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[풍력발전의 미래와 기술동향 4] 풍력발전기의 영구자석 이용 동향과 레어메탈 자원의 도입 과제

2014-06-01

[풍력발전의 미래와 기술동향 4] 풍력발전기의 영구자석 이용 동향과 레어메탈 자원의 도입 과제 영구자석은 외부로부터 전기에너지를 공급받지 않고서도 안정된 자기장을 발생·유지하는 자석이다. 하이브리드카 및 전기자동차, 가전제품 등의 모터에 사용되고 있으며, 강력한 자력을 지니고 있어 발전기에도 이용되고 있다. 본고에서는 이 영구자석을 풍력발전기(풍차)에 적용시키는 기술 및 비용가격, 안정조달 등 도입 시 문제가 되고 있는 레어메탈 자원의 제약 요인에 대해 살펴본다. 번역·정리 김대근 기자 세계 풍력발전의 누적 도입량이 2011년도 말 239GW(약 20만 대)에 달했다.([그림 1] 참조) 이것은 일본 국내 전원설비의 합계에 필적하는 규모이다. 나라별로는 중국이 63GW로 1위를 차지, 미국이 47GW, 독일이 29GW로 그 뒤를 이었으며 일본은 2.5GW로 세계 13위이다. 신규 도입량은 세계적으로 연간 38GW(약 2만 대), 성장률은 연율 19%, 풍차산업의 연간 총 매출액은 약 5조 엔에 달한다. 중국 19GW, 미국 6GW에 이어 일본은 0.17GW로 21위에 머무르고 있다. 전력공급 내의 풍력발전의 비율은 세계에서 3%, EU에서는 6%를 차지하고, 덴마크, 포르투칼, 스페인, 아일랜드에서는 이미 15%를 넘어서고 있지만, 일본은 아직 0.5%에 그치고 있다. 주요국(EU·미국·중국)들은 미래 전력수요의 20%를 풍력발전으로 조달하는 목표를 내걸고 꾸준하게 도입을 추진하고 있다. 풍차의 대형화 ● 대형화의 추세 규모의 경제성 추구에 의해 발전용 풍차는 급속하게 대형화되고 있다.([그림 2] 참조) 현재 블레이드의 수송제약이 있는 육상풍차는 아직 정격출력 2~3MW(로터 직경 100m 전후)에 머물고 있지만, 대수 감소에 의한 건설비용의 절감 요구가 강한 해상풍차에서는 유럽에서 이미 3~6MW(로터 직경 120m 전후)가 건설되었으며, 더 나아가 7~10MW(로터 직경 160m 전후)도 개발되고 있는 중이다. ● 풍차 대형화의 제약 요인 풍차의 설계에서 단순히 비례설계를 하면 풍차의 출력은 로터 직경의 2승, 중량·기기비용·하중은 로터 직경의 3승에 비례하기 때문에 로터 직경의 확대와 더불어 기기비용 및 강도면에서 복잡해진다. 또 소음의 원인이 되는 바람 잡음의 음압 레벨(Sound Pressure Level, 音壓-)은 상대속도의 5승에 비례하므로 날개끝 속도(Tip Speed)는 80~90m/s로 제약된다. 따라서 대형화로 직경을 확대하면 회전수를 낮춰야 한다.‘ 발전출력=회전수×토크’이기 때문에 회전수의 감소를 보완하는 만큼 주축의 토크는 증가한다. 4극·6극의 고속발전기를 이용하여 중량의 경감을 도모하면 로터·발전기간 기어식 증속기의 증속비율도 증가한다. 이와 같이 대형화는 풍차의 회전부(드라이브 트레인)의 강도 설계에 큰 영향을 주기 때문에 기존에 주류였던「 증속기+2차 권선형 고속유도발전기」는 중량 및 경제성의 면에서 6MW 정도가 한계로 일컬어지고 있다. 그리하여 새로운 설계 개념인 기어리스식과 유압 드라이브식이 각 회사에서 도입되고 있다. ● 전력품질의 요구와 발전기 형식 풍력발전의 도입 확대와 단일기계 출력의 증대에 따라 기존의 화력발전설비와 같은 전력품질(출력변동 억제, 무효전력 억제, 순간정전 대책 등)이 요구되고 있다. 출력변동에 대해서는 피치 제어와 가변속 운전이 이미 표준적으로 채용되고 있다. 풍차의 가변속 운전에는 다양한 방식이 있지만([표 1] 참조) 전력변환장치(인버터/컨버터)의 용량 절약과 발전기의 소형화(4극·6극의 고속발전기 채용)에 의한 비용 절감을 도모할 수 있는 「증속기+2차 권선형의 고속유도발전기+부분용량의 전력변환장치」가 지금 세계 신설풍차의 약 79%를 차지한다.(BTM Consult, ApS 풍력통계에서 추산) 향후 무효전력 제어 등으로 고도의 요구가 일반화되면 동기발전기와 정격용량 전력변환장치를 조합한 방식에 이점이 생겨날 것으로 기대되고 있다. 또한 동기발전기에서는 증속기를 사용하지 않고, 로터와 발전기를 직결하는 기어리스식이 자주 채용되고 있다. ● 기어리스 동기풍차 증속기를 사용하지 않는 기어리스(직결식) 풍차는 구조가 간단하고 부품수가 적기 때문에 신뢰성과 보수성의 향상을 실현할 수 있다는 이점이 있다. 