세계적 기후위기 속에 각국 정부는 화석연료에서 재생에너지로의 에너지전환 추진 중이다. OECD의 재생에너지 비중은 2000년 17%에서 2017년 27%로 확대되었으며, 2040년까지 42%로 확대될 것으로 예측된다.
해양 분야에서는, 부유식 해상풍력이준상용화 수준에 도달하였으며, 해양에너지(파력, 조류력, 온도차발전 등) 분야는 미국과 유럽을 중심으로 활발한 연구개발이 진행되고 있다.
부유식 해상풍력은 유럽을 중심으로 MW급 시스템의 실증 및 25~30MW급의 준상용화 발전단지를 구축하는 단계이며, 2020년대 중반 이후에 상용발전단지가 구축될 것으로 예상된다.
◇부유식 해상풍력이란
해상에서의 평균 풍속은 8m/s로, 육상 평균 풍속인 5m/s보다 더 강한 바람이 불어 발전 효율이 높다. 해상풍력 발전에는 바다에 기초 구조물을 활용하는 고정식 해상풍력과 수심 100~200m의 깊은 바다에 부유체를 띄워서 발전하는 부유식 해상풍력 발전이 있다.
부유식 해상풍력은 부유체에 해상풍력 터빈을 설치하여 운영하는 기술이다. 100m 내외의 수심에서 설치할 수 있으며 우리나라의 경우에는 수심이 깊고 평균 풍속이 강한 동해 남부지역이 가장 적합한 장소로 손꼽히고 있다.
◇부유식 해상풍력 형태는
부유식은 부유체의 형태나 계류 방식에 따라 ▲원주부표(Spar-buoy), ▲반잠수식(Submersible), ▲인장각 플랫폼(TLP: Tension Leg Platform) 등 3가지 형식이다. 원주부표 방식과 인장각 플랫폼 방식은 중량이 작고 제작비가 절감되지만, 운송 및 설치비가 많이 든다. 우리나라에 설치하기에 알맞은 해역이 없어서 설치가 어렵다. 현재는 반잠수식 부유체 방식이 가장 적합하며 동해 남부에 해당한 경북 경주, 울산지역은 우수한 풍속, 짧은 연안 거리, 상대적으로 높은 계통 수용성으로 가장 적합한 개발 대상으로 기술개발이 활발하다.
◇국내 부유식 해상풍력 회사들
지난해 10월 26일 개최된 '부유식 해상풍력 국제포럼 2020'에서는 풍력 기술개발 동향과 산업 전망에 대해 국내 해상풍력 관련 제조업체의 부품?기술·서비스 등이 소개됐다. 풍력터빈(두산중공업, 유니슨), 원소재(포스코, KEMP, 인터맥), 하부구조물(현대중공업, 세진중공업, 삼강엠앤티), 케이블(LS전선), 베어링(신라정밀), 설계 및 엔지니어링(에이스 E&T, 동양엔지니어링) , 서비스(케이윈드, 헴펠, 니어스랩, 나다)에 이르기까지 국내 대표적인 해상풍력 제조업체들의 발표를 통해 우리나라 해상풍력 산업 경쟁력을 살펴보았다.
◇두산중공업, 8MW급 초대형 해상풍력발전기 개발
국내 해상풍력 대표기업 두산중공업은 단지 설계에서부터 제품 공급 및 설치 시운전과 운영·유지보수까지 풍력산업 전 영역에 걸친 역량과 경험을 보유한 Total Solution Provider로 지난 2005년부터 풍력 기술 개발에 매진해 순수 자체 기술과 실적을 보유한 국내 해상풍력 대표 기업이다.
두산중공업의 8MW 해상풍력발전시스템은 국책 연구과제로 개발되며 로터 직경을 세계 최고 수준으로 극대화한 초대형 해상풍력발전기로 국내 환경에서 타사 보다 월등한 성능을 발휘한다. 또한 국내 부품산업 활성화를 위해 국산 제품을 우선 적용하는 등 국내 중소업체와의 동반 성장에도 힘쓰고 있다.
