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차세대 에너지로 각광받는 해상풍력 에너지의 모든 것

기후변화에 대응하고 저탄소 경제로 나아가는 전환기에 해상풍력이 현실적인 대안으로 급부상하고 있다. 바다 위에 짓는 해상풍력 단지는 육상풍력보다 더 풍부한 바람을 확보할 수 있고, 소음이나 자연훼손 등의 문제로부터도 비교적 자유롭다. 또한 대형 터빈 설치와 대규모 단지 건설에도 유리한 조건을 가지고 있다.

이러한 장점에도 높은 비용과 설치의 어려움으로 인해 최근까지 크게 주목받지 못한 것이 사실이다. 하지만 유럽을 필두로 한 정책적 지원과 기술발전 속에서 해상풍력 시장은 꾸준히 성장해 왔고, 더 이상 먼 미래의 에너지가 아닌 현재형 에너지로 발돋움하고 있다.

우리나라 최초 상용 해상풍력 단지인 탐라해상풍력단지 전경

▲우리나라 최초 상용 해상풍력 단지인 탐라해상풍력단지 전경 (출처 : 한국남동발전)

 

유럽에서 태동해 아시아로 확대되고 있는 해상풍력 시장

1991년 덴마크 해상에 세계 최초의 상업용 해상풍력 단지가 건설된 이후 영국과 독일, 덴마크 등 유럽 국가들이 해상풍력 시장을 주도해 오고 있다. 그로부터 26년이 지난 2017년 말 현재 유럽의 해상풍력 설치 용량은 15.8GW에 달해 세계 전체의 85%를 차지하고 있다. 더욱이 유럽에서는 2030년까지 약 50GW의 새로운 해상풍력 단지가 건설될 것으로 예상된다. 이는 지난 26년간 건설된 용량보다 앞으로 13년간 지어질 용량이 3배를 넘는다는 뜻이다.

 

해상풍력 비용 얼마나, 어떻게 떨어졌나?

해상풍력 시장이 최근 들어 각광받는 이유는 비용이 하락하고 사업성이 개선되고 있기 때문이다. 국제재생에너지기구(IRENA)에 따르면 2016년 세계 해상풍력 균등화발전비용(LCOE)은 kWh당 0.14달러로 2010년 대비 약 20% 감소했으며, 2022년이면 지금보다 최대 60% 더 떨어질 것으로 전망된다.

영국에서는 신규 원전보다 저렴한 해상풍력이 등장하기도 했다. 나아가 독일과 네덜란드에서 진행된 경매에서는 ‘보조금 제로’ 프로젝트들이 나타났는데, 해상풍력이 정부의 지원 없이도 수익성을 확보할 수 있을 만큼 경쟁력이 개선된 사례로 볼 수 있다.

비용하락을 이끈 요인에는 밸류체인의 성숙, 기반 인프라 구축 등이 있으나 무엇보다 터빈의 대형화와 그에 따른 설비 이용률(capacity factor) 향상을 꼽을 수 있다. 유럽에서 신규로 설치된 해상풍력 터빈의 평균 용량은 2010년 3MW에서 2017년 6MW로 확대됐다. 현재 상업 가동 중인 최대 터빈의 용량은 8MW인데, 2~3년 후에는 10~12MW급 초대형 터빈들도 속속 등장할 것으로 보인다.

한 예로 GE에서는 터빈 날개의 회전 반경이 무려 220미터에 달하고 수면에서의 높이가 260미터까지 달하는 12MW급 초대형 터빈을 개발 중으로 2019년에 테스트를 실시할 예정이다. 최근 완공된 해상풍력의 설비 이용률은 40~45% 수준인데, 향후 초대형 터빈들의 설치가 확대되면 50% 혹은 그 이상 수준으로 높아질 전망이다.

