 이용에 있어 영국 국왕의 부동산·해역의 자산 관리를 수행하는 정부 특수법인 크라운 에스테이트The Crown Estate의 허가가 필요하다. 즉, 풍력 발전 사업자가 지역의 임대 비용을 지불하고 해상 풍력 발전 사업을 실시한다.
영국은 2001년 1라운드 개발로 설비 용량 150만㎾, 2003년 2라운드 개발로 설비 용량 710만㎾를 확보했다. 2010년 시작해 현재 진행 중인 3라운드 개발에서는 총 설비 용량 3200만㎾로 결정됐다. 이에 1라운드에서 3라운드까지의 개발이 계획대로 모두 진행할 경우 해상 발전 설비의 총 용량은 4060만㎾에 달한다.
한편 2007년 영국 정부는 2020년까지 3300만㎾의 해상 풍력을 개발한다는 야심찬 목표를 발표한 바 있다. 사업 규모는 약 1400억USD에 달하며 송전망의 정비만으로도 214억USD에 달한다. 그런데 3라운드 개발이 계획대로 추진되면 그 목표치를 거뜬히 넘어설 것으로 보인다. 또한 영국 정부는 2020년까지 7000기 이상의 해상 풍차를 설치해 영국 전체 전력의 3분의 1을 충당할 계획이다.
영국이 추진한 해상 풍력 발전의 가능성을 보고 유럽 여타 국가들과 미국 그리고 중국과 한국도 해양 풍력에 주목하기 시작했다. 중국은 2020년까지 3000만㎾, 한국은 2019년까지 250만㎾ 설치를 목표로 내걸었다.
유럽 10개국 4995㎿ 가능한 터빈 보유
유럽풍력협회(EWEA)는 2012년 해상에 설치한 풍력 설비의 발전 용량은 1166㎿로 2011년의 876㎿에 비해 33% 증가했다고 밝혔다. 협회는 올해에도 해상 풍력 발전 용량이 지난해보다 20% 늘어날 것으로 전망했다. 현재 추진 중인 14개 해안 풍력 발전 설비 구축 프로젝트가 완료되면 3300㎿의 용량이 추가될 것으로 밝혔다.
유럽의 10개 국가는 현재 55곳의 해상 풍력 발전소에 총 4995㎿를 생산할 수 있는 1662개의 터빈을 확보하고 있다. 이 중 영국이 59%, 덴마크 18%, 벨기에 8%, 독일 6%, 네덜란드 5%를 차지하며 이 외에 스웨덴, 핀란드, 아일랜드, 노르웨이, 포르투갈이 보유하고 있다.
유럽은 경제 위기와 이에 따른 긴축 재정으로 재생에너지 생산 시설 증설을 애초 계획보다 줄였으나 해상 풍력 발전 설비 증설은 계속하고 있다. 아울러 최근 들어 해안에서 더 멀리 떨어지고 수심이 깊은 심해에 풍력 발전 설비를 구축하는 프로젝트들이 증가하는 추세다.
기후 조건이 까다로운 일본에서의 개발
2004년 4월 1일 일본 내 최초의 해상 풍력 발전소인 세타나 해상 풍력 발전소가 건설됐다. 600㎾의 풍력 발전기 2기가 해안으로부터 약 700m 떨어진 수심 13m의 세타나항 내에 건설됐다. 또한 같은 해 야마가타현에 건설된 서미트 풍력 발전소에서는 2000㎾의 풍력 발전기 5기가 수심 4m의 수로에 설치됐다. 2009년 이바라키현 카미스시에 건설된 카미스 해상 풍력 발전소는 2000㎾의 풍차 7기가 제방에서 40~50m 떨어진 앞바다에 건설됐다. 육상 크레인으로 기초 및 풍력기 본체 공사가 진행됐다.
이처럼 지금까지 일본에 건설된 모든 해상 풍력 발전소는 연안 해상 풍력 발전소이며, 그 구조 설계 및 시공 방법은 육상 풍력 발전소에 가깝다. 향후 본격적인 해상 풍력 발전소 건설을 위해서는 해상 풍력 발전 설비 지지물의 특징, 구조 설계 예비 운반 시공 방법을 검토할 필요가 있다.
