해상풍력발전

1. 개요

해양 풍력 단지의 모습

해상 풍력발전(Offshore Wind Power, 離岸風力發電)은, 바다나 호수와 같은 지역에 풍차를 설치한 후 그곳에서 부는 바람을 이용해 터빈을 돌려 전기 에너지를 얻는 발전 방식을 말한다. 이는 1990년대부터 육상 풍력 발전 방식이 터빈의 대형화로 인하여 소음, 경관 훼손 및 생태계 파괴 문제 등으로 한계에 도달함에 따라서 대안으로 부상하며 등장하게 되었다. 이는 육상풍력에 대해서 아래와 같이 비교할 수 있다.

육상 풍력과 해양 풍력의 비교

2. 시공방법/기술

2.1. 모노 파일 시공

이 방법은 가장 널리 사용되는 해상 풍력 발전 시공방법 중 하나이다. 모노 파일 시공 방법은, 바다 바닥에 단일한 기둥인 "모노파일"을 사용하여 터빈을 지지하게 한다. 모노파일은 일반적으로 강철로 만들어지며, 수심이 어느 정도 깊지 않은 해상에서 설치된다. 모노파일은 바다 바닥에 박히거나 항구에서 사전에 조립한 후 크레인을 사용하여 설치할 수 있다.

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2.2. 자켓 시공

이 시공방법은 모노파일과 유사하지만, 기둥이 일반적으로 모노파일보다 더 굵고 견고한 강철 구조물로 만들어 진다. 자켓은 일반적으로 모노파일보다 더 깊은 수심에서 사용되며, 바다 바닥에 박히거나 중량을 사용하여 고정될 수 있다. 자켓시공은 보다 큰 풍력 터빈을 지원하기 위해 사용된다.

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2.3. 중력식 기초 시공

이 방법은 거대한 콘크리트 구조물을 사용하여 풍력 터빈을 설치하는 방법이다. 구조물은 바다 바닥 위로 떠오르는 형태로 설계되어 있으며, 자체적으로 무거워서 바닥에 안정적으로 고정된다. 이 시공방법은 수심이 특히 깊고 바다 바닥이 부드러운 경우에 유용하다.

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2.4. 부유식 시공

이 방법은 풍력 터빈을 바다에 고정된 기반구조물 대신 떠다니게 설치하는 방법이다. 부유식 설치는 수심이 깊은 해역에서 풍력 발전을 가능하게 하며, 바닷물의 파도나 바람의 영향을 받을 수 있는 상황에서도 안정적으로 운영될 수 있다. 부유식 풍력 발전은 다양한 형태의 부유체, 플로팅 구조물, 고정 시스템 등을 사용하여 구현될 수 있다. 울산에 2030년까지 부유식 해상풍력발전 각각 1~2GW급 단지를 누적 6.2GW급 조성한다는 계획이다. #

노르웨이, 세계 최대 부유식 풍력발전 가동

2.5. 다중 격벽식 중공형 수중기초 구조물

중력식 기초 시공법을 보완하기 위해 개발되고 있는것으로 기존방법의 문제점들을 해결할 수 있다. 중공형 구조물은 보통 콘크리트로 제작되며 하부 바닥면에 특수 고탄성 막이 장착되어 있다. 또한 콘크리트 안의 6개의 내부 격벽에는 공기가 채워져 부력이 발생하는데 해상 운반시 배에 옮겨 실어 나를 필요 없이 구조물 자체의 부력으로 바다에 띄어 예인선으로 운반한다. 설치 장소로 운반된 구조물을 수중으로 침설하는 과정은 해수주입으로 이루어진다. 상단에 위치한 6개의 주입구를 통해 6개의 격실에 주입된 해수는 중량을 늘려 구조물을 가라않게 한다. 각 격실의 주입량을 조절하여 침설시 평형을 유지하며 5개의 유압식 평형 조절 장치를 이용하여 불규칙한 해저면에서도 일정한 평형을 유지할 수 있다. 이렇게 1차적으로 중공형 구조물이 해저바닥에 거치가 완료되면 상단 중앙 입구에 주입관을 넣어 구조물바닥에 콘크리트모르타르를 타설한다. 여기서 바닥면에 장착된 특수 고탄성 막인데 유연성이 매우 높아 타설된 모래 타르가 울퉁불퉁한 해저면에 순응하며 밀착된 상태로 양생될 수 있게 형태를 잡아주어 기존의 고가의 바닥 고르기 작업이 불필요하게 된다.또 공사 기간 단축 및 비용절감효과가 뛰어나며, 운반시 거대한 바지선이 필요치 않고 바닥고르기 정지작업이 필요없이 정확하고 신속하게 설치 가능하다.

