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<연구기관 리포트> 해상풍력발전 기초 및 지지구조 기술개발 추이
기사입력 2012-08-29 18:08:07. 폰트 폰트확대폰트축소

 

   
 신재생에너지하면 누구나 힘차게 돌아가는 풍력발전기를 상상하게 될 정도로 이제 풍력은 전체 신재생에너지 시장의 약 60%이상을 점유하면서 새로운 에너지원으로 자리매김하고 있다. 2011년 말 기준 전 세계 풍력 설치 용량은 238GW이며, 연간 시장규모 또한 6% 성장하는 등 급격한 성장세를 보이고 있다. 특히 기존의 EU 및 미국 등 OECD 시장 중심에서 벗어나, 라틴 아메리카, 아프리카, 아시아 등에서도 성장이 이루어지고 있다는 점이 주목할 만한 사실이다.

 다만 육상풍력이 설치공간의 한계와 각종 민원문제 등으로 부딪치면서, 해상풍력에 대한 관심과 기술개발이 집중되고 있다. 해상풍력 시장은 현재로서는 연간 설치 용량의 전체 풍력시장의 2.5% 정도로서 작은 규모이나, 2020년까지 EU의 경우 40GW, 중국의 경우 30GW 용량 설치를 추진 중에 있으며, 일본의 경우 NEDO(Organization for New Energy and Industrial Technology Development)에서 추진 중인 해상풍력 프로젝트를 통해 해상풍력 실증 및 관련 기술 개발을 추진하고 있으며, 후쿠시마 지역 20km 해상에 15MW 규모의 부유식 해상풍력 실증 프로젝트를 4년에 걸쳐 추진하고 있다. 국내의 경우 서남해안 지역의 2.5GW 해상풍력단지 개발을 대표적으로, 제주도 및 기타 지역에서 해상풍력단지 개발, 해상풍력 터빈 개발 및 실증, 기상탑 설치 및 운영이 진행되고 있다.

 육상풍력 vs 해상풍력

 해상풍력은 육상풍력과 다르게 터빈과 RNA(Rotor Nacelle Assembly)를 해상에 설치하기 위한 대형크레인이나 전용선이 필요하며, 지지구조와 전력케이블의 해상설치를 위하여 바지선 및 해상 크레인 등의 대형해상장비가 많이 소요된다. 즉, 육상풍력이 풍력발전기 제조산업이라면, 해상풍력은 풍력발전기 제조산업과 해상설치산업이 같이 혼합되어 있다고 말할 수 있다(그림 1 참조). 이에 따라 지지구조와 케이블 설치에 들어가는 비용이 전체 사업비의 30~40% 정도를 차지하고 있으며, 전체 사업비 중에서 절감이 가능한 부분이 바로 지지구조와 해상설치, 계통연계 등 케이블 설치분야로 약 40%까지 절감이 가능할 것으로 예측되고 있다. 반면에 풍력발전 터빈 등은 사업비 절감 가능성이 매우 희박하다. 따라서 유럽, 일본 등 풍력 선진국에서는 신형식 지지구조 및 설치기법에 대한 기술개발을 진행하고 있다. 대표적인 예로 영국의 Round 3 프로젝트에 적용될 지지구조를 선정하기 위하여 OWA(Offshore Wind Accelerator) 프로젝트를 통해 4가지 타입의 신형식 지지구조를 공모하여 개발 중이며, 일본에서도 강재와 콘크리트를 결합한 하이브리드 타입의 지지구조를 개발 중이다. 현대건설에서도 해상풍력 시장에서의 경쟁력 강화를 위해 해상풍력 통합하중 평가 및 동적거동 해석기술은 물론 지지구조 및 기초 분야에서 경제성을 향상시키기 위한 연구를 진행하고 있으며 이에 대하여 간략히 소개하고자 한다.

 <그림 1> 해상풍력 사업비 분석

 통합하중 평가 및 동적거동 해석기술

 해상 풍력 발전기는 육상용과는 달리 해양 환경의 영향을 크게 받는데 풍하중 뿐 아니라 조류, 파랑 등과 같은 하중변수가 복합적으로 작용하게 된다. 해상풍력발전 지지구조물의 설계를 위해서는 지지구조물에 동시에 작용하는 바람-파랑-조류 등의 해양외력에 의한 복합하중을 정확히 평가하고 타워, 하부 구조 및 기초의 동적 거동 평가를 통한 안정성 확보가 필수적이다. 해양 외력의 정확한 평가를 위해서는 설치 예정 위치에서의 풍황 및 파랑 자료를 통상 1년 이상 장기간에 걸쳐 관측하고 이를 분석하여 설계에 필요한 설계 입력치를 산출하여 설계에 적용하는 것이 필요하다.

