바닷바람이 에너지다 ⑦ 풍력발전기를 바다에 단단하게 설치하기

[해운대라이프]

해상 풍력의 핵심 기술-1
풍력발전기를 바다에 단단하게 설치하기

1991년 7월 11일 덴마크 남쪽 빈데비 해상에 높이 40m가 넘는 풍력발전기 11기가 우뚝 섰다. 해안가로부터 1.5km나 떨어져 있어 육지에서는 흐릿한 기둥처럼 보일 뿐이다. 곧 초속 17m의 강한 바람이 불기 시작했다. 길이가 35m에 달하는 거대한 날개(블레이드)가 서서히 돌자 육지에 있는 변전소에서 전기가 들어오고 있다는 신호가 잡혔다. 세계 최초의 상업용 해상풍력 단지가 태어난 순간이었다. 시간이 흘러 이제는 해상풍력이 ‘대세(大勢)’라고 한다. 처음 세워진 해상풍력 발전기 1대의 전력은 최대 450KW(킬로와트, 1KW는 1000W). 지금은 3MW(메가와트, 1MW는 100만W) 전력의 발전기가 우후죽순처럼 늘어나고 있다.
바다에 설치하는 풍력발전기는 육상에서는 크게 문제가 되지 않는 두 가지를 해결해야 한다. 높이 50~100m, 무게 수백t에 달하는 풍력발전기를 바다의 거친 풍랑에도 끄떡없도록 단단하게 설치하는 것, 바다에서 생산한 전기를 1~10km 떨어진 육지로 손실 없이 전달하는 것이다. 아무리 좋은 터빈이 있더라도 바다에 단단하게 세우지 못하면 기둥이 흔들려 발전기 효율이 떨어진다. 전기를 육지로 전달하는 과정에서 손실이 발생하면 어렵게 바다에 설치한 풍력발전기는 커다란 바람개비가 될 뿐이다. 전문가들은 이 두 가지 기술이 해상풍력의 ‘핵심’이라고 입을 모았다. 해상풍력을 건설할 때 드는 비용을 살펴봐도 이는 드러난다. 육상풍력은 전기를 생산하는 터빈에 전체 비용의 70%를 사용하지만 해상풍력은 바다에 발전기를 세우고 전기를 전달하는 공사에 드는 비용이 50%를 차지한다.
풍력발전기를 해저 바닥에 설치하는 방법은 수심에 따라 다르다. 수심이 0~20m인 얕은 곳에서는 해저면을 콘크리트로 다진 후에 기둥을 꽂는 ‘중력 케이스’ 방식을 사용한다. 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 사용했다. 하지만 무게가 수십t, 지름이 5m이상 되는 기둥을 수심이 깊은 곳에서 적용하기는 어렵다. 수심 20~50m 이내에 설치할 때는 ‘모노파일’ 방식이 좋다. 해저면에 콘크리트 지지대를 만들고 단단한 쇠기둥을 박아 그 위에 발전기를 설치하는 형식으로 현재 해상풍력 단지에 가장 많이 사용된다. 하지만 풍력발전기가 쇠기둥에 의지해야 하기 때문에 발전기의 크기가 커지면 쇠기둥이 무게를 이겨내지 못하고 균열이 생기거나 파괴될 수 있다.
수심 80m 정도의 먼 바다로 나갈 때는 ‘자켓’, ‘트라이포드’ 방식이 적당하다. 단단한 강재구조물을 해저에 설치해 고정한 뒤 그 위에 풍력발전기를 설치한다. 수심이 깊은 곳에서도 가능하다는 장점이 있지만, 강재구조물을 설치할 때 용접이 많이 필요해 설치 가격이 비싸다. 풍력발전기의 진동을 강재구조물이 견디지 못하고 부러지거나 변형될 수 있다.
수심에 따라 공사 방식이 달라지는 가장 큰 이유는 경제성 때문이다. 깊은 바다로 나가야 바람도 많이 불고 넓은 공간을 활용할 수 있는데 공사비가 상승하기 때문에 쉽지 않다. 대안으로 떠오른 방식이 최근 연구개발 중인 ‘부유식’이다. 배처럼 띄운 구조물에 발전기를 세우는 방식이다.