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바닷바람의 힘! 해상풍력발전

  • 2015.04.28.
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해상풍력발전

 

전 세계적으로 신재생에너지 개발이 활발하게 일어나고 있는 오늘날 친환경적이고 높은 효율을 낼 수 있는 에너지를 만들기 위해 많은 국가가 연구에 나서고 있습니다.

바이오, 폐기물, 연료전지, 태양광, 수력, 수소에너지 등 다양한 에너지들이 쏟아지는 가운데 자연의 힘으로 움직여야만 에너지를 만들 수 있는 에너지가 있습니다.

바로 ‘풍력’에너지가 그것인데요.

 

바람이 잘 부는 지역에서 활용할 수 있는 풍력에너지는 친환경 에너지라는 장점이 있지만 비용이 많이 들고 바람이 많이 부는 지역에서 사용할 수 있다는 단점이 있습니다.

그리고 아이러니하게도 육상 풍력발전의 경우 새의 이동이나 동물의 이동을 방해함으로써 생태계에 손상을 입히고 자연경관을 파괴한다는 이유로 많은 사람들이 반대하기도 하는데요.

이러한 문제를 해결하기 위해 풍력발전이 바다로 나아가고 있습니다.
오늘은 바닷바람을 이용해 에너지를 만드는 해상풍력 발전에 대해 이야기해보려 합니다.

 

풍력발전이 바다로?

 

◆ 풍력발전 바다로 나아가다

1991년 7월 덴마크 남쪽 빈데뷔 바다위에 높이가 40m를 넘는 풍력발전기 11기가 세워졌습니다.
해안가로부터 1.5km가 떨어져 있어 육지에 눈으로 보기에는 흐릿한 기둥으로만 보입니다.

빈데뷔의 해상에서 초속 17m의 강한 바람이 불고 길이가 35m에 달하는 거대한 풍력발전기의 날개(블레이드)가 서서히 돌면서 육지에 있는 변전소에 전기가 들어가면서 세계 최초의 상업용 해상풍력 단지의 시작을 알렸습니다.

시간이 흐른 현대에는 풍력발전 분야에서도 해상풍력 발전이 트랜드라고 합니다.

처음 세워진 해상풍력 발전기 1대의 전력은 최대 450KW(킬로와트, 1KW) 였으나 지금은 3MW(메가와트, 1MW는 100만W) 전력의발전기가 우후죽순처럼 늘어나는 등 풍력발전은 육지에서 바다로, 바쁘게 이동을 하고 있습니다.

 

해상풍력발전

 

◆ 바다위에 어떻게 거대한 풍력발전기를 지을 수 있을까?

해상풍력발전기를 설치하기 위해서는 두 가지의 문제를 해결해야 합니다.

높이 50~100m, 무게 수백 t에 달하는 풍력발전기를 바다의 거친 바람과 파도에도 쓰러지거나 기울지 않도록 단단하게 설치하는 것이 첫 번째이며, 바다에서 생산한 전기를 1~10km 가량 떨어진 육지로 손실 없이 전달하는 것이 두 번 째입니다.

이는 아무리 좋은 터빈이 있더라도 바다에 단단하게 세우지 못하면 기둥이 흔들려 발전기 효율이 떨어지기 때문입니다.

전기를 육지로 전달하는 과정에서 에너지 손실이 발생하면 어렵게 바다에 설치한 풍력발전기는 모래사장에 세워놓은 바람개비와 다를 것이 없기 때문입니다.

이 두 가지 문제는 해상풍력발전기에 있어서도 중요한 부분입니다.
육상풍력은 전기를 생산하는 터빈에 전체 비용의 70%를 정도를 사용하지만 해상풍력은 바다에 발전기를 세우고 전기를 전달하는 공사에 드는 비용이 50%를 차지하기 때문입니다.

게다가 바다마다 수심이 다르기 때문에 풍력발전기를 해저 바닥에 설치하는 방법은 수심에 따라 달라집니다.

 

수심이 0~20m인 얕은 곳에서는 해저 면을 콘크리트로 다진 후에 기둥을 꽂는 ‘중력 케이스’ 방식을 사용하는데 콘크리트로 단단히 고정한 아랫부분이 해저에서 발생하는 수중 저항을 견뎌낸다.

큰 기둥을 단순히 바닥에 꽂기 때문에 기술적으로 큰 어려움이 없어 초기 해상풍력 단지를 만들 때 많이 사용한 방법입니다.
하지만 무게가 수십 톤에 지름이 5m 이상 되는 기둥을 중력 케이스 방식으로 수심이 깊은 곳에서 적용하기는 어렵습니다.