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3. 현황

3.1. 시장 규모

2020년까지 글로벌 풍력 발전은 육상풍력 중심으로 성장해 왔으며 향후 세계 각국의 투자 확대에 따라 급속한 성장세가 지속될 전망이다. 2020년 글로벌 누적 풍력 발전 용량은 778GW로 이 중 육상풍력 비중은 95.5%(743GW), 해상풍력은 4.5%(35GW)를 차지했다. 그리고 2025년까지 글로벌 누적 풍력 발전 설비용량은 1,247GW로서 2020년 대비 60.3% 증가할 것으로 예상되며, 이는 연 평균 8.4% 증가한 것과 같다.

향후 풍력 발전에 대한 투자는 규모 면에서는 여전히 육상풍력이 우위를 보일 것이나 신규 투자 증가율은 해상풍력이 앞설 것으로 예상된다. 2021~2025년 육상풍력 신규 발전용량 규모는 매년 73~88GW수준이나 해상풍력의 신규 발전용량은 8~24GW로 육상풍력 대비 10.5%~27.1% 수준이었다. 그러나 2021~2025년의 육상풍력 신규 발전용량 증가율은 15.7%임에 반해, 해상풍력의 증가율은 113.4%에 달할 것으로 전망된다.

2020년까지 국내 누적 풍력 발전용량은 1,642MW 규모로 2015년 834MW 대비 2배 수준으로 성장했다. 2020년말 국내 총 106개의 풍력 발전 단지 중 육상풍력이 103개소(97%), 해상풍력이 3개소(3%)이며 주로 강원, 전남, 경북, 제주 지역에 밀집됐다. 이는 육상풍력은 부지 부족 등의 문제로 신규 발전이 어려운 반면, 해상풍력은 터빈 대형화 등 기술 발전 등으로 신규 설비투자가 급증한 결과로 생각할 수 있다.

2023년 해상풍력 발전용량(GW)은 한국 0.15, 타이완 2.1, 덴마크 2.6, 영국 14.8, 중국 37.7이다. #

3.2. 기술 동향, 개발 방향

부유식 해상풍력은 부유체에 설치된 풍력터빈에서 발전을 하는 방식으로 부유체와 연계된 해저 계류시스템에 대한 기술력 확보가 필요하다. 계류시스템은 부유체가 일정한 범위를 벗어나지 않도록 제어하는 역할을 하며, 계류선과 앵커링으로 크게 구성된다. 해저면 특징과 부유체 개념에 따라 신뢰성 있는 계류시스템[5]이 필요하며, 계류시스템에 대한 실증 없이 대규모 해상단지 적용 계획시 많은 위험이 발생한다.

부유시스템의 부유체는 BOP(Balance of Plant)의 상당 부분을 차지하며, 부유체 경쟁력이 부유식 풍력발전시스템의 경쟁력을 좌우한다. 이때, 파력 및 풍력에 의하여 최소의 동요 운동 응답과 높은 발전 효율을 보장할 수 있는 초대형 부유체가 필요하다.

우리나라는 부유식 해상풍력 기술을 탄소 중립 실현을 위한 주요 과제로 계획하고 있으며, 글로벌 경쟁력을 보유한 조선해양 및 해저 케이블 분야와 시너지 창출을 모색 중이다.

3.3. 사업 현황

해상풍력의 높은 사업 비용은 개발 경험 축적 등으로 지속적으로 하락하는 추세이다. 2010년에서 2020년 기간 동안 육상, 해상풍력 LCOE는 각각 56%와 48% 하락했다. 그리고 이러한 비용하락의 주요 원인은 개발 경험의 축적, 터빈기술의 발달, 최적화된 입지 조건 선정, 정부의 강한 정책적 지원등을 들 수 있다.

