Global 해상풍력 설비 용량이 2030년 270GW로 증가한다고 합니다. 국내 원전 한빛 1호기가 설비용량이 950MW 정도입니다. GWEC(글로벌풍력에너지협의회)는 2022년 말까지 3개 대륙, 19개국에서 총 64.3GW 정도로 해상풍력을 사용하고 있다고 했으니 2030년까지 대략 원전 210개를 증설하겠다는 말과 같습니다. 실로 엄청난 규모입니다.
해상풍력에서 만들어진 전기는 온실가스를 내뿜지 않는 Clean Energy라고 할 수 있습니다. 하지만 해상풍력터빈과 타워를 제조하는 과정은 마냥 낭만적이지 않습니다. 커지면 커질수록 제작에 필요한 광물의 양도 많을 것입니다. 그 광물을 채굴하기 위한 건설기계들에서 뿜어대는 화석연료, 그것을 선적, 운반 및 제련하기 위한 들어갈 화석연료 심지어 외부 도장을 위해서도 페인트(석유)가 사용됩니다. 풍력발전기 그 자체는 화석연료 덩어리라 할 수 있습니다.
그렇기에 투입되는 비용(화석연료) 대비 최대의 효율을 뽑을 수 있도록 해야 할 것입니다. 각설하고 금번에는 풍력발전기 부품을 하나씩 살펴보며 원리에 대해서 알아보겠습니다.
1. 풍력발전기 개요
풍력발전은 공기의 움직임으로 발생한 운동 에너지의 공기역학적인 특성을 이용하여 블레이드를 회전시켜 그 회전(기계적 에너지)을 전기에너지로 얻는 기술입니다.
가정에 있는 선풍기를 생각해 봅시다. 전동기 박스 내 모터 샤프트가 노출되어 이 샤프트가 회전 날개에 연결됩니다. 전기에너지를 이용해 모터가 회전하면 회전 날개가 도는 형식입니다. 풍력발전기는 그 반대의 과정입니다.
2. 풍력발전기 구조
풍력발전에서 보통 3엽 발전기를 이용합니다. 이 날개(Blade)가 바람에 의해 회전합니다. 이 때 발생하는 기계적인 에너지는 샤프트 회전을 발생시키고 이 회전속도는 분당 30~60회전이라고 가정합시다. 이 속도는 일반적인 발전기에 필요한 회전속도에는 턱없이 부족한 회전수입니다.
그래서 기어박스(증속기)라는 부품(큰기어와 작은기어의 조합)을 이용해 속도비를 만들어 냅니다. 실제 발전기 측 로터 샤프트의 회전속도는 1,000~1,800RPM 정도로 발전기에 필요한 속도만큼 증가하게 됩니다. 해상풍력의 경우는 접근성 저하로 기어박스의 유지관리가 쉽지 않기 때문에 발전 용량에 따라 블레이드와 발전기를 개량을 통해 증속기가 없는 직접 구동 방식을 활용하는 경우도 많습니다.
증속기에 전달된 회전력으로 발전기의 Rotor 샤프트가 고속 회전합니다. 그러면 여자된 회전자가 시간에 따라 변화하는 자기장을 만들어 발전기의 고정자 부위에서 유기기전력이 발생하여 전기에너지가 나오게 됩니다. 유기되는 기전력은 발전기 사양마다 다르지만 통상 690V 이상의 사양이 많고, 이대로는 계통에 연계할 수 없기 때문에 승압을 해주어야 합니다. 직접 구동 방식(해상풍력)은 저속으로 발전하기 때문에 극수(pole)가 많은 발전기를 이용하게 됩니다. 극수가 많은 사양의 발전기여야 저속의 회전에서도 원하는 주파수(Hz)의 전기적인 출력을 만들어 낼 수 있기 때문입니다.
나셀은 선풍기의 전동기 박스와 비슷합니다. 풍력발전기에 필요한 주요 구성요소가 포함되어 있는 몸통입니다. 통상 구성부품을 모두 포함한 Assembly개념이며 이것을 나셀이라고 부릅니다.
선풍기 또한 회전 모드가 있습니다. 풍력발전기도 마찬가지이고 바람 방향을 측정하는 윈드베인과 Yaw Drive는 통신하여 Yaw Motor를 이용해 바람을 마주하는 방향으로 회전하게 됩니다. 바람을 마주해야 최대 효율을 뽑아낼 수 있겠죠. Yaw Drive는 Yaw Motor를 컨트롤하는 장치입니다. 서보모터를 컨트롤하는 Servo Drive와 원리적으로 다르지 않습니다.
컨트롤러는 풍력발전의 조건을 설정하는 장치입니다. 어느 정도의 풍속에서 발전을 시작해야 하고 혹은 과출력의 상황에는 Pitch를 조절하거나, Brake를 잡아야 합니다. 이러한 일련의 과정을 조정하는 장치입니다. 보통 풍속 3m/s에서 최소 운전조건이며 25m/s 이상에서는 운전을 멈추게 됩니다.
타워는 풍력발전기가 외부 압력에 의한 손상이 발생하지 않도록 적절히 피로강도나 좌굴강도로 설계됩니다. 결국 20년~25년 풍력발전기의 설계 수명에 따라 원활히 가동될 수 있도록 튼튼하게 발전기를 받치는 역할을 합니다. 풍력발전기의 대형화에 따라 블레이드가 길어져 타워 높이도 덩달아 커지는 경향이 있습니다. 국내 풍력 관련 기업 대부분이 이 타워 제작에 역량이 있습니다.
3. 관련 국내기업
10차 전력수급기본계획을 살펴보면 국내에서 해상풍력 위주로 신재생에너지 시장이 커질 것으로 보입니다. 위의 제주 탐라 해상풍력단지는 두산에너빌리티의 3MW급 발전기가 적용된 30MW급 발전단지입니다. 두산에너빌리티는 8MW급 발전기의 실증은 완료하였고 10MW급 개발단계에 있습니다. 국내에서는 유니슨도 10MW급 개발단계에 있으며 4MW급은 납품실적이 있습니다.
(1) 풍력터빈
- 두산에너빌리티
- 유니슨
- 효성중공업
- 휴먼컴퍼지트(블레이드)
울산 부유식 해상풍력 사업회사 중 하나인 KFW(Korea Floating Wind)에서 소개하는 자료를 보면 16MW급 터빈이 75개가 적용되어 발전량 규모가 1.2GW라고 소개하고 있습니다. 국내 터빈 메이커 제품은 아닐 가능성이 큽니다. 해상풍력 사업의 경우 먼 바다로 나가 최대의 발전량을 내야 하므로 기술력에서 앞선 외산 메이커의 제품이 적용될 가능성이 크다고 봅니다.
(2) 타워
- 씨에스윈드
- SK오션플랜트
- 세아제강지주
- 동국S&C
(3) 케이블
- LS
- 대한전선
(4) 해상풍력설치선
- 한화오션
- 삼성중공업
(5) 기타부품
- 효성중공업(발전기, 변압기, 차단기)
- 현대일렉트릭(발전기, 변압기, 차단기)
- LS Electric(변압기, 차단기)
- KT서브마린(해저케이블 설치)
위 제조사뿐만 아니라 관련된 다수의 메이커가 있습니다. 특히 폭증하는 해상풍력 시장 상황에서 생산공정이 비슷한 강관업체들이 타워시장에 진입하려고 계획하는 모습이 보입니다. 또한 풍력발전기에 들어가는 단조 부품, 베어링 등을 생산하는 업체도 있습니다.
이상 마치며, 다음번에 이어서 적도록 하겠습니다.
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