풍력발전 기술동향 및 기술적 현안(주)효성중공업연구소_오시덕 상무(주)효성중공업연구소 분산전원시스템팀_차종환 팀장풍력발전은 에너지산업에서 세계적으로 가장 빠르게 성장하고 있는 분야로, 최근 10년간 설치용량이 10배 이상으로 증가하였고, 지난 20년간 설비비 및 발전단가가 비약적으로 낮아져서 화석연료를 사용하는 발전기술과 경쟁 가능한 기술 중의 하나로 분류되고 있는 기술이다.풍력발전은 전형적인 시스템 기술로 다양한 형태의 기술 조합이 출현되어 왔으며, 학습을 통해 시장에서 산업화된 기술도 있고, 퇴출당한 기술도 있어 왔다. 이 글에서는 제작사들이 채택해 왔던 기술의 추이 변화의 분석을 통해 현재까지 시장에서 수용하고 있는 기술 동향을 파악하여 보고, 새롭게 부상하는 기술에 대하여 정리하고자 한다.풍력발전 기술개발 동향1. 육상용 MW급 풍력발전 기술조합의 추이풍력발전분야에서 현재도 다양한 기술 조합의 제품이 시장에 출현하고 있으나 급속한 보급 및 대용량화에 따라 시장에서의 학습기회가 커지면서 시장에서 수용되는 풍력발전 기술 조합의 주류는 육상용의 경우 크게는 두가지 정도로 분류될 수 있을 것으로 판단된다. 다음의 <표 1>은 주요 제작사별 MW급 풍력발전 시스템의 기술조합의 추이를 나타내고 있다.<표 1>에서 GD는 Gear Drive, O는 Optislip, P는 Pitch 제어, VS는 가변속, DD는 Direct Drive, CS(2)는 2단 정속, S는 Stall, AS는 Active Stall(피치 제어), C는 정속을 의미한다. 참고로 <표 1>에서 2005년 현재 NEG Micon사는 Vestas사로, Bonus사는 Siemens사로 흡수 합병되었고, 5대 제작사에 포함되는 스페인의 Gamesa사 제품의 기술조합은 Vestas사의기술조합과 같으므로 따로 분류하지 않았다.<표 1>에서 알 수 있는 바와 같이 최종적으로 시장에서 수용되고 있는 기술조합은 Gear Drive, 가변속 및 피치제어방식과 Direct Drive, 가변속 및 피치제어 방식이라고 할 수 있다. 특히 발전기의 경우 Gear Drive의 경우 이중여자방식(Doubly Feed Induction Generator)유도발전기, Direct Drive의 경우에는 다극 동기발전기가 시장에서 수용되고 있는 기술이며, 현재 Enercon 사를 제외한 대부분의 제작사가 Gear Drive의 제품을 공급하고 있으므로 Gear Drive가 약 80%로 시장에서 주류를 이루고 있다. Gear Drive의 경우 Vensys(독일), Jeumon(프랑스), MTorres(스페인) 및 Lagerwey(네덜란드)사가 시장 진출을 시도하고 있으나 성공적이지 못한 결과를 내고 있다.또 용량별로는 <표 1>에 나타나 있지는 않지만 GE사가 2004년 5월 이후 2.X시리즈인 2.3MW, 2.5MW 및 2.7MW급을 설치하여 실증을 하고 있어 육상용의 경우 2MW급 내외가 시장의 주류를 이룰 것으로 전망되고 있다. 따라서 현재까지의 실적을 기준으로 하는 경우 2MW급까지의 육상용의 경우 Gear Drive, 가변속, 피치 제어가 시장을 주도하고 있다고 할 수 있다.2. 3MW급 이상 풍력발전기 개발 현황3MW급 이상 풍력발전 시스템은 GE Wind(구 Enron Wind)과 Enercon사가 2002년에 각각 3.6MW 및 4.5MW급을 출시하면서 3MW급 이상의 시장을 열었고, 2003년에 NEG Micon사가 4.2MW(Vestas V110)를 출시하여 3MW이상급 시장에 진입한 세 번째 회사가 되었다. 