한편 국내 해상풍력 산업은 해외와의 기술격차, 실증경험의 부족, 국내 시장의 협소 등으로 국제적으로 경쟁력이 열위인 상황이다. 그러나 이런 상황에서도 국내 풍력터빈 제조사는 4~5MW급 수준의 상용 풍력터빈을 개발 완료하였고, 현재 두산에너빌리티, 유니슨이 8MW급을 개발 중이다. 하지만 그럼에도 여전히 해외 대비 기술격차가 존재한다.

타워 및 단조 부품의 경우 세계시장 점유율 상위권을 차지하고 있으나, 블레이드, 증속기, 대용량 발전기 등의 경우 핵심부품의 설계 및 엔지니어링 원천 기술 경쟁력이 취약하며 수출실적이 거의 없다.

2023년 6월, 포항시와 신안군이 공공주도 대규모 해상풍력 단지개발 지원사업에 선정되었으며 해상풍력 전용 설치선 현대 프론티어호가 출항식 이후 제주 한림해상풍력발전 공사에 투입될 예정이다.

4. 장단점

4.1. 장점

1. 육상풍력 대비 입지 제약이 덜하고, 대형화가 가능하다. 이를 통하여 재생 에너지 사용을 확산시킬 수 있고, 화력 발전의 비중을 낮춰 탄소 배출을 줄일 수 있다. 이는 지구 온난화 문제의 해결에 있어서 큰 역할을 할 수 있을 것이다.

2. 육상풍력 발전에 비해서 바람의 질(풍량, 풍속, 연속성)이 우월해 더 많은 전기 에너지를 생산할 수 있다. 이는 해수면 위 난류층의 높이는 지상에서의 난류층의 높이보다 낮으므로, 풍력 터빈이 설치되는 위치에서 높은 품질의 바람을 확보 할 수 있기 때문이다. [6]

3. 육상풍력 발전에 비해서 설치 공간을 더 많이 확보할 수 있고, 소음 등으로 인한 민원의 소지도 훨씬 적어진다. 또 풍력 발전에 필요한 건설 부품을 운반하는 난이도가 육상풍력에 비하여 훨씬 낮다. 따라서 풍력 발전 규모를 육상풍력 발전 보다 상당히 키울 수 있다.

4. 해안에서 멀어질수록 풍속이 높고, 바람이 균일하기에 풍력발전기의 수명은 증대된다. 따라서 육상풍력에 비하여 긴 수명을 기대할 수 있다.

5. 기초구조물이 인공 어초로 사용될 수 있다. 즉, 해양 생물에게 기초구조물이 새로운 서식처가 될 수 있다.

6. 주변 지역의 수산업 개발 및 관광 단지화가 가능하다.

4.2. 단점

1. 해상풍력발전기 기초구조물 설치 공사는 서식 환경 변화를 일으킬 수 있다. 예로, 덴마크의 해상풍력 발전단지 건설 당시 실시한 환경 영향 평가에서는 구조물의 설치 후 종 조성의 변화가 일부 나타났다. 특히 덴마크 Nysted 발전단지의 경우 담치류가 증가하고, 그 천적인 불가사리와 게 종류가 감소했다.[7]

2. 일반적으로 조류는 해상풍력발전 단지를 우회하여 비행하는 것으로 알려져 있다. 덴마크의 경우 조류가 발전단지로 가까이 접근하면 최대 5km 정도로 이격된 다른 곳으로 비행하는 사례가 나타나기도 했다. 이는 생물의 활동에 풍력발전이 장기적으로 영향을 미침을 보인다. [8]

3. 풍력 발전 시설에 적용되는 방오 도료는 시설물 주변의 생물에 영향을 미칠 수 있다. 또 해류를 따라 흘러가면 넓은 면적에 영향을 줄 수 있다.

4. 해상풍력발전단지의 전기를 육상으로 옮기는 해저 케이블 주변에서 나오는 전자기장이 생물을 교란할 수 있다. 특히 전자기장에 예민한 넙치과 어류에 큰 영향을 줄 수 있다.

5. 해상풍력발전의 급속한 팽창은 새들의 죽음, 이동 장애, 서식지 손실을 일으킬 수 있다. 이는 풍력 발전 문서의 본문에도 서술 되어 있는 내용이다.