그러나 약 10rpm이라는 저속 회전에서 발전을 해야하기 때문에 발전기는 대직경(2MW급 ∮6~8m 수십t)으로 수십 극이 될 수밖에 없으며, 증속기 장착 4극의 고속발전기(1500/1800rpm, ∮1m, 수t)와 비교하면 현저하게 대형화가 진행된 것이다.([그림 3] 참조) 발전기 중량이 10배 이상이 되기 때문에 풍차 전체의 중량 및 비용 증가를 초래하는 경우가 많고 세계시장에서의 보급은 한정적이다.([표 1] 참조) 이에 기어리스 동기발전기를 소형화하기 위해 최근에는 회전자에 자력이 강한 영구자석을 사용하는 PMSG 방식이 채용되고 있다. PMSG 방식의 나셀 중량은 증속기 장착 유도풍차와 동등 또는 그 이하라고 평가받고 있다. 또 PMSG는 회전자의 여자가 필요없기 때문에 브러시리스화에 의한 보수성의 향상을 도모할 수 있다. 또한 영구자석의 자력은 제어할 수가 없기 때문에 회전수 상승에 따라 발전 전압도 함께 상승하므로 과전압 발생에 주의가 필요하다. 강력한 자력에 대항하면서 고정자 슬롯에 다수의 자석을 끼워 넣는 제조 작업에도 노련한 업무와 숙달이 요구된다. 또 영구자석은 다량의 레어메탈을 함유하고 있기 때문에 안정 조달과 비용 관리가 큰 과제로 남아 있다. 영구자석 발전기와 레어메탈 ● 영구자석 영구자석은 강력한 자력을 지니고 있어 발전기에 활용되고 있다. 또한 하이브리드카 및 전기자동차, 가전제품 등의 많은 모터에도 이용되고 있다. 영구자석을 크게 나누면 알니코 자석, 페라이트 자석, 희토류 자석의 3가지로 분류된다. 그 중에서도 희토류 자석은 자속밀도가 높고, 매우 강력한 자력을 지니고 있으며, Nd(네오디뮴), Fe(철), B(붕소)를 주성분으로 하는 Nd-Fe-B 자석은 현재까지의 자석 중에서 가장 강력한 자석으로 알려져 있다. Nd-Fe-B 자석은 Dy(디스프로슘)을 첨가하면 고온 영역에서 보자력 및 자속밀도를 높일 수 있다. 2MW급의 기어리스 PMSG 풍차는 1대당 2t 미만의 영구자석을 필요로 한다. 네오디뮴 자석은 30% 미만의 Nd와 약 4%의 Dy(디스프로슘)를 포함하고 있기 때문에 PMSG 풍차의 생산에는 Nd와 Dy의 안정조달이 중요하다고 할 수 있다. ● 레어어스(Rare Earth)의 매장량과 수입량 레어어스(희토류)를 포함하는 광물은 특정국가에편재해 있으며, United States Geological Survey(USGS, 미국지질조사국)에 따르면 세계의 레어어스 산화물 매장량은 1억 1300만 톤에 달하는 것으로 추정되고 있다. 이 중 48.3%를 중국이 차지하고 있으며,([표 2] 참조) 일본의 레어어스 수입은 대부분 중국에 의존하고 있다. 2008년도의 중국에 대한 의존률은 89.0%에 달하고 있다.([표 3] 참조) ● 가격변동 앞서 기술한 바와 같이 레어어스가 각국에 편재되어 있기 때문에 공급하고 있는 나라 및 지역의 정세와 정책에 따라 가격 변동이 발생하고 있다. 중국에서는 레어어스를 국가전략물질로 자리매김시켜 내수 우선 및 국내자원을 보호하고 수출의 고부가가치제품으로 추진하기 위한 다양한 정책들을 실시하고 있다. 구체적으로는 해외기업 및 합병기업(중국기업과 해외기업)의 레어어스 산업에 대한 진입 금지(2002년), 수출 증치세 환급 제도의 폐지(2004년 광석에 대해 폐지, 2005년에는 산화물에 대해 폐지), 위탁가공무역의 금지(2005년), 수출세의 단계적 증세(2006년부터 광석·산화물에 대해 10%, 2007년부터는 금속에 10% 과세, 2008년부터는 15~25% 증세), 2011년에는 자원세의 대폭 증세 및 수출허가범위를 축소하였다. 중국은 이러한 정책으로 세계의 가격변동에 막대한 영향을 끼치고 있다. 이 때문에 2012년에는 일본, 미국, 유럽 연합(EU)이 중국 정부가 부당하게 레어어스를 규제하고 있음을 세계무역기구(WTO)에 제소하였다. 이와 같이 레어어스의 가격을 둘러싼 논쟁은 오랜 세월에 걸쳐 계속 이어져 오고 있다. 따라서 레이어스 관련 제조업체들에게는 레이어스의 저가격 및 안정 공급의 실현이 최우선 과제가 되고 있다. ([그림 4]와 [그림 5]에 나타낸 2010년 6월부터 2012년 5월까지의 레어어스의 가격변동그래프 참조) < Energy News >