이 외에 현재 3MW급 이상으로 설치하여 시운전 중이거나 출시를 계획하고 있는 회사 및 용량은 Vestas사의 V90-3MW, V120-4.5MW, Bonus사의 3.6MW가 있고, 핀란드의 WinWind Oy.사는 1단 증속기와 다극 발전기로 구성된 3MW Multibrid형 풍력발전기를 2004년 11월에 설치를 완료하고, 노르웨이의 Scanwind사는 2003년 3월에 3MW급 Direct Drive 영구자석 발전기를 설치하여 시운전 중에 있다고 한다.또 계획에 따라서 순조롭게 진행되는 경우 2005년은 5MW급 풍력발전 시스템의 시운전 결과를 확인할 수 있는 해로 기억될 것이다. 5MW급 풍력발전기는 독일의 REpower사가 Gear Drive, 피치제어, 가변속, Prokon Nord Energiesysteme사가 1단 증속기 및 다극 발전기로 구성된 Multibrid, 피치제어, 가변속 풍력발전 시스템을 개발하여 시운전을 계획하고 있다고 한다. 그러나 5MW급 이상의 풍력발전기의 경우 시운전이 정상적으로 진행된다고 하고, 제작사들의 낙관적인 견해에도 불구하고, 상용화까지는 다양한 시련에 직면할 것이라고 전문가들이 예상하고 있다. 그 중에 하나가 25~40톤에 이르는 크고, 복잡한 형상의 대형 주조물인 허브 및 프레임으로 이들의 제조를 위해 적어도 6주 이상이 소요되며, 이와 같은 주물을 생산할 수 있는 설비를 갖추고 있는 공장이 유럽에도 숫자가 극히 제한되어 있어 양산을 가로막는 중요한 장애가 될 것으로 전망하고 있다고 한다.현재 풍력발전 산업을 주도하고 있는 제작사들이 해양용의 주력기종으로 3MW급을 사용화하고 있어 5MW급 이상 풍력발전 시스템의 실증 및 상용화가 가시화되어 선도 기업이 5MW급 이상의 시장에 합류할 때까지는 3MW급 풍력발전 시스템이 해양용 시장의 주력기종이 될 전망이다.3. 새롭게 등장하는 기술적 현안육상용의 경우 전술한 바와 같이 두가지의 기술 조합으로 분류되는 안에 대하여 크게 이견이 없었으나 해양용으로 대형화, 운전 조건이 달라지면서 새롭게 등장하는 기술적 현안이 나타나고 있다. 우선 Bonus사가 공급한 2.3MW, 72기로 구성된 Nysted 해양 풍력단지와 같이 성공적인 단지도 있으나 Bonus사가 공급한 2MW, 20기의 Middelgrunden, GE사가 공급한 3.6MW, 7기의 Arklow Bank, Vestas사가 공급한 2MW, 80기의 Horns Rev 등에서 발생한 다양한 문제에 직면하면서 많은 전문가들은 육상용의 개조 또는 보오나하여 행상용으로 전용하는 것으로는 불충분하며, 해상용 풍력발전 기술의 경우에도 육상용에서와 마찬가지로 시장에서의 학습이 필요하다는데 대부분의 전문가들이 동의를 하고 있는 것으로 판단된다.또한 대형화와 함께 문제가 되어왔던 타워상부 중량(top head mass, 이하 THM)에 따른 Gear Drive 및 Direct Drive 문제가 새롭게 이슈화되고 있다. 즉 육상용에서 시장으로 주류였던 Direct Drive인 Enercon사의 E-112, 4.5MW의 THM이 500톤, Gear Drive인 REpower사의 5MW의 THM이 400톤으로 대형화에 제약이 될 것이라는 것으로부터 급부상된 Multibrid 5MW의 THM 310톤에 대비하여 Vestas사 V110-4.2MW(구 NEG Micon사 모델)의 THM이 214톤이고, 이보다 획기적으로 가벼운 V90-3MW의 THM은 약 107톤으로 GE사의 3.6MW의 THM인 268톤의 40% 이하로 줄이면서 Vestas사가 NEG Micon사를 인수하면서 확보한 V-110를 제품 포트폴리오에서 제외하였다. 