KR 웹진 203호

1.풍력 시장의 확대

글로벌 유가 하락으로 위축되었던 신재생 에너지에 대한 수요가 최근 탄소중립과 같은 각국의 온실 가스 

의무 감축에 대한 대응을 위해 신재생 에너지 분야에 대한 투자가 활발히 진행되고 있다. 작년 기준 전세계적으로 신규 설치된 풍력 설비의 경우, 약 93GW로, 이를 시장 규모로 환산했을 때 대략 300조 내외의 적지 

않은 시장을 형성하고 있다.

하지만, 2020년 기준 국내 풍력 설비 누적 설치 실적은 1.6GW에 불과했으나 정부의 재생 에너지 확대 정책 ‘재생에너지 3020’과 이에 할당된 풍력 설비 설치량을 고려해보면 향후 16.5GW 이상의 풍력 발전 설비의 

설치가 예상되며, 이는 대략 약 100조 원 정도 규모의 시장으로 성장할 것으로 추측된다.

 

   그림1. 세계 신규 풍력 터빈 설치용량 및 성장률 예측

 

 

2.부유식 해상 풍력터빈의 등장

현재 해상 풍력 시장에서는 수심 60m 이하의 고정식 풍력 발전기가 주류를 이루고 있으나, 근시일 내에 60m~150m의 중수심에 대한 수요가 증가할 것으로 예상되며, 이와 더불어 중장기적으로는 현재 시장 초기 상태에 불과한 부유식 풍력 발전 시스템에 대한 시장도 꾸준히 성장할 것으로 기대된다. 부유식 해상 풍력 

발전 시스템은 발전기의 하부 구조물이 해저면에 고정되어 있지 않고 자체의 부력을 이용해 해상에 떠 있는 형태로, 연안으로부터 원거리에 설치가 가능하여 육상 또는 고정식 해상 풍력 발전에 비해 더 우수한 풍황 

자원을 이용할 수 있고, 소음, 각종 생활 민원에서 자유로운 장점이 있다.

 

그림2. 수심에 따른 해상풍력 컨셉

 

관련하여 다양한 부유식 해상 풍력 발전 시스템이 존재하지만 가장 일반적인 형태로 구분하면, 시스템 

안정성 유지 방법과 설치 수심에 따라 반 잠수식(Semi-Submersible), 원통식(Spar Bouy), 인장계류식(TLP; Tension Leg Platform) 등으로 구분된다. 원통형 해상 풍력 발전 시스템은 해상 운전 중 안정성을 유지하기 

위해 흘수(Draft)를 깊게 적용하여 안정성을 확보하는 형식으로, 상대적으로 수심이 깊은 지역에 적합함 모델이다. TLP 형식의 경우 계류를 위한 줄(Tendon)의 장력을 이용하여 설치하는 형식으로, 안정적인 설치를 위해 큰 장력이 필요하므로 지반이 상대적으로 단단한 지역에 설치하는 것이 적합하다. 마지막으로 반 잠수식의 경우 부유체의 부력과 계류 시스템을 이용한 형식으로, 일반적으로 50m~150m의 수심에 적합한 형식이다.

그림3. 부유식 풍력발전 시스템의 종류

이러한 하부 구조물의 형식 선정은 설치하고자 하는 지역의 환경 상태(지반, 수심, 풍속 등)와 하부 구조물을 제작하는 조선소의 환경(암벽 수심, 도크 규모 등)에 대한 조합으로 결정되나, 이 과정에서 부유식 터빈의 

설치, 운송의 방법 또한 해당 형식을 결정하는 주요한 인자가 될 수 있다.

 

 

3.부유식 해상 풍력 시장 전망

전 세계의 풍력 발전 누적 설치 설비중 해상 풍력 발전 설비는 23GW로 아직은 대부분 고정식 해상 풍력 

발전 시스템에 집중되어 있다. 하지만, 성장세가 더딘 육상 풍력에 비해 해상 풍력의 설치 추세는 다음 

그림과 같이 매년 16% 이상의 성장세를 보이고 있다. 해상풍력의 대부분은 영국, 독일을 비롯하여 대부분 

전통적으로 조선해양 기술 및 관련 산업 인프라 강국들이 성장을 이끌고 있음을 확인 가능하나, 세계 최대의 풍력 시장을 보유하고 있는 중국의 비중 또한 적지 않음을 확인 가능하다. 이처럼 성장의 한계에 직면하고 

있는 육상 풍력에 비해 해상 풍력은 한동안 계속적인 성장이 지속될 것으로 예상되며 우리나라 또한 이에 

대한 적절한 대비가 필요할 것으로 판단된다.