일본에서는 유럽과 달리 해저 지반 조건과 수심 변화가 복잡하고, 폭풍, 높은 파도, 지진 등의 자연 환경 조건이 열악하다. 이러한 기후 조건으로 태풍 등 기상 현상에 따라 변화하는 바람으로 나눠 극값 풍속을 평가한다. 또한 홋카이도를 제외한 대부분의 지역은 연 최대 풍속의 재현 기대치를 태풍에 의해 규정했다.
육상에 설치되는 풍력 발전 설비에 비해 해상에 설치되는 풍력 발전 설비는 폭풍과 파도의 작용을 동시에 받는다. 풍하중과 파도하중의 최대값에서 단순 합계에 의한 폭풍·파랑 시 최대값은 폭풍과 파랑이 동시에 작용했을 때 구한 최대값보다 크다. 또한 풍하중과 파도 하중의 조합을 생각할 때, 바람 하중과 파도 하중의 상관관계를 고려하면 최대 하중을 감소시킬 수 있다.
시공 방법의 문제
해상 풍력 발전소 건설 시 시공 방법은 프로젝트의 성패를 좌우한다. 강한 파도 때문에 해상 풍력 발전 건설에 애로가 많은 일본과 마찬가지로 유럽의 실증 연구에서도 날씨 영향으로 파도가 강해져 실증기가 예정대로 설치되지 못하는 일이 벌어지고 있다. 이런 탓에 설비의 운반과 시공의 가동률 향상 및 해상에서의 작업 시간 단축이 중요한 연구 과제다.
예를 들어 독일 최초로 상업용 해상 풍력 단지를 건설한 기업인 Bard Engineering社의 경우, 자체 개발한 5㎿ 풍력 발전기와 지지 구조물을 자사 풍력 발전기 전용 설치 범선 WINDLIFT-I을 사용해 해양으로 옮겨 시공한다. WINDLIFT-I가 들어 올릴 수 있는 하중 한계는 500ton이기에 풍력 발전기의 나셀, 말뚝(Pile), 상부 타워를 연결하는 트렌지션 피스 등의 부품 무게를 500ton 이하로 제작하고 있다. 풍력 발전기와 지지 구조물은 각각 독일 Cuxhaven과 Emden의 항구에서 제조해 선적한 후 수심 40m, 이안 거리 87㎞ 해상에 48시간 동안 설치가 가능하다.
반면에 일본에서는 불과 몇 년 전까지만 해도 유럽에 비해 해양 풍력 발전기 설치와 유지 보수 경험이 없고 해상 풍력 발전 설비의 안전성, 신뢰성, 경제성에 관해 여전히 풀어야 할 다양한 해결 과제가 남아 있었다. 또한 환경·경관 등의 사회적 제약도 불명확했다. 이러한 문제를 해결하기 위해 일본 신에너지 산업기술 종합개발기구(NEDO)는 2006년부터 해상 풍력 발전의 기술 연구 개발을 시작했다.
 <표 2>는 NEDO의 해상 풍력 발전 기술 연구 개발 목록이다. NEDO는 2009년부터 일본의 대양에서 처음으로 해상 풍력 관측 시스템 및 해상 풍력 발전 시스템 실증 연구를 시작했다.
<그림 2>는 해상 풍력 발전을 위한 실증 연구 설비의 예상 완성도이다. 이 연구에서는 폭풍·파랑海象·지진 등의 외력을 받을 때 해상 풍력 발전 시스템의 상태를 확인하고, 자연 환경 조건에 적합한 해상 풍력 발전 시스템 및 그 시공 방법을 확립하는 것을 목표로 한다.
이 실증 연구에서 얻은 성과는 5㎿ 이상의 대형 해상 풍력 발전기와 지지 구조물의 개발, 해상 풍력 발전 시스템 설계에 관한 국제 기준을 만드는 데 활용한다. 또한 2011년부터 해상 풍력의 연구도 시작하고 향후 대량 도입이 기대되는 해상 풍력의 사업성 및 타당성 평가와 동시에 해상 풍력 개발의 다양한 과제를 검토에도 활용한다.
일본 해상 풍력 연구 개발자들은 주변 해역은 급격한 해저 지형이 많아 착상식 풍력 발전기뿐 아닌 부유식 풍력 발전기의 도입이 필요하다는 주장을 내놨다. 향후 부유식 해상 풍력 발전에 대해 체계적인 정리와 특징 및 기술 과제 등의 실증 연구가 필요하다.