이와 같이 Gear Drive를 적용하는 경우에도 THM을 획기적으로 줄일 수 있다는 기술적 이슈가 될 전망이다. 또 이와 관련하여 풍력발전 사업에 새롭게 진입하는 미국의 Clipper Windpower사는 Clipper D-Gen Quantum형으로 명명된 4개의 출력축을 가지는 2단 증속기에 656kW의 출력으로 가지는 4개의 발전기로 구성된 2.5MW급 풍력발전기를 2005년 중에 설치, 시운전을 계획하고 있다.또한 대형화와 함께 풍력발전 기술이 가지는 부하의 복잡성에서 비롯되어 심각한 문제로 대두되어 왔던 증속기의 신뢰성과 관련한 문제는 시스템 해석기술의 고도화와 풍력발전 시스템 제작사, 증속기 공급자 및 전문가들의 적극적인 협력으로 해결의 실마리를 찾아가고 있다고 할 수 있다. 이와 같은 성과의 하나로 증속기를 기존의 3점 지지에서 회전자 토오크 만이 증속기로 전달되고, 굽힘 모멘트는 베드로 직접 전달되도록 하는 2점 지지 형태의 배치를 채택하는 회사가 늘고 있다.블레이드의 경우 Enercon사가 56%(Cp=0.56)의 공기역학적 효율 달성이 가능한 차세대 로터 블레이드를 소개하였는데, 이는 최근에 대부분의 블레이드에서 채택되고 있는 Cp, 0.495~0.5에 비하여 6% 정도 상회하는 값으로 Betz의 한계인 Cpmax, 0.593에 도전하는 값에 해당하면서 블레이드의 공역학적 설계 분야의 새로운 이슈가 될 전망이다. 또한 해상용의 경우 소음 문제로부터 자유로워지면서 제작비 및 설치비에서 유리한 2개의 블레이드에 대한 관심도 커질 것으로 여겨지고, LM사의 경우 동일 루트 직경에서 블레이드 길이를 20% 정도 길게 제작이 가능한 SuperRoot로 명명된 새로운 설계를 선보이는 등 블레이드 루트부의 경을 늘리지 않으면서 어떻게 블레이드의 길이를 길게 제작할 것인가에 대한 연구에도 관심이 고조될 전망이다. 재질의 측면에서는 급속하게 탄소섬유(Carbon Fiber)의 전기전도 특성을 활용하여 혁신적인 낙뢰보호 시스템을 개발하는 등 다양한 기술적 이슈가 등장할 전망이다. 또한 블레이드의 제작과 관련하여 진공수지 주입공법의 적용이 증가될 전망이고, Bonus사의 경우 한개의 몰드로 이음매 없는 블레이드를 일괄 제작하는 One-shot 기술을 개발하는 등 제조 공정의 합리화와 관련한 혁신적인 기술도 이슈가 될 전망이다.발전기의 경우에도 해상용의 경우 육상용에서 주류를 이루고 있는 이중여자 유도발전기, 25~30% 전력변환기에 대해 농형 유도발전기 또는 영구자석 발전기, 100% 전력변화기의 기술 조합간의 유효성 경쟁이 이슈가 될 전망이다.결론모든 산업분야에서 주류 기술은 시장에서의 학습을 통해 시장에서 수용되는 기술이라고 할 수 있다. 풍력발전은 현재도 성장 중인 기술이라고 인식되고 있기 때문에 새롭게 시장에 진입하려는 다양한 시도가 진행되고 있다. 그러나 대부분의 기술은 시장에서의 학습 과정에 막대한 학습 비용을 지불하고 물러나는 경우가 많은 것 또한 사실이다. 따라서 풍력발전 기술의 후발국에 해당하는 우리나라의 경우 기술조합의 추이를 면밀히 분석하여 시장의 주류 기술을 파악하고, 국내외 인프라를 활용하여 어떻게 실현 가능성을 높일까에 관심을 집중하여야 할 것으로 판단된다. 이와 같은 상황 하에서 시장에서의 학습을 통해 상당한 부분 기술 조합의 불확실성이 해소되어왔고 판단되는 육상용에 비해 이제 막 학습을 시작해 시장에서의 주류 기술이 분명치 않은 해상용 풍력 발전기술의 경우 학습 비용 최소화를 위한 관련자들의 적극적인 참여와 협의가 필요할 것이라고 판단된다.