 해상풍력 지지구조물의 하중을 평가하기 위해서는 상부 타워 및 블레이드에 작용하는 바람하중과 하부 지지구조물에 작용하는 파랑 및 조류하중을 동시에 고려하여 상하부 구조물에 대한 통합 하중 해석이 필요하다. 하지만, 현재의 설계방법은 개별적인 하중에 의한 단면력의 단순 합을 설계에 반영하고 있어, 해수, 지반 등의 상호작용에 대한 불확실성이 커서 과다설계의 문제점이 있다. 상하부 구조물에 작용하는 통합하중을 유체-구조-지반 상호연성작용을 고려한 응답해석을 하면 하중을 저감하여 보다 경제적이고 최적화된 설계가 가능하다.

 최근 설치되고 있는 해상풍력발전설비의 높이는 해수면 위 타워의 높이만 100m이상에 이르며, 수중에서도 하부구조가 있어 매우 가는(Slender) 형태를 지니는데 이는 횡하중을 주로 받는 구조물의 형태로써는 매우 불리한 형태라고 할 수 있다.

 현대건설은 2010년부터 자체적인 기술개발과 인력확충을 통해, 해상풍력 전용프로그램인 ‘GH-Bladed’를 이용한 해상풍력발전기의 동적거동 해석 기술 및 통합하중 평가기술을 보유하고 있다. 이러한 엔지니어링 기술은 또한 경제적인 기초 및 지지구조 개발을 위한 밑거름이 되고 있다.

 경제적인 기초시스템 개발

 석션 기초는 일반적으로 상부가 밀폐된 원통 형태의 기초로서 그 모양이 뒤집어진 버켓(Bucket) 형태와 유사하여 버켓 기초라고도 불리며, 활용 형태에 따라 석션 케이슨, 석션 파일, 석션 앵커 등으로 불린다. 석션 기초의 특징은 기초를 지반에 관입하여 설치하는 방법에 있어서, 일반적으로 사용되는 항타 해머를 사용하거나 지반을 굴착 후 말뚝기초를 설치하는 방법 대신에, 기초 내부의 물을 외부로 배수하여 내부의 압력을 낮춤으로써 외부에 작용하는 수압과 기초 내부의 압력의 차이로 인한 관입력을 이용한다는 것이다. 따라서 대형 굴착 및 항타 장비가 불필요하게 되어 해상에서의 작업성 및 경제성이 우수하며, 항타 및 굴착 작업에서 발생되는 소음 및 부유물질의 발생이 최소화되므로 친환경적이며, 수심이 깊고 기초구조물의 크기가 클수록 더 큰 관입력을 확보할 수 있으므로 해상공사에 적합하다.

  이러한 석션기초의 특성을 해상풍력타워에 적용하여 경제성을 향상시키려는 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있으며, 기존 모노파일을 적용할 때 보다 재료의 양을 절반 수준까지 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다. 덴마크에서는 직경 12m, 길이 6m의 강재 석션 기초를 적용하여 3MW급 터빈 및 타워를 설치하고 3년여에 걸쳐 장기 계측을 시행하였으며, 덴마크와 홍콩에서 상업용 해상풍력단지 설계를 위한 기상탑에 석션 기초를 성공적으로 적용하였다.

   현대건설에서는 석션 기초에 대한 기술개발을 수행하였으며, 지난 2010년부터 국토해양부 국책연구과제인 대구경 대수심 해상풍력기초시스템 개발 연구에 참여하고 있다. 이 과제는 대형 풍력발전 설비의 해상 설치를 위한 기초구조물의 설계, 시공, 품질관리 기술을 개발하는 과제로서 직경 5m 급 대구경 해상 모노파일 시공시스템을 개발하는 과제와 수심 약 50m 까지도 적용이 가능한 석션 버켓 기초에 대한 설계, 시공기술 개발 및 실증 연구를 수행하는 과제이다. 현대건설은 석션 기초를 적용한 해상풍력 구조물의 지지력에 대한 설계기술을 개발하고 모노포드(그림 2 참조)  또는 트라이포드(그림 3 참조) 형태의 해상풍력타워 및 기상탑 실증구조물의 거동을 원심모형실험(Centrifuge)을 통하여 신뢰성 있게 평가하여 해상풍력 석션 기초에 대한 실증을 성공적으로 수행할 수 있도록 하는 부분을 중심으로 연구를 수행하고 있다. 이를 위하여 국토해양부 분산공유형건설연구인프라 구축사업(KOCED)의 일환으로 KAIST에 구축된 지오센트리퓨지실험센터와 협력하여 연구를 수행하고 있다. 원심모형시험은 실험용 소형 모델에 작용하는 중력가속도를 증가시킴으로서 소형 모델이 가지는 한계를 최소화하고 실제 구조물에 대하여 실험을 실시하는 효과를 얻을 수 있어, 전 세계적으로 해양구조물 기초를 비롯한 지반 분야 연구에 다양하게 활용되고 있다.