일본 해상 풍력 발전의 전망
NEDO의 조사에 따르면 일본 내 풍속 7㎧ 이상, 이안 거리 30㎞, 수심 200m까지의 해상 풍력 발전의 부존량은 약 12억㎾으로 수심 50~200m 범위의 부존량은 4배 이상에 달한다. 착상식 해상 풍력 발전의 적응 한계 수심을 간주해 50m까지의 부존량은 약 2억 1000만㎾인 것으로 추산된다.
설치 가능 해역의 약 5% 사용이 가능한 경우에는 약 1000만㎾의 설비 용량을 확보할 수 있다. 또한 부유식 해상 풍력 발전이 실용화되면 설치 가능 해역은 수심 200m까지며, 이용 가능률이 4%일 경우 4800만㎾의 설비 용량을 확보할 수 있다. 해상 풍력 발전소의 설비 이용률과 원자력 발전소의 가동률을 각각 30%와 80%라고 가정하면, 4800만㎾의 해상 풍력 발전 설비는 100만㎾으로 원자력 발전소 18기분에 해당한다. 따라서 해상 풍력 개발은 2020년 재생 가능 에너지 중 전력 공급 20%를 충당해 일본 정부의 녹색 성장 목표에 크게 공헌한다.
<그림 3>는 일본 연안의 해상 풍력 부존량을 보여준다. 수심 50m 이하의 해역과 더 깊은 수심의 해역에 건설이 가능한 부유식 기초 구조를 건설할 수 있는지 알 수 있다.
부유식 기초 구조의 연구 개발은 이미 여러 연구 기관에서 행해져 반잠수형, 스파 부이Spar Buoy형, TLP형 유체 구조가 제안돼 실용화를 위한 연구 개발이 진행되고 있다. <그림 4>는 부유식 해상 풍력 발전 시스템(예상)을 나타냈다.
  <그림 5>은 NEDO의 풍력 발전 로터 맵 검토 분과회 보고서에서 발표한 가상의 일본 풍력 발전 도입량이다. 이 보고서에 따르면 일본의 풍력 발전 도입량은 2020년에서 2030년까지 1000만~2000만㎾를 예상하고 있다. 2010년 이후에는 육상 풍력과 병행해 해상 풍력 발전 개발도 시작됐다. 2010년부터 2020년까지 육상과 해상의 도입량은 각각 320만㎾와 380만㎾인 반면, 2020년부터 2030년까지 육상과 해상은 각각 80만㎾와 920만㎾가 될 것으로 추정했다. 일본의 풍력 발전에서 해상 풍력 발전의 역할은 향후 더욱 중요해질 것으로 평가받는다.
해상 풍력 발전 보급을 위해서는 연구 개발 외에, 더욱 적극적인 정책 지원도 강구할 필요가 있다. <표 3>에는 해상 풍력 발전에 있어 영국과 일본의 비교를 나타냈다. 일본의 배타적 경제 수역은 영국보다 넓지만, 해상 풍력 발전 지역의 규모 및 2010년까지의 도입 실적은 영국의 1/50 수준이다. 또한 영국은 정부의 적극적인 정책 지원으로 2020년까지 해상 풍력 발전의 높은 도입 목표와 개발 해역 지정 등 활발하게 이뤄지고 있다. 일본의 경우 향후 해상 풍력 발전 사업을 범정부 차원의 목표로 삼고 추진하기 위해선 해상 풍력 발전 해역이 조기에 설정돼야 함은 당연하다.
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해상 풍력 발전은 중공업, 기계, 전기, 건설, 조선, 재료 등 여러 산업과 연관돼 있어 경제·고용 효과가 매우 큰 산업이다. 일본은 해상 풍력 발전 설비 확대 촉진을 위해 현재 NEDO를 주축으로 기술 연구 개발에 전력투구하고 있다. 또한 2020년까지 해상 풍력 발전의 정부 목표 수립 및 해상 풍력 개발을 위한 해역 지정을 강하게 요구 중이다. 아울러 동일본 대지진 후 전력 공급 부족이라는 심각한 사회 문제를 안고 있는 가운데 이 문제를 해결하기 위해서라도 해상 풍력 발전의 역할은 크다는 주장이 일고 있다. 더불어 세계 최고의 부유식 해상 풍력 발전에 도전하기 위한 기술 개발의 중요성도 강조된다.
<Energy News>
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