6. 풍력발전기가 수중에 일으키는 소음은 해양 포유류에 악영향을 준다. 이는 해양 포유류가 의사소통, 수렵, 포식자 탐지에 청력을 사용하기 때문이다.

7. 풍력발전기의 터빈이 돌아가면서 해양 부유물의 농도가 올라갈 수 있다.

8. 설계, 설치 및 운전 비용이 육상풍력에 비해서 더 많이 소요된다. 또 발전된 전기를 나르기 위한 전력망 설치에 있어서 비용이 많이 소모된다. 또한 육상풍력은 건설비용이 2M€/㎿인데 해상은 약 4M€/㎿ 정도로 해상풍력의 건설 비용이 약 2배 높기도 하다.[9]

5. 전망

5.1. 국내

정부는 2021년 12월 <2050탄소중립 에너지기술 로드맵>을 발표하여 에너지 생산 분야에서는 20MW급 해상풍력 발전기 및 부유식 해상풍력 발전시스템을 2050 탄소중립 실현을 위한 대표 핵심 기술로 선정하고 개발할 계획이다.

5.2. 해외

전세계적으로 해상풍력발전의 규모는 2019년 28,382MW에서 2020년 34,362MW, 2021년 55,678MW로 그 규모가 점차 커지고 있다.[10] 그리고 해상풍력 발전시장은 향후 30년간 크게 성장해 2030년 228GW, 2050년 1000GW에 달할 것으로 전망된다. 이에 전세계적으로 향후 30년간 해상풍력에 대한 투자비 규모는 크게 증가해, 2050년까지 누적 투자비가 2조 7500억 달러 이상의 규모가 될 것으로 전망된다.

또한 기술적으로는 터빈 용량의 대형화 추세가 지속될 것으로 보인다. 터빈이 커질수록, 대형 터빈의 MW당 CAPEX[11]은 높아 지진다. 하지만 발전 효율이 높아져 발전량이 많아지고, 기초구조물 설치에 소요되는 비용은 줄어들어 LCOE[12]는 줄어들 것으로 보인다.

한편 부유식 해상 풍력의 경우, 2009년에 세계 최초 부유식 해상 풍력인 Hywind의 운전을 시작한 후 설치 용량이 계속 증가하여 2020년까지 전 세계 누적 설치 용량이 124MW이며, 그 중에 90% 이상은 유럽에 설치되어 있다. 2030년에 부유식 해상 풍력 발전의 설치 용량이 10~30GW, 2050년에는 250GW에 달할 것으로 전망된다.

6. 관련 법

6.1. 대한민국

6.1.1. 해상 풍력발전 촉진법

2016년에 제정된 법으로, 해상 풍력 발전을 촉진하고 관련 산업을 지원하기 위한 내용을 담고 있다. 법에 따르면, 해상 풍력 발전 사업자는 발전량에 비례하여 일정한 비율의 국내산 장비를 사용해야 한다.

6.1.2. 해양 환경 관리법

2016년에 개정된 법으로, 해양환경 보호 및 관리를 목적으로 한다. 해상 풍력 발전 사업자는 사전에 환경영향평가를 실시하고, 해양환경보전계획을 수립하여 관련 기관에 제출해야 한다.

6.1.3. 해상풍력발전사업 허가 및 신고 등에 관한 규정

해상풍력발전 촉진법 시행령에서 정하는 바에 따라, 해상 풍력 발전 사업자는 사전에 허가를 받아야 하며, 시공 후에는 운영신고를 해야 한다. 허가 및 신고 절차와 관련하여 관련 부처가 지정되어 있다.

6.2. 미국

6.2.1. 해상 풍력 에너지 개발 연방법

이 법은 미국 해상에서의 풍력 발전을 촉진하고 규제하는 목적을 갖고 있다. 연방 에너지규제위원회가 주요 규제기관이며, 해상 풍력 발전 프로젝트의 승인 및 규제에 관여한다.

6.2.2. 해상 풍력 발전 영역 확보를 위한 국립 대륙붕

미국 내 해상 풍력 발전을 위해 국립 대륙붕에서 특정 영역이 지정되고 개발된다. 이러한 영역은 미국 내 다양한 주별로 관리 및 할당될 수 있다.