 

    

그림4. 해상 풍력 발전 시장의 성장률 예측

 

한편 블룸버그는 2022년까지 부유식 해상 풍력 발전 누적 설치 용량이 237MW에 이를 것으로 전망했으며, 이는 실증 단계인 부유식 해상 풍력 발전이 상업화의 도입부에 접어들었다는 신호를 나타내고 있다. 이와 더불어 중장기적으로 규모의 경제를 통해 부유식 해상 풍력 발전 설비가 대량 생산될 경우, 관련 비용의 감소가 이어질 것으로 예상되며 이를 통해 부유식 해상 풍력 산업이라는 또 다른 풍력과 조선 해양 시장이 열릴 것으로 예상된다.

 

향후 펼쳐질 부유식 해상 풍력 시장의 선제적인 대응을 위해 관련 기술의 개발과 같은 다양한 준비가 요구됨과 동시에 부유식 풍력 시스템의 안전을 보장하는 해당 기술의 평가 및 시험 기술과 같은 인증 시스템 또한 요구된다. 이를 위해 현재 운영중인 풍력 인증 시스템과 함께 추가로 필요한 선급 입급등의 내용에 대한 검토가 필요하며, 필요시 추가적인 인증 스킴(scheme)의 도입을 통해 보다 안정적이고 안전한 부유식 해상 풍력터빈의 제작 및 운영이 보장되어야 한다.

 

            그림5. 부유식 해상 풍력 발전 시장 예측

 

 

4.부유식 해상 풍력 관련 표준 및 인증 시스템

국내 설치되는 풍력터빈의 경우, 대부분 RECs (Renewable Energy Certificates)의 획득을 위해 한국에너지공단 부설기관인 신･재생에너지센터를 통해 KS인증을 진행한다. 해당 풍력 터빈은 KS 인증을 통해 설계평가, 시험평가, 제조평가를 각각 수행하며, 이 과정을 통해 풍력터빈의 안정적인 설계 및 운영에 대한 평가가 진행된다. KS 인증의 세부 내용과 관련하여, “중대형 풍력터빈 KS인증업무규정(2015.7.30.)”에 근거해서 수행되며, 인용 표준은 아래와 같다

 

  1. KS Q ISO/IEC 17065 적합성 평가 - 제품, 프로세스 및 서비스 인증기관에 대한 요구사항

  2. KS C IEC 61400-22 풍력발전기-제22부: 적합성 시험 및 인증

  3. KS Q 8003 KS인증제도 - 신․재생에너지설비인증에 대한 요구사항

 

회전자 면적 200m2 이상 육상용 중대형 풍력터빈 및 해상용 중대형 풍력터빈을 대상으로 인증이 진행되며, 설계 및 시험평가의 경우 위탁 기관(한국선급, 에너지기술연구원, 재료연구소/DEWI-OCC, DEWI)을 통해 아래의 표준을 대상으로 구체적인 업무가 진행된다.

 

  1. KS C 8572 육상용 중대형 풍력터빈 설계 요구사항(2015.7월)

  2. KS C 8573 해상용 중대형 풍력터빈 설계 요구사항(2015.7월)

 

한편, 부유식 해상 풍력의 경우 KS 표준 부합화의 근거가 되는 “IEC61400-3-2 부유식 해상풍력에 대한 설계 요구사항“의 제정이 지연되어 19년 4월에 완료되었고, 이로 인해 현재는 관련 KS C 가 부재한 상태이다. 다행히 이와 관련하여 한국에너지공단에서는 부유식 해상풍력 관련 KS 표준의 부합화 작업이 진행중으로 조만간 최종본의 발간이 예상된다. 이후 해당 표준의 제정이 완료되면 이를 근거로 KS 인증에서도 부유식 풍력터빈의 인증 시스템에 갖춰 질것으로 예상되며, 이를 통해 현재 고정식 육해상 풍력터빈의 안전성 평가와 이를 검증하는 시험등이 진행되는 업무가 부유식 해상풍력에도 확대되어 조간만 국내에서 개발되고 설치될 부유식 해상풍력 발전 시스템에도 적용되어 개발된 시스템의 안전성 평가와 이를 통한 시스템의 안정적인 운영이 확보될 것으로 예상된다. 