해상풍력 터빈의 크기 변화 추이 vindeby 연도:1991 직경:35m 높이:35m 용량: 0.45mw middelgrunden 연도: 2001 직경: 76m 높이: 64m 용량: 2.00mw nysted 연도: 2003 직경: 82m 높이: 69m 용량: 2.30mw horns rev2 연도: 2010 직경 :93m 높이:68m 용량:2.39MV Anholt 연도:2013 직경:120m 높이:82m 용량: 3.60MW Westermost Rough 연도: 2015 직경: 154m 높이: 102m 용량: 6.00MW Burbo Bank Extension 연도: 2017 직경: 164m 높이: 113m 용량: 8.00MW

▲해상풍력 터빈의 크기 변화 추이 (출처 : Open Ocean)

또한 최근에는 부유식 해상풍력 개발이 가시화되며 설치 제약으로 접근이 어려웠던 수심이 깊은 바다에서의 해상풍력 단지 개발에 대한 기대감을 높이고 있다. 영국 스코틀랜드 해상에서 2017년 가동된 세계 최초 상용 부유식 해상풍력인 Hywind 프로젝트의 경우 최대 수심이 129미터에 달하며 6MW 터빈 5기로 구성되어 있다. 가동 이후 3개월 평균 설비 이용률이 65%에 달했는데, 이는 미국 화력발전소의 55%보다 높은 수치로 향후 수백 MW급 대규모 부유식 단지 개발의 가능성을 보여주기도 했다.

부유식 해상풍력 hywind 프로젝트 조감도

▲부유식 해상풍력 hywind 프로젝트 조감도 (출처 : Equinor)

 

해상풍력 핵심 소재로서의 철강

해상풍력 단지 개발에 있어서 철강은 핵심 소재로서 중요한 역할을 하고 있다. 풍력 터빈은 크게 3개 부분, 블레이드, 타워, 그리고 발전기(generator) 등을 품고 있는 너셀로 구성되는데, 철강은 블레이드를 제외한 나머지 부품의 주 소재다. 발전기를 비롯한 내부 시스템에 사용되는 전기강판이나 베어링강 등의 성능은 터빈 효율과도 직결된다. 포스코가 개발한 PosWIND는 이 필수적인 요건들을 갖춘 소재라고 할 수 있을 정도로 일반 베어링 강재와 비교하여 경화 원자(Si, Mn, Cr)의 함량을 증가시켜 내구성을 극대화했으며, 장시간 동안 정적 및 동적 부하에 대한 저항력이 높고 부식 및 손상에 대한 내성 또한 매우 높다.

PosWIND PosMAC소재가 사용된 해상풍력발전기 터빈 베어링

또한 해상풍력의 경우 강한 바람과 파도 속에서 수백 톤에 달하는 터빈을 안정적으로 지지하기 위해 해수면 아래에 하부 구조물을 설치해야 한다. 이때 하부 구조물의 핵심 소재로 철강이 사용되고 있는데, 해상에서 20년 이상 변화무쌍한 기상변화를 견디기 위해서는 내식성·내후성이 뛰어난 철강 소재가 필요하다. 최근 터빈이 점점 더 대형화되고 있고 수심이 깊어지는 환경에서, 고강도강을 사용해 하부 구조물의 강도는 높이고 무게는 줄여 물류와 설치 효율을 높일 수 있는 필요성도 높아지고 있다.

 

우리나라에서의 성장 기대감은?

한국은 대만, 일본 등과 함께 차세대 해상풍력 시장으로 주목받고 있다. 우리나라 정부도 2030년까지 48.7GW의 재생에너지를 추가하고 그중 16.5GW를 풍력으로 충당하겠다는 ‘재생에너지 3020 이행계획’을 발표하면서 해상풍력 투자가 확대될 것이라는 기대가 높아지고 있다.

하지만 부족한 지역주민 수용성과 기반 인프라 문제 해소라는 숙제가 있다. 지역 어민들과 공존할 수 있는 상생 모델이 개발되고, 해상풍력 밸류체인이 구축될 수 있는 제도 개선 노력과 업계 간 협력이 확대된다면, 우리나라에서도 해상풍력이 본격적으로 닻을 올리고 힘차게 돌아갈 수 있을 것으로 기대된다.