◇유니슨, 10MW 풍력발전기 개발 박차
국내 풍력시장 확대 및 보급에 주력하고 있는 유니슨은 풍력발전기의 개발·생산·단지개발·O&M 등 전주기 서비스를 제공하는 업체로서 연간 500MW 규모의 생산시설 및 연구개발을 전담하는 풍력연구소와 O&M을 위한 서비스센터를 갖추고 있다.
현재까지 750kW∼4.3MW급 풍력발전기 10개의 모델을 개발해 국내 및 해외시장에 보급하고 있으며 국내 해상풍력시장 보급을 위해 10MW 풍력발전기를 개발하고 있다.
지난 20년간 축적된 기술 노하우을 집약해 금년 말까지 상세 설계가 완료되는 유니슨 10MW급 플랫폼은 로터직경 209m로 국내의 저풍속 풍황을 고려했으며 풍속 70m/s의 태풍에도 견딜 수 있도록 했고 증속 기어박스를 사용하지 않는 직접구동형 방식을 채택했다. 또한 설계 수명을 30년으로 설계해 해상풍력의 사업성 확보에 도움을 줄 수 있으며 블레이드와 발전기를 제외한 대부분의 부품을 나셀에 설치된 크레인을 이용해 유지보수 가능하도록 했다.
아울러 해상풍력에 필수적으로 요구되는 밀폐형 나셀구조 및 공조시스템을 탑재하고 있으며 대부분의 센서 및 부품을 다중화해 부품의 고장으로 인한 풍력발전기 정지 시간을 최소화 했다. 현재 상세설계를 완료하는 중에 있다. 2022년에 시제품 출시 및 2023년까지 실증을 완료하고 시장에 공급할 계획이다.
◇포스코, 풍력발전용 신강종 개발 앞장
국내 풍력시장 확대를 위해 풍력용 강재 개발 및 고객사 이용 기술 지원에 앞장서는 포스코는 세계적으로 경쟁력 있는 강재 공급사로서 풍력시장 확대를 위해 신강종을 개발하고 설계·제작·가공·용접 기술과 같은 이용기술 개발을 지원하는 등 국산화 경쟁력 강화에 힘쓰고 있다.
포스코의 고성능 풍력용 후판은 육지·바다 위 풍력구조물에 사용되며 바람에 의한 진동, 부유체 충돌, 거친 파도 등과 같은 극한의 환경에서 버팀목이 된다. 특히 포스코는 한국형 해상풍력 구조물 개발을 통한 국산화 경쟁력 강화를 위해 강재의 고기능화, 피로 파괴에 대한 수명 향상 및 해수 부식에 대한 성능 향상 등 고성능 강재를 개발하고 개발된 강재를 잘 활용할 수 있도록 설계부터 제작에 이르기까지 이용기술에 대한 지원을 하고 있다.
포스코의 전기강판은 발전기, 모터, 변압기 등에 전기 기기의 철심으로 사용되는 전자기적 특성이 우수한 강판이다. 금속 결정학적 특성에 따라 무방향성 전기강판과 방향성 전기강판으로 구분된다. 무방향성 전기강판은 모든 방향의 자기적 특성이 우수해 발전기 및 모터 등 회전하는 기기에 사용되며, 방향성 전기강판은 한 방향의 자기적 특성이 우수해 변압기 등의 정지기에 주로 사용된다.
최근 해상풍력에 대한 중요성이 부각되면서 해상풍력 발전 시스템의 원가 절감을 위해 터빈의 대형화·고효율화 와 함께 발전단가를 내릴 수 있는 기술 개발이 진행되고 있다. 이에 포스코는 제작 원가를 절감할 수 있도록 대단중재 및 대입열강을 공급하며 발전 에너지효율을 향상시키는 고급 무방향성 전기강판과 대전류 Shocking 문제를 해결할 수 있도록 표면에 절연성과 내열성을 강화한 대형 풍력발전기용 고절연 코팅 전기강판 제품을 공급하고 있다.