 

수심 20~50m 이내에 설치할 때는 ‘모노파일’ 방식이 좋습니다.
해저 면에 콘크리트 지지대를 만들고 단단한 쇠기둥을 박아 그 위에 발전기를 설치하는 형식으로 현재 해상풍력 단지에 가장 많이 사용되는 방법입니다.

하지만 풍력발전기가 쇠기둥에 의지해야 하는 방식이므로 발전기의 크기가 커지면 쇠기둥이 무게를 이겨내지 못하고 균열이 생기거나 파괴될 수 있고, 쇠기둥이 소금기를 머금은 바닷물에 오래 노출되면서 부식이 일어나는 위험도 있습니다.

게다가 이 방식은 쇠기둥을 해저에 단단하게 박기 위해서는 커다란 망치로 수백수천 번 이상 강하게 때려야 하는데 이때 발생하는 소음에 돌고래가 폐사할 수도 있습니다.

 

수심 80m 정도의 먼 바다로 나갈 때는 ‘자켓’, ‘트라이포드’ 방식이 적당한데, 단단한 강재구조물을 해저에 설치해 고정한 뒤 그 위에 풍력발전기를 설치하는 방식입니다.

수심이 깊은 곳에서도 설치할 수 있다는 장점이 있지만, 강재구조물을 설치할 때 용접이 많이 필요해 설치 가격이 비싼 방식입니다.
풍력발전기의 진동을 강재구조물이 견디지 못하고 부러지거나 변형되는 등의 리스크도 존재합니다.

이렇게 수심에 따라 공사 방식이 달라지는 가장 큰 이유는 안전성의 문제도 있지만 경제성의 이유도 있는데요.
깊은 바다로 나가야 바람도 많이 불고 넓은 공간을 활용할 수 있는데 그렇게 되면 공사비가 늘어나기 때문에 나아가기가 쉽지 않습니다.

그래서 대안으로 떠오른 방식이 개발 중에 있는 ‘부유식’인데 이는 배처럼 띄운 구조물에 발전기를 세우는 방식으로 수심과 관계없이 풍력발전기를 설치할 수 있는 것이 장점이 있습니다.

 

◆ 어렵게 만든 에너지 손실을 막아라!

기껏 만들어 두고도 사용하는 것보다 잃는 게 더 많다면 손해가 클 것입니다.

이것은 해상풍력발전에도 해당하는 이야기인데요.

힘들게 바다로 나가는 배를 띄워 해상풍력발전기를 설치하고 발전을 시작했는데 생산한 전기가 육지로 넘어오던 중 손실이 발생하면 그동안의 고생이 물거품이 되는 그야말로 손해가 이만저만이 아닌 텐데요.

해상풍력 발전기에서 만들어진 전기는 해저에 파묻은 케이블을 통해 육지로 이동합니다.

그 와중에 지나가던 배가 닻을 내리거나 해류, 혹은 어류의 움직임에 케이블이 손상될 우려가 있기 때문에 해저면으로부터 1.5m 깊이의 땅굴을 판 뒤에 케이블을 묻고, 위에 콘크리트로 만든 뚜껑을 덮어 이중으로 보호합니다.

콘크리트 커버가 움직이는 것을 막기 위해 주변에 커다란 돌을 놓아 고정시키기도 하며 물에 젖으면 단단하게 굳는 ‘수중불분리성 콘크리트’를 잔뜩 쌓아서 케이블 주변을 마치 ‘요새’처럼 보호하는 방법도 사용이 되기도 합니다.

단거리(약 2~5km 정도)에 전기를 송신할 경우 가정에서 바로 사용할 수 있도록 교류형식으로 전달하지만 장거리일 경우 에너지 손실을 줄이기 위해 직류형식으로 전송하기도 합니다.

육지에서 바다로 그 터전을 옮겨가고 있는 풍력발전, 우리나라도 제주도에 이러한 해상풍력발전 단지계획을 발표했던 적이 있는데요.
아직 수익성과 자연경관 등을 해친다는 이유 등으로 주민과의 갈등으로 아직 계류 중이라고 합니다.

미래의 화석에너지를 대체할 신재생에너지 중 하나인 풍력발전 경제적인 문제와 기술적 그리고 환경적인 문제까지 잘 해결되어 새로운 에너지 공급원이 되기를 바랍니다.

 

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