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에너지
해상풍력 A에서 Z까지의 가치사슬 완성··· 그래도 연구는 계속돼야 한다

- 전력연구원, 석션버켓 등 해상풍력발전시스템 기술력 보유 -
- MMB, 육상에서 조립공정 완료··· 공사시간 및 비용 절감 -
- 해상풍력발전 분야 활성화 위한 연구개발의 연속성이 중요 -

아시아에너지경제 asiaee4190@naver.com
2020년 06월 30일(화) 08:25
이준신 한국전력 전력연구원 신재생에너지연구소장
“전세계적으로 신재생에너지 발전비중이 급격히 늘고 있다. 전력연구원 신재생에너지연구소는 이런 전세계 환경 및 에너지 문제위기와 정부와 회사의 신재생에너지 보급정책에 적극적으로 대응하기 위해 2019년 기존의 분산돼 있던 신재생에너지 분야와 재생에너지 분야를 통합해 신재생에너지연구소를 새로운 조직으로 출범시켰다”

이준신 한국전력 전력연구원 신재생에너지연구소장은 전력연구원의 신재생에너지연구소 역할과 신재생에너지 시장에 대해서 말했다.

이준신 소장은 2009년 풍력 상태감시 시스템 구축을 비롯해 2014년에는 국내 최초로 석션버켓공법을 적용한 해상기상탑(HeMOSU-2) 구축, 2016년에는 해상풍력발전기의 하부 지지구조물의 부식상태를 모니터링하는 시스템을 개발했으며, 군산에 석션버켓을 이용한 3MW 해상풍력기 실증연구를 주도적으로 이끈 인물이다. 또 군산에서의 실증에 이어 석션버켓 방식을 서남해 해상풍력단지에 1기를 설치함으로써 보폭을 넓혀나갔다.

전력연구원은 지난해 신재생에너지 분야와 재생에너지 분야를 통합해 신재생에너지연구소를 출범하며 ▲재생에너지원 이용기술 연구분야 ▲에너지 저장 및 전환기술 연구분야 ▲신소재 기술의 전력분야 융복합 연구분야로 구성돼 신재생에너지 개발기술 사업화와 보급확대에 기여하고 있다.

올해 신재생에너지연구소장으로 취임한 이준신 소장은 “신재생에너지 분야 질적 성장과 미래 먹거리 창출에 선도적 역할을 하기 위해 노력하고 있으며, 연구원들 간 활발한 의견교류를 위한 시스템 개선에도 힘쓰고 있다”며 각오를 다졌다.

전력연구원 신재생에너지연구소는 지난해 ‘해상풍력 일괄설치시스템 개발’ 등 27개의 재생에너지 연구과제를 수행하고 있으며, 453건의 특허출원 및 해상풍력 관련 산업부 장관상 수상 등 대내외적으로도 인정받고 있다.

해상풍력발전기 하부구조물·타워·블레이드를 한번에

바다에 설치되는 해상풍력발전기는 육상에서의 공사에 비해 날씨의 영향을 받는다. 바람의 세기, 파고의 높낮이에 따라서 건설공기가 크게 달라질 수 있기 때문이다.

한전 전력연구원에선 해상풍력기 일괄해상설치시스템(MMB, Multipurpose Mobile Base) 프로젝트를 진행하고 있다.

이준신 소장은 “하부구조물까지 전체를 한번에 조립 후 운송하려면 우선 해저에 가설치한 하부구조물을 해저로부터 분리할 수 있어야 한다. 하지만 기존 파일 기초형식은 이 요구조건을 만족하지 못하기에 새로운 기초형식이 필요하다”며 “전력연구원 신재생에너지연구소에서 개발 및 실증완료한 석션버켓 기초형식은 분리 및 재설치 요구조건을 만족하므로 일괄설치 공법에 적합한 기초”라고 설명했다.

일괄설치의 가장 큰 장점은 공기단축에 있다.

바다에 직접 풍력발전기를 세우는 해상풍력의 경우에는 일차적으로 날씨의 영향을 받는다. 비가 오지 않는 화창한 날씨라 하더라도 바람의 세기에 따라 파고가 높으면 자재운반은 불가능하며, 하부구조물을 세우기 위한 항타작업도 녹록치 않다. 또 하부구조물이 세워졌다 하더라도 타워와 블레이드를 올리기까지 해상환경에 의존하는 비중이 상당히 높다.

이 같은 해상환경은 비용상승으로 직결된다. 외해에서의 분리조립은 기상 및 해상환경에 따른 설치난항을 자주 겪게 된다.