◇현대중공업, 부유식 해상풍력 스탠바이 평가 기술
현대중공업은 오일&가스 분야의 고정식 및 부유식 플랫폼 EPCI 공사 경험이 많은 세계적인 기업이다. 현대중공업은 지난해 9월 한국석유공사와 '동해1 한국형 부유식 해상풍력 발전체계 구축을 위한 상호협력 업무협약'을 체결했다. 현대중공업은 다양한 해양플랜트 구조물 제작 경험을 부유식 해상풍력에 활용할 예정이다. 현대중공업은 현재 5MW급과 8MW급 부유식 구조물에 대한 기본 제원을 설정하고 설계기술을 확보하고 있다. 홍진욱 책임연구원은 “부유식 해상풍력과 오일&가스 플랫폼에는 공통점이 많다”며 “부유식 풍력발전 기술 개발에 더욱 힘쓰겠다”고 말했다.
◇세진중공업, 해상풍력 하부 부유체 제작 '경쟁력'
세진중공업은 선박 구성품, 육상 및 해양 모듈을 전문적으로 생산하고 있으며 관련 기술력으로 해상풍력용 하부 부유체 제작 분야에서 다양한 해외 유수의 기업들과 협업하고 있다.
세진중공업은 해상풍력용 하부부유체 제작을 위한 역량 검토와 최적의 제작 공법에 다수의 풍력 프로젝트 개발사들과 제작에 대한 협의를 진행하고 있다. 세진중공업이 보유하고 있는 야드, 시설 및 자체 개발한 공법을 활용해 제작할 수 있는 면모를 갖추고 있다. 이 공법을 사용하면 한정된 야드 및 시설에서 최고 효율로 최대의 하부 부유체를 생산할 수 있는 규모의 기업이다.
◇삼강엠앤티, 해외서 해상풍력 하부구조물 기술 '인정'
삼강엠앤티는 국내 최초 해상풍력 발전기 하부구조물 수출 기업으로 지난 5월 해상풍력 하부구조물(자켓) 21기를 벨기에 JDN사로 수출하며 글로벌 해상풍력 시장에서 품질과 기술력을 인정받았다. 삼강엠앤티는 현재도 자켓을 포함한 다양한 해상풍력 하부 구조물을 제작 중이며 이와 동시에 적극적으로 해외 시장을 개척하고 있다.
해상풍력 하부구조물 생산 총괄을 맡고 있는 김성복 삼강엠앤티 부사장은 해상풍력 구조물 제작 사례 및 국내 부유식 해상 풍력 개발의 필요성에 과 다양한 고정식 풍력 구조물의 개념 및 제작 사례를 설명하고 과다한 부지 및 장비 사용에 따른 제작 비용 상승 등 풍력 구조물 제작 시 경험한 애로 사항을 참석자들과 함께 공유했다.
부유식 해상풍력 다수 부품이 국산화 돼 세계적 경쟁력 확보가 용이하고 조선 해양 분야의 풍부한 숙련 노동력을 확보함으로써 글로벌 시장에서 후발 주자이지만 빠른 추격이 가능하다는 것을 예로 들며 부유식 해상풍력 개발의 필요성을 역설했다. 김성복 부사장은 “국내 부유식 해상풍력 구조물 제작을 활성화하기 위해서는 구조물의 폭을 최소화할 필요성이 있다”고 강조했다.
◇LS전선, 부유식 해상풍력 적합한 다이내믹 케이블 개발
LS전선은 해저 케이블 분야 글로벌 경쟁력을 바탕으로 해상풍력 분야의 케이블 솔루션 사업을 확대하고 있다. 특히 최근에는 부유식 해상풍력에 적합한 다이내믹 케이블 개발을 활발히 전개하고 있다.