 

 

 

5.부유식 해상 풍력 시스템의 선급 입급

이와 함께, 부유식 풍력의 경우 기존 고정식 터빈과 달리 해양 구조물의 범주에 포함될 수 있다. 따라서 Oil & Gas 산업 분야에서 일반적으로 적용되고 있는 각종 안전관련 규정의 적용도 고려되어야 한다. 15세기 대 항해시대 포르투갈, 스페인, 영국은 해상무역으로 세계를 지배하였지만, 잦은 해양사고로 10척 중 1척이상이 침몰하였다. 이로 인해, 보험업계의 요구로 선박의 안전성을 평가하는 민간기술단체, 즉 선급이 설립되었고, 현재 선박 및 해양 구조물 중 97%가 선급에 등록되어 정기적인 검사를 받고 있다. 1914년 최악의 사고로 기억되는 타이타닉 사고로 국제사회는 국제 해상 인명 안전협약(SOLAS, International Convention for the Safety of Life at Sea)을 제정하였는데, 이는 선급의 검사기준(선급규칙)을 근간으로 하고 있다. 

 

            그림6. 해양에서의 풍력 에너지 연계

 

따라서, 부유식 해상 풍력 또한 조만간 적용될 KS 인증 외에 선급 등록을 통해 부유식 풍력 시스템의 정기적인 검사와 감독등의 안전에 대한 보장이 필요할 것으로 판단된다. 하지만, 현재 선급 입급의 근거가 되는 “선박안전법”의 경우, 부유식 해상 구조물에 대해 제2조제1호에서 해당 항목들을 나열하고 있으나, 국내에는 아직까지 흔치 않은 부유식 해상풍력에 대한 고려가 없는 것이 사실이다. 울산시청의 보도 자료에 따르면 대략 6GW의 부유식 해상풍력이 설치를 계획 중에 있다. 기당 6MW 터빈으로 단순 산술해도 대략 1,000여기로, 통상 1기당 1~2Km의 반경이 필요한 부유식 터빈의 설치 면적을 고려해볼 때 이는 상당한 면적의 해상 공간을 차지 할 것으로 예상되어 지며, 다양한 해상 사고등의 발생을 미연에 방지하기 위해, 관련 법 개정으로 부유식 해상풍력 시스템의 입급이 무엇보다도 우선 되어야 할 것이다.

 

 

 

6.결론

세계 풍력 발전 시장은 2005년 이후 급격히 증가하고 있으며, 몇 차례의 등락은 있었으나 매년 평균적으로 10% 이상의 높은 성장률을 기록하고 있다. 미국, 유럽 및 중국 지역의 경우 2000년 초에 단위 기기의 용량이 MW 단위를 넘어선 이후 꾸준히 증가하여, 2019년 현재 육상은 5MW, 해상은 그 이상의 대형 풍력 터빈이 설치되고 있는 추세이다. 이와 더불어 설치 가능 지역의 포화, 다양한 민원, 대형 터빈의 운송 등의 문제가 발생하고 있는 육상 터빈의 시장에서 이러한 문제로부터 상대적으로 자유로운 해상 풍력으로의 시장 변화가 지속적으로 진행되고 있다. 이러한 추세는 더욱 가속화되어 최종적으로 원거리, 대용량의 터빈 설치가 가능한 부유식 해상 풍력으로 귀결될 것으로 예상된다.

 

현재 고정식 육상 풍력 발전 시장의 경우 중국, 미국, 유럽의 선진 업체들이 독식하고 있는 레드오션의 형태를 띄고 있다. 따라서 후발주자인 한국의 경우 새로운 시장인 부유식 해상 풍력 기술의 선제 개발을 통해 향후 전개될 새로운 풍력 시장에 선도적인 대응이 필요하다. 국내의 앞선 조선 및 해양플랜트 기술을 바탕으로 부유식 풍력 발전 시스템의 원천 기술을 확보한다면 세계 해양플랜트 시장을 선도하는 것과 함께 국가 신성장 동력을 창출할 수 있을 것이다. 이를 통해 에너지 자체 생산, 미래 수출 사업의 육성, 고용 창출이라는 1석 3조의 성과를 얻을 수 있으며, 향후 지속 가능한 에너지 개발 및 발전 차원에서 국가 산업 발전에 이바지함과 동시에 에너지 수출국으로서의 경쟁력을 강화할 수 있을 것이다. 

 

 

이와 함께 규모의 경제를 위해 대규모로 설치 및 운영되는 부유식 해상풍력터빈의 특징을 고려해서 개별 터빈 시스템과 함께 발전 단지에 대한 안전이 무엇보다도 우선되어야 한다. 이를 위해 KS인증과 같은 기존의 잘 갖추어진 인증 시스템과 함께, 선급 입급등의 추가적인 인증 스킴의 도입을 통해 부유식 풍력터빈에 대한 안정적인 개발과 운영에 집중해야할 것이다. 이를 통해 향후 펼쳐질 부유식 해상 풍력 시장에 대한 기술의 선점과 운영의 안정성을 보장하고 향후 관련 기술의 세계 시장 선점에 보다 가깝게 다가갈 수 있을 것으로 판단된다.