이준신 소장은 “MMB는 모든 조립라인이 항만 혹은 평수구역에서 완료되므로 날씨의 영향을 적게 받아 공사기간이 단축된다”고 강조했다.

신재생에너지연구소는 해상풍력발전 분야뿐만 아니라 태양광의 경우 빌딩 표면에 설치할 수 있는 페로브스카이트, 저출력 구간을 보완할 수 있는 다중 병렬스택 분할운전 기술 등을 개발했다.

이준신 소장은 앞으로도 부족한 신재생에너지 발전을 뒷받침할 수 있는 차세대 신재생에너지 기술개발에 최선을 다할 것이라고 다짐의 말은 전했다.

석션버켓에서 일괄설치시스템··· 획기적 공기 단축

전력연구원의 석션버켓 하부기초 설치기술은 지난해 12월 산업부 장관상과 국제토목학회 최우수프로젝트상을 수상한 기술이다.

특히 해양생태계에 영향을 주지 않고 대형 장비사용을 최소화해 시공비를 30% 이상 줄이며, 설치 시간도 기존 30일에서 1일로 획기적으로 줄였다는 점이 주목된다.

풍력발전기 타워와 블레이드를 포함해 하부구조물까지 한번에 조립해 운송하려면 해저에 가설치한 하부구조물을 해저로부터 쉽게 분리할 수 있어야 한다. 하지만 이같은 시스템은 기존 공법으로는 어려움이 따른다. 전력연구원이 개발과 실증을 완료한 석션버켓은 분리와 재설치 요구조건을 만족시키는 기술로 일괄설치 공법에 적합한 기초기술이다.

사이펨(SAIPEM)은 에쿼노르(Epuinor)의 스코틀랜드 Hywind 해상풍력단지 건설시 지멘스 6MW 풍력발전기를 하부 구조물을 제외한 타워까지의 조립품을 한번에 들어 설치했다. 이때 길이 70m, 무게 1,140톤의 풍력발전기를 안전하게 들기 위해 SAIPEM7000이라는 중량물 운반선을 이용했다.

하지만 1,100여톤의 무게를 들기 위해 1만4,000톤까지 들어올린 수 있는 초대형 크레인을 투입한 것은 과하다고 볼 수 있다. 하지만 무게중심이 나셀 근처로 매우 높은 곳에 위치한 풍력발전기를 전복위험없이 안전하게 들어올리기 위해선 와이어가 무게중심 위에 위치해야 하기 때문에 붐대가 긴 대형 크레인이 요구됐다.

스코틀랜드의 Hywind 해상풍력발전단지 건설시에는 하부구조물을 제외한 타워와 블레이드를 결합한 구조물을 한번에 운반해 설치한 사례에 해당한다. 하지만 전력연구원에서 추진하는 MMB는 해상풍력발전기의 하부구조물까지 포함해 조립된 풍력발전기를 한번에 운반할 수 있는 시스템이다.

하부구조물까지 한번에 운송하려면 길이가 50m 이상 증가하게 되고 붐대가 더욱 긴 해상크레인이 요구되기 마련이다. 이런 경우 대형 해상크레인을 풍력발전사업에 투입하게 되면 장비 임대비용이 지나치게 증가하게 돼 경제성이 떨어진다.

이준신 소장은 “전력연구원은 지노스·티엔지·금원ENG·기계연구원·인하대·목포대 등의 기관들과 공동연구를 수행해 무게중심 아래에서 지지해도 안전하게 들어올릴 수 있는 권상방안과 시스템을 고안했다”며 “이렇게 설계, 제작된 MMB는 해상풍력발전단지 개발비용을 낮출 수 있다”고 설명했다.

일괄설치선 설계 인증 획득

MMB프로젝트는 당초 일정이 예정보다 다소 지연됐다.

초기 계약시에는 3MW급 약 1,000톤 가량의 풍력발전기를 기준으로 프로젝트가 진행됐었지만, 국내 해상풍력 시장의 주류제품이 5MW급으로 변경됐으며 무게도 1,500톤 중량으로 늘어났기 때문이다. 이에 따른 구조물의 높이와 파랑 등의 외부환경으로 인해 해상에서 복원성 및 인정성에 대한 평가도 변경돼야 했다.

이준신 소장은 “연구성과물이지만 실증시 선장, 선원, 작업자들의 안전을 확보하기 위해 한국선급 설계인증을 추진했고, 이 과정에서 기본적인 구조물의 구조강도, 선체거동, 수하물 권상안정성 및 기타 선박에 관련된 기본 안전규정을 모두 만족하는 설계안을 도출했다”고 말했다.

