[3분 상식] 해상풍력 발전단지는 어떻게 만들어질까?

이종호 기자 / 기사승인 : 2021-02-17 00:00:25
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게임체인저 해상풍력

풍력발전은 신재생에너지 중에서도 급속도로 성장하고 있다. 풍력은 고갈될 염려도 없으며 지속적인 기술발전으로 발전비용도 낮아지고 있기 때문이다. 육지에서는 바람을 변화시키는 요인들이 많다. 그러나 해상은 육지에 비해 풍속이 더 높고 일관성이 있다는 장점이 있다. 이는 더 높은 에너지 효율로 이어지며, 최근 들어 해상풍력이 인기 있는 이유이기도 하다.


해상풍력 발전소는 어떻게 건설될까? 해상풍력발전단지는 개발 및 엔지니어링에서 건설, 그리고 마지막으로 운영에 이르는 긴 과정과 여러 단계를 거쳐 만들어진다. 해상풍력발전단지 하나를 만들기 위해서는 대규모 자본과 여러 대기업과 중소기업의 협업이 있어야 한다.
 

▲ 영국 서섹스 해안에 설치되어 있는 램피온(Rampion) 해상풍력단지. 램피온 해상풍력발전기는 모노파일 하부구조를 이용해 만들어졌다.


풍황조사 및 설계 단계

설계를 하기 위해서는 선정된 입지의 풍황부터 파악해야 한다. 풍황은 특정지역(장소)의 바람의 현황을 일컫는데, 풍속, 온도, 압력, 습도 등을 포함한 것이다. 평균 풍속을 정확하게 알기 위해서는 최소 1년 동안 데이터를 수집해야 한다. 풍력 자원은 여러 요인에 의해 결정되는데, 지리적 및 지형적 특성은 바람의 에너지 잠재력에 영향을 미쳐 바람의 속도와 운동에너지를 변화시킬 수 있다.
풍황계측이 끝나면 데이터를 바탕으로 해상풍력 설계에 들어간다.

 

▲ GIG-토탈이 울산 부유식 해상풍력발전 단지 조성사업을 위해 울산 앞바다에 설치한 풍황계측장비 라이다(LiDAR).

구매 조달 단계

본격적인 해상풍력발전소 건설의 시작은 항구에서 시작된다. 항구에서는 해상풍력발전을 위한 부품제작, 운송 등을 하게 되는데, 풍력발전기의 구조는 크게 터빈, 타워, 하부구조물로 이뤄져 있다.


여기에는 크고 작은 수많은 부품들이 들어간다. 해상풍력발전부품 생산 형태는 1차, 2차, 3차 부품 제조기업의 위계적 구조로 돼 있다. 해상풍력발전 시스템 하나를 짓기 위해서는 터빈, 타워, 구조물 등 핵심 부품을 생산하는 대기업과 8000여 개 이상의 세부 부품을 생산하는 중소기업이 결합해야 한다.


블레이드, 터빈, 타워 등 부품들이 만들어지는 동안 설치를 위한 다른 여러 작업이 진행된다. 해상풍력발전단지가 완성되고나서 발전된 전기를 육지로 전달할 케이블을 준비하고, 하부구조물 설치를 위한 준비를 하는 것이 여기에 포함된다.
 

▲ 해상풍력발전기 구조. 출처: U.S Department of Energy

 

▲ 해상풍력발전시스템 구조.


조립 및 시공 단계

 

▲ 케이블이 배치되고 있는 모습. 출처: 램피온(Rampion) 홈페이지

 


해상풍력 설치 과정은 제일 먼저 하부구조물을 해저에 설치하는 것으로 시작하는데, 하부구조물은 터빈을 지탱하는 역할을 한다. 특히 터빈은 강한 풍속을 견뎌야 하기 때문에 하부구조물의 역할은 중요하다.


해상풍력에는 고정식 해상풍력과 부유식 해상풍력이 있다. 고정식 해상풍력의 경우 두 가지 종류의 하부구조물이 있다. 첫 번째는 모노파일 기초로, 단일 강철 단자를 해저에 설치하는 것이다. 이 구조는 최대 30m 깊이에서 풍력 터빈을 지지하기에 적합하다. 두 번째는 재킷 기초로, 최대 50m 깊이에 적합한 강철 재킷 구조를 사용한다.


두 가지 모두 구조물들을 해저 깊숙이 박는 방식을 이용한다. 모노파일은 지름이 최대 6m이며, 넓은 지름으로 높은 터빈을 지탱할 수 있다. 강철 재킷 구조는 4개의 다리를 가지고 있어 더 깊은 해저에서 추가적인 안정성을 제공한다.

 

부유식 해상풍력 하부구조물에는 세 가지 종류가 있다. 반잠수식(Semi-submersible platforms)의 경우 해저에 고정된 부유체를 이용한 방식인데, 터빈의 중량이 부력과 작용해 구조물에 안정감을 주는 원리다. 원통형(A spar-buoy)의 경우 밸러스트(배의 균형을 잡기 위해 배의 바닥에 싣는 중량물)로 채워진 원통형 구조물을 사용한다. 이 구조의 경우 터빈이 밸러스트의 무게보다 가벼워 부력을 발생시키는 원리다. 인장계류식(Tension leg platforms, TLP)은 인장된 계류선으로 해저에 고정된 반잠수식 구조물이다. 이 구조는 석유 산업에 쓰이던 기술로, 해저 석유가스와 가스정에 접근하기 위해 쓰던 부유식 장비를 사용해왔다.


이 구조 중 어느 구조물이든 터빈은 부유체 위에 설치되며, 거친 자연현상을 견딜 수 있어야 한다.


하부구조물이 설치되면 선박은 다른 부품들을 싣기 위해 항구로 다시 돌아온다. 해상풍력 특수선을 이용해 여러 부분으로 나눠 기초설치를 한 뒤에 풍력타워를 2~3분할로 나눠 바지로 운송하고 해상크레인을 이용해 조립하는 것이 일반적인 방법이다.


건설 과정이 모두 끝나면 풍력발전기가 모두 정상적으로 작동되는지 확인하기 위한 테스트를 거친다. 테스트 후, 전기 생산이 시작되며 배전망으로 전기를 보낼 준비가 끝나게 된다.

 

▲ 크레인을 이용해 모노파일을 설치하는 모습. 출처: Groundsure
▲ 특수선을 이용해 해상으로 운송되고 있는 터빈. 출처: Groundsure

 

▲ 터빈이 조립되는 모습. 출처: 램피온(Rampion) 홈페이지

 

이종호 기자

 

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