KR 웹진 147호
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2012년, 전 세계 극지 및 극한기후 환경 분야 해양구조물 시장규모는 약 15조원으로 2030년경에는 약 100조원 이상의 시장(전 세계 해양구조물 시장의 1/5 규모)이 형성될 것으로 전망되고 있다(조선해양플랜트협회, 2013). 해양 자원 개발을 위한 해양구조물은 수심에 따라 고정식 또는 부유식으로 나뉘어 선정하게 된다. 수심이 100m 이상 500m 이하인 지역의 경우 극지 부유식 해양구조물의 설치가 필요하며, 극지역 해양구조물의 경우 기능의 최적화, 유빙의 충돌로부터 안전 확보, -50oC 이하의 극한 온도 조건에서의 생존 확보와 더불어 친환경 설계 등 다양한 기술적 요건을 만족하여야 한다.
부유식 해양구조물은 크게 반잠수식 구조물, TLP, SPAR 그리고 FPSO로 분류할 수 있다. 반잠수식, TLP, SPAR 구조물은 대부분의 부력을 수면 하부의 구조물에 의지하므로 하중이 실릴 경우 급격하게 흘수가 변하는 단점이 있다. 따라서 일반적으로 시추 작업에 많이 활용되며 생산에 활용될 경우 저장용 선박 혹은 구조물과 병행하여 운용된다. 빙해역의 경우 극한 빙하중으로 인하여 운반선 등의 접근이 제한될 수 있으므로 자체적으로 저장 기능을 가진 FPSO 형태가 가장 적합할 것으로 판단된다.
[그림 1] 빙해역 시추구조물 사례 (a) Kulluk drilling-rig, (b) DrillMax Drillship, (c) semi-rig
빙해역에서 운용되는 FPSO는 극한 빙하중을 최소화 하기 위한 터렛 무어링이 포함된 선박형 해양구조물과 원통형 해양구조물의 두 가지 개념으로 나누어지고 있다. 터렛 무어링이 포함된 선박형 해양구조물의 경우 빙해역에서 선수, 선미에 설치된 추진기를 활용한 ice-vaning 개념을 이용하여 선박의 선수요 방향을 조절하여 빙하중을 최소화하며, 원통형 해양구조물의 경우 원형형상으로 이루어져 어느 방향으로 ice가 표류해 오더라도 동일한 하중을 받도록 설계된다.
일반해역에서의 파랑하중 측면에서는 좁은 원통에 모든 구조물이 모여있는 형태인 원통형 해양구조물이 유리하지만, Sevan 사가 독점적으로 특허권을 가지고 있으므로 지적소유권을 회피하기 위해서는 동일한 개념을 공유하지 않는 새로운 선형개발이 필요한 실정이다. 또한, 원통형 구조물의 경우 상부 공간이 제한되어 있어 상부 구조물의 최적배치가 힘들다는 단점이 있으며, 극한 빙하중을 견디기 위한 계류 시스템의 사양이 상당히 높다는 한계가 존재한다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 터렛 무어링이 포함된 선박형 해양구조물의 형상 개발이 필요하다.
[그림 2] 빙해역 생산구조물 사례 (a) Arctic FPU (Moss maritime), (b) Arctic FPSO (Sevan)
극지 부유식 해양구조물의 경우 최소 빙저항을 가지면서 운용효율이 극대화 된 플랫폼 형상뿐만 아니라 안정적인 운용을 위한 위치유지 시스템도 매우 중요하다. 대표적인 위치유지 시스템으로는 동적위치제어시스템과 계류시스템이 있으며 각각 혹은 동시 적용되고 있다. 특히 유빙이 존재하는 극지해역에서는 선박형 해양구조물의 선수 방향 회전을 통해 빙하중을 최소화 시키면서 계류 시스템을 통해 위치를 확보하는 기술이 주목 받고 있다.
KR에서는 “위치유지와 계류 시스템을 적용하여 ARC7 조건에서 연중운용이 가능한 북극해 기반 부유식 해양구조물 형상 개발(2016)” 과제를 진행하면서 극지 해양구조물 관련 국내외 규정 분석 및 주요 기술 식별을 수행하였으며, 위치유지 시스템의 성능평가를 위한 절차 개발을 위해 노력하고 있다. 유빙의 단독 운항 특성, 유빙 하중 등을 고려한 위치유지 알고리즘 및 계류 해석 기술을 확보하기 위해 다양한 빙 시나리오에 적합한 DP 추진기 및 계류 시스템의 성능 검증 기술 개발에 참여하고 있다.
[그림 3] DP와 계류시스템 동시적용 플랫폼 형상 예시
북극해와 같은 극지, 극한환경 시장에 진출하기 위해서는 세계 메이저 기업 (Aker, Technip 등)과의 경쟁이 불가피하다. 현재는 유가가 낮고, 해양구조물 산업이 위기상태에 있지만 다가올 미래에는 공기지연에 따른 거대한 적자 상황, 설계 해외 의존 등과 같은 현재 상황이 재발되지 않도록 확실한 준비가 필요하다. 또한, 해양구조물 특성상 안정성이 최우선적으로 확보되어야 하기 때문에 검증 및 평가를 위한 기술 개발이 선행되어야 할 것이다.