  

 <그림 2> 모노포드형 해상풍력타워 석션 기초

 <그림 3> 트라이포드형 해상풍력타워 석션 기초

  

 경제적인 지지구조 시스템 개발

 전 세계적으로 지금까지 설치된 풍력발전기는 2~3MW가 주종을 이루고 있으며, 보다 고효율 대용량의 풍력발전기를 개발하려는 노력이 중공업사들을 중심으로 이루어져 왔다. 이미 7MW 풍력발전기 개발도 성공한 것으로 알려져 있기는 하지만, 5MW 상용화도 아직까지 몇 년이 더 소요될 것으로 전망되고 있으며 풍력발전기 용량증가와 함께 이를 효과적으로 안전하게 지지할 수 있는 경제적인 지지구조 개발이 필수적인 과제로 대두되고 있다. 현재 우리나라에서는 지난 7월 제주 월정리에 두산 중공업이 설치한 3MW 해상풍력 발전기가 아직까지는 가장 큰 용량의 해상풍력이라고 할 수 있으며, 일반적인 해상풍력 지지구조에 사용되는 경사진 형태의 강재 자켓형 지지구조가 적용되었다.

 지금까지 사용되어온 해상풍력 지지구조로는 콘크리트를 이용한 중력식 지지구조와 항타에 의한 파일식 지지구조, 그리고 강재 자켓식 지지구조로 분류된다. 일반적으로 중력식 콘크리트 지지구조는 콘크리트 자중을 이용한 지지형식으로 소용량 해상풍력에만 사용이 가능한 것으로 인식되어 왔으며, 파일식 지지구조는 5MW이상 대용량 해상풍력에는 파일직경이 5m이상으로 크게 증가하여 항타가 불가능하거나 대형 특수장비를 동원해야하기 때문에 경제성이 떨어지는 질 수밖에 없다. 그래서 대용량 해상풍력 지지구조는 강재 자켓식이 유일한 대안으로 인식되어 오고 있었다. 하지만 덴마크 COWI사에서는 5MW급으로 원뿔형(Condeep형) 콘크리트 지지구조를 개발하여 적용한 바 있으며, 현대건설에서도 지금까지 해상풍력 지지구조의 주류를 이루어왔던 강재 자켓형 지지구조 대신, 수많은 국내외 항만 및 해상공사 경험과 복합트러스교량 등 합성구조 설계·시공 기술 등을 바탕으로 ‘해상풍력 프리캐스트 콘크리트 지지구조’(그림 4 참조), 프리스트레스 콘크리트와 강재 합성구조를 이용한 ‘반잠수식 하이브리드 지지구조’(그림 5 참조)에 대한 연구에 착수하였다.

 현대건설이 이번에 착수한 해상풍력 콘크리트 지지구조는 현대건설이 보유한 건설신기술인 “다단계 케이슨 일괄제작 및 진수공법”을 응용하여, 프리캐스트 콘크리트로 육상 공장에서 지지구조 제작하므로 품질이 우수하며 공기를 절감할 수 있다. 또한 부력을 이용한 해상운반이 가능하므로 대규모 해상장비 없이 예인선으로 계획된 위치로 안전하게 이동시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 최근 들어 DCM(Deep Cement Mixing)과 같은 연약지반 개량공법이 널리 확산됨에 따라 제주도와 같은 암반지역 뿐만 아니라 서해안과 같은 연약지반에도 충분히 적용이 가능하다. 이러한 기술이 확보되면 기존 자켓 대비 30~40%이상 저렴한 비용으로 안전한 지지구조를 시공할 수 있을 것으로 예상되며, 중공업사들이 주류를 이루었던 해상풍력시장에 건설사가 진출하는 계기가 될 것으로 기대한다.

 

 <그림 4> 프리캐스트 콘크리트 지지구조

 <그림 5> 반잠수식 하이브리드 지지구조

 해상풍력산업 진출

 현대건설은 해상풍력분야를 신성장 동력 및 고용창출을 위한 미래선도 핵심 전략상품으로 선정하였다. 이에 따라 해상풍력 시장에서의 글로벌 경쟁력을 증진시키기 위해 연구개발본부를 중심으로 통합하중 해석 및 동적거동 평가 기술, 프리캐스트 콘크리트 지지구조와 같은 경제적인 신형식 지지구조 개발, 석션 기초를 활용한 기초분야의 핵심기술 개발에 총력을 기울이고 있다. 동시에 단순히 기술개발에만 그치지 않고 새만금 해상풍력, 서해안 정부실증단지 등에 참여하여 실증을 통한 지속적인 기술력 확보 및 사업화를 추진할 계획이다. 앞으로 현대건설은 해상풍력 분야에서 그동안 국내외에서 쌓아온 해상공사 경험과 노하우, 그리고 해상풍력 엔지니어링 기술을 바탕으로 경제적인 지지구조 및 기초를 개발을통해 해상풍력산업분야에서 새로운 패러다임을 만들어 나갈 것으로 기대된다.

 최재형 현대건설 연구개발본부 오프쇼어(Offshore) 연구팀장

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