해상풍력의 원리와 개념

해상풍력의 원리와 개념

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<목차>

 

1. 세계는 해상풍력 시장으로 전환

2. 산업융합형 해양프로젝트 : 해상풍력단지 개발

3. 해상풍력 기술발전과 경제성 향상

4. 해상풍력산업 : 탄소중립 실현과 경기부양을 위한 효과적 수단

 

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1. 세계는 해상풍력 시장으로 전환

세계 각국은 기후변화 대응과 팬데믹 이후의 경제 활성화를 위한 수단으로써 공격적인 탄소중립 정책을 전개하고 있으며, 풍력·태양광 중심의 재생에너지 산업화에 과감한 투자를 이행하고 있다. 세계 풍력발전 시장은 지난 10년간 197GW(2010년)에서 743GW(2020년)로 증가했고 해상풍력 시장은 3GW(2010년)에서 34GW(2020년)로 연평균 30% 이상의 가파른 성장세를 보였다.

해상풍력은 우수한 바람 자원과 낮은 난류강도 등의 외부 환경적 특징으로 인해 육상풍력보다 이용률과 가동률이 우수하다. 특히 GW급 초대형 단지개발을 통해 탄소중립 목표 달성에 필요한 대규모 재생에너지 생산이 가능하므로 세계 각국은 육상풍력에서 해상풍력으로 빠른 산업전환을 추진하고 있다. 2020년에는 COVID-19로 인해 시장성장속도가 다소 둔화되었으나 세계풍력에너지위원회(GWEC)는 2030년까지 약 236.5GW의 해상풍력단지개발이 가능할 것으로 전망하고 있어 향후 더욱 큰 폭의 성장이 기대된다.

 

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2. 산업융합형 해양프로젝트 : 해상풍력단지 개발

 

풍력발전은 바람의 운동에너지를 회전자를 통해 높은 효율로 회수하여 전기에너지를 생산하는 기술이다. 해상풍력터빈을 구성하는 핵심부 품으로 블레이드, 증속기, 발전기, 제어기, 타워가 있으며 설치 수심에 따라 고정식 하부구조물 또는 부유체가 선택된다. 해상풍력단지는 사 전 타당성 조사, 사이트 개발, 설치·시공, 운영 및 해체복구 단계로 개발 되는 종합 해양엔지니어링 산업이다. 해상풍력 개발비용은 해상풍력터 빈, 해양구조물, 해상변전소, 해저케이블 등의 직·간접 시설물 설치비용 과 설치 및 유지보수 선박, 해상물류 등의 서비스 비용으로 구분될 수 있 다. 해상풍력터빈이 전체 프로젝트에서 차지하는 비중은 약 30%에 불 과하며 나머지 70%는 기타 시설물 및 서비스 비용이 차지하는 구조이 기 때문에 전 주기적 공급망의 균형발전이 발전단가 경쟁력확보에 있어 중요하다. 따라서 비록 국산 해상풍력터빈 제품경쟁력이 외산에 비해 낮은 것으로 평가되고는 있으나 세계적인 수준의 국내 조선·해양산업 분야에서 오랜 기간 구축된 설계, 제작, 시공 역량과 조화를 이룬다면 우리나라의 세계 해상풍력 5대 강국을 향한 도전이 실현 불가능한 목표 는 아닐 것으로 생각한다.

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3. 해상풍력 기술발전과 경제성 향상

 

해상풍력단지는 해안으로부터 멀리 떨어진 깊은 바다로 나아갈수록 하부구조물, 설치·시공, 계통연계 비용이 큰 폭으로 상승하여 경제성을 확보하기 어렵다. 해상풍력 시장이 형성되기 시작한 2000년대 초반만 하더라도 계통연계, 해상 O&M, 경험 부족, 검증된 해상풍력터빈 부재로 인해 경제성이 확보될 수 없었다. 그러나 최근 해상풍력터빈 초대형화와 사업자의 성숙한 운영·관리 경험 축적에 힘입어 일부 국가에서는 보조금 없이도 개발 가능한 해상프로젝트들이 등장하고 있다. 2010년 해상풍력터빈의 평균 설비용량은 3MW에 불과했으나, 최근 유럽과 미국의 터빈 제작사들이 10MW+급 해상풍력터빈 기종을 시장에 앞다투어 출시하고 있다. 균등화발전단가(Levelized Cost of Energy) 또한 2010년 대비 29%($0.115/kWh, 2019년) 이상 하락했는데 기술발전 및 시장 확산을 통해 더욱 가속화될 것으로 예상되며 2023년에는 $0.082/kWh(2010년 대비 51% 감소)에 이를 것으로 전망하고 있다.

탄소중립을 선언한 세계 각국은 대규모 재생에너지 생산을 위한 수단으로써 차세대 부유식 풍력발전 기술개발에 과감하게 투자하고 있다. 해상풍력터빈은 약 50m의 수심까지는 고정식 하부구조물로 설치할 수 있지만, 그 이상의 수심에서는 부유식 풍력발전으로의 전환이 필요하다. 부유식 풍력발전은 원해의 우수한 풍황자원을 이용할 수 있어 이용률이 크게 향상될 수 있는데, 2017년에 상업 운전을 개시한 30MW 규모의 Hywind Scotland 부유식 풍력단지의 평균 이용률이 57.1%를 기록하고 있다. 이는 2020년 국내 석탄화력발전 평균 이용률인 59.3%에 근접한 놀라운 수치이다. 부유식 풍력발전은 유럽의 실증프로젝트들이 성공적으로 완료되고 있음에도 불구하고 여전히 기술적, 경제적 한계 돌파에 대한 도전이 필요하다. 현재 세계 부유식 풍력발전 누적 설비용량은 약 136MW이며 향후 10년간 6.2GW가 보급되어 2030년에는 전 세계 풍력설비에서 차지하는 비중이 약 6%에 이를 것으로 전망된다.

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4. 해상풍력산업 : 탄소중립 실현과 경기부양을 위한 효과적 수단

 

2020년 7월, 정부는 ‘해상풍력 발전방안’을 발표하고 2030년까지 12GW의 해상풍력단지를 개발하여 해상풍력 강국으로 도약하는 목표를 제시했다. 해상풍력산업은 탄소중립 실현과 에너지신산업 육성이라는 두 가지 측면에서 우리에게 중요한 기회 시장이 될 것이다. 사회적 수용성을 확보한 탄소중립 목표 달성을 위해서는 기술개발보다 시장 확대 중심의 정책지원에 더 큰 가중치를 두는 것이 효과적일 수 있다. 그러나 해상풍력터빈 등과 같은 특정 공급망에 국한된 지원만으로는 국내 해상풍력 산업경쟁력을 충분히 갖추기가 어렵다. 인허가부터 해체복구까지의 전방위적 산업에 대한 균형발전과 지속 가능한 정책적 지원을 통한 국내외 투자유치, 그리고 우리 기업들의 기회 시장으로써의 내수시장 지원이 조화를 이루어야 한다. 이를 통해 국내 기업들의 체질 개선, 견고한 국내 공급망 구축, 재생에너지 보급 확대 및 양질의 고용 창출로 이어지는 선순환적 풍력발전 산업생태계 조성이 가능할 것으로 기대한다.

 

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저자

 

글 | 김범석
(제주대학교 교수)