LS전선은 장조장 생산과 선적이 가능한 동해항에 인접한 생산설비와 자체 평가 시설을 확보하고 있으며 최근에는 해외 주요 시장의 해상풍력 분야 수주를 확대하고 있다. LS전선의 해저 케이블은 국가, 도선 연계를 위한 대용량 장거리 케이블부터 풍력단지 구축을 위해 필수적인 내부망·외부망 케이블 솔루션을 포함하고 있다.
'부유식 해상풍력용 다이내믹 케이블'은 부유식 발전용 터빈과 터빈을 연결하고 이를 육상으로 연계하는 역할을 한다. 높은 파도와 조류 등 해상환경에 최적화된 강도와 내구성을 확보해 20∼25년간의 운용기간동안 전기적·기계적 신뢰성을 확보한 것이 특징이다.
◇신라정밀, 최고 품질 해상풍력 선회 베어링 공급
풍력발전기의 핵심부품인 피치, 요베어링 제조와 수출에 앞장서는 신라정밀은 선회베어링 및 링 전문 제조업체로서 지속적인 자체 연구 및 개발 활동을 통해 항상 최고 품질의 선회 베어링을 공급하도록 끊임없이 노력하고 있다. 특히 풍력발전기의 핵심부품인 피치, 요베어링 개발 및 제조·수출을 위해 힘쓰고 있다.
최돈관 신라정밀 상무이사는 해상풍력 베어링의 벨류 체인에 대한 설명과 국내 해상풍력 산업 경쟁력을 강화하기 위한 과제에 대해 설명했다. 국내에서 대형 해상풍력 베어링 제작을 위한 벨류체인의 구조를 설명하고 해외 해상풍력 부품업체와의 경쟁력을 비교함으로써 국내 해상풍력 관련사들에 대한 여건과 문제점에 대해 분석했다.
최돈관 신라정밀 상무이사는 “강화된 국내 해상풍력 베어링 밸류체인을 갖춤으로써 해상풍력 부품의 기술, 가격, 품질 경쟁력까지 유기적으로 개선될 뿐만 아니라 향후 해외 해상풍력 프로젝트를 위한 수출 제품 경쟁력 강화를 할 수 있는 여건이 마련될 것”이라고 강조했다.
◇켐프, 해상풍력에 친환경 도금공법 적용
국내외 금속별 부식 방지, 표면처리 솔루션 제공에 앞장서는 켐프는 '4세대 친환경 세라믹 아연도금 기술 INNOZINC(이노징크)'이 강점이다. 켐프는 세계 최초로 친환경·고내식 세라믹 갈바나이징을 개발했으며 조선, 건설, 자동차, 태양광발전 금속의 표면처리 분야를 망라하는 친환경 기술을 보유한 기업이다. 고내식·친환경 공법의 아연도금 기술이 해상에 적용되는 그린에너지 시장 확대를 위한 업계 간 협력 도모, 정책 건의, 산업 육성을 위해 힘쓰고 있다.
전현준 켐프 기획이사는 고내식 세라믹 갈바나이징 공법을 통해 생산과정에서 발생하는 폐수를 저감하고 비용을 획기적으로 줄여 제품을 생산하는 최신 공법을 소개했다. 이 기술을 활용하면 기존 도금과 내식성능 및 품질 측면에서 큰 차이가 있으면서 과도하게 복잡한 생산과정을 생략할 수 있고 비용을 줄일 수 있는 효과가 기대된다. 아울러 전체 공정 또는 부분 공정에서 폭넓게 활용 가능하다.
이종 금속간의 부식을 일으키는 파트에 대해서도 기존 도금이나 재질을 대체하면서도 코팅제 등을 수입할 필요가 없어졌으며 다양한 해상풍력 구조물에 적용할 수 있는 장점이 있다고 밝혔다.
전현준 기획이사는 “저렴한 비용으로 고내식성능을 보장할 수 있는 기술을 확보했다”며 “새로운 공법의 친환경 도금공법이 해상풍력 제품에 적용이 된다면 그린 에너지인 해상풍력 제품 생산과정에서도 환경오염을 줄일 수 있다”고 강조했다.