6.2.3. 국가 해상 풍력 발전 전략

미국 정부는 해상 풍력 발전을 전략적으로 추진하기 위한 계획과 지침을 수립하여 해당 산업의 성장을 지원한다. 이 전략은 미국 내에서의 풍력 발전 기술 개발, 시장 확장, 정책 및 규제 향상 등을 다루고 있다.

6.3. 유럽

6.3.1. 독일

독일은 해상 풍력 발전을 촉진하기 위해 다양한 법과 규제를 갖추고 있다. 독일의 법규는 장기적인 해상 풍력 발전 목표를 설정하고, 발전 용량을 확대하며, 그에 따른 보조금 및 기타 경제적인 인센티브를 제공한다.

6.3.2. 영국

영국은 해상 풍력 발전을 위한 법과 규제를 포함한 종합적인 접근을 채택하고 있다. 영국 해양 관리기구인 Crown Estate(국왕이 법인으로서 보유하는 재산 이하 공기업)는 해상 풍력 발전 영역의 관리를 담당하며, 라이센스 제도와 관련 허가 절차를 수행한다. 또한, 영국 정부는 해상 풍력 발전 산업을 지원하기 위해 보조금과 경제적 인센티브를 제공한다.

6.3.3. 네덜란드

네덜란드는 해상 풍력 발전 분야에서 선도적인 국가로 인식되고 있다. 네덜란드의 해상 풍력 발전에 관한 법과 규제는 발전 영역의 관리, 허가 절차, 환경보호, 해양 및 행정 기관의 역할 등을 다루고 있다.

7. 관련 문서

[출처] 해상풍력 및 조류발번용 신형식 기초구조물, 한국해양과학기술원 소개영상 중 [출처] 해상풍력 및 조류발번용 신형식 기초구조물, 한국해양과학기술원 소개영상 중 [출처] 해상풍력 및 조류발번용 신형식 기초구조물, 한국해양과학기술원 소개영상 중 [출처] 해상풍력 및 조류발번용 신형식 기초구조물, 한국해양과학기술원 소개영상 중 [5] Mooring System [6] Dolores Esteban, M. et al./Why offshore wind energy?/Renewable Energy/2011. 2. [7] 국외 모니터링 사례를 통한 해상풍력발전의 환경적 영향 고찰, 맹준호 외 3명, 2013. [8] 국외 모니터링 사례를 통한 해상풍력발전의 환경적 영향 고찰, 맹준호 외 3명, 2013. [9] Dolores Esteban, M. et al./Why offshore wind energy?/Renewable Energy/2011. 2. [10] IRENA 2022 Renewable Energy Status, 19p [11] Capital Expenditures, 설비비용을 뜻한다. [12] Levelized Cost of Energy, 균등화 발전비용. 이는 단위 에너지를 생산하는데 소요되는 비용을 의미하고, 풍력 에너지에 관한 경제성 평가 지수 중 하나이기도 하다. [13] 前 KT서브마린

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기타	인력 발전 · 연료전지 발전( SOFC) · 열전 발전 · 압전 발전 · MHD 발전 · 에너지 저장 체계

해상풍력발전

1. 개요

2. 시공방법/기술

2.1. 모노 파일 시공

2.2. 자켓 시공

2.3. 중력식 기초 시공

2.4. 부유식 시공

2.5. 다중 격벽식 중공형 수중기초 구조물

3. 현황

3.1. 시장 규모

3.2. 기술 동향, 개발 방향

3.3. 사업 현황

4. 장단점

4.1. 장점

4.2. 단점

5. 전망

5.1. 국내

5.2. 해외

6. 관련 법

6.1. 대한민국

6.1.1. 해상 풍력발전 촉진법

6.1.2. 해양 환경 관리법

6.1.3. 해상풍력발전사업 허가 및 신고 등에 관한 규정

6.2. 미국

6.2.1. 해상 풍력 에너지 개발 연방법

6.2.2. 해상 풍력 발전 영역 확보를 위한 국립 대륙붕

6.2.3. 국가 해상 풍력 발전 전략

6.3. 유럽

6.3.1. 독일

6.3.2. 영국

6.3.3. 네덜란드

7. 관련 문서

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