이어 “일괄 설치선에 대한 설계인증을 획득하고 현재 선박을 건조 중에 있으며, 건조과정 또한 한국선급의 제작인증하에 수행된다. 완성된 연구성과물은 실제 사업에 바로 투입할 수 있다”며 “또 하부선체만 인증을 받은 것이 아닌, 상부 권상시스템까지 모두 포함해 인증을 받았기에 프로젝트 투입시 보험료가 저렴해지는 이점을 가지게 된다”고 설명했다.

MMB의 가장 큰 장점은 공사비용 절감이다.

기존 해상풍력발전기 설치과정은 해상에서 항타를 통해 하부구조물을 완료하고 순차적으로 타워와 터빈, 블레이드, 나셀 등을 조립하는 과정을 거친다. 바지선을 이용한 운송에 이어 잭업바지선이 상시적으로 현장에 배치해야 한다.

MMB는 풍력발전기의 조립공정이 해상이 아닌 육상에서 이뤄지게 된다. 때문에 날씨에 영향을 받는 해상작업이 불필요하다. 조립된 풍력발전기를 일괄설치선으로 운송·설치함으로써 작업기간이 획기적으로 줄어든다.

이준신 소장은 “일괄설치공법은 육상크레인으로 조립을 완료할 수 있기에 장비 임대비용이 크게 절감된다. 유럽이나 미국의 경우 외해에서의 빠른 조립을 목표로 하다보니 거친 해상환경에서 흔들림없이 조립할 수 있도록 배를 수면위로 들어올려 고정시키는 잭업시스템을 갖춘 특수선박이 활용된다”며 “하지만 일괄설치의 경우 정밀성이 요구되는 조립작업은 육상에서 모두 완료되므로 나머지 운반·설치과정에서는 고정식 솔루션이 필요치 않다. 현장도착 후 이뤄지는 풍력발전기 양하 및 석션펌프 설치과정은 일반적인 부유식 솔루션으로도 충분하기에 고가의 잭업선박 임대를 필요로 하지 않는다”고 설명했다.

해상풍력 연구개발 지속성 갖춰야

한전 전력연구원 신재생에너지연구소는 해상풍력 분야에선 독보적인 연구성과물을 일궈냈다. 해상기상탑 설치라는 기초분야에서부터 3MW 해상풍력기 실증, 해상풍력 모니터링 관측시스템 개발에 이르기까지 해상풍력 A에서 Z까지의 가치사슬을 완성해 냈다.

이준신 소장은 해상풍력발전 분야 연구과제의 연속성과 지속성이 필요하다고 말했다.

이준신 소장은 해상풍력 모니터링 관측시스템에 대해 “해상풍력은 바다위에 건설해 육상보다 양질의 바람을 얻지만, 바닷물에 설비가 노출돼 부식에 취약하다. 따라서 설비의 지속적인 관리가 필요하지만 악천후 시 접근이 제한돼 유지보수가 어려운 문제가 있다”며 “전력연구원의 해상풍력 모니터링 관측시스템은 X밴드 레이더, 음향탐지기, 해상에 띄워 기상변화를 관측하는 부이, 무인선박 등을 활용해 반경 약 4km내 파도, 조류, 기상 및 수질 등의 환경정보를 관측할 수 있다”고 설명했다.

이어 해상풍력에 대한 연구개발이 계속돼야 된다고 강조했다.

올해 신재생에너지연구소장으로 선임된 이준신 소장은 총괄 책임자로써의 막중한 책임감에 어깨가 무겁다고 말하면서도 신재생에너지 분야의 질적 성장과 미래 먹거리 창출에 선도적 역할을 하기 위해 노력하고 있으며, 연구원들 간 활발한 의견교류를 위한 시스템 개선에도 힘쓰고 있다.

이준신 소장은 “바다에서 진행되는 해상풍력발전기 설치를 MMB를 통해 설치기간을 단축함으로써 공사비용과 시간을 동시에 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. MMB 프로젝트가 연구과제 기간에 맞춰 마무리 되겠지만, 해상풍력 분야에 대한 연구는 무궁무진하다. 해상환경, 모니터링, 유지보수, 관리·운영 등 연구될 것들이 많다”고 말하며 “연속적인 연구과제로 해상풍력발전 분야가 활성화될 수 있도록 지속적으로 이어져야 하는 것이 중요하다”고 강조했다.
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