영국의 풍력, 파력 및 조력 발전 산업을 위한 무역 협회를 Renwable UK라고 합니다.
위 그림을 봐도 영국의 풍력발전은 엄청난 규모임을 알 수 있습니다. 2022년 기준 자국 전기생산의 24.6%를 풍력발전이 담당하고 있습니다. 이에 비해 우리나라의 2022년 기준 전기생산의 0.6%를 풍력발전이 담당하였습니다. 우리나라와 산업구조가 비슷한 제조업 기반의 중국은 자국 전기생산의 8.6%를 풍력발전이 담당하였습니다. 수치를 보면 안타깝지만서도 앞으로의 풍력산업 cycle이 기대되기도 합니다.
앞선 글에서 풍력발전의 기계적인 요소를 살펴보았습니다. 결국 이것을 배치하여 육지 계통과 연계해야 발전원으로서 쓸모가 있는 것이겠죠? 풍력발전기 원리와 설치 및 계통 연계 등을 간단하게 살펴보겠습니다.
1. 풍력 발전기 원리
| 구분 | 특징 | 장점 | 단점 |
| 고속DFIG | ●높은 기어비 기어박스 ●DFIG 발전기 |
●저비용 | ●낮은 효율 ●유지보수 불리 |
| 고속PMSG | ●높은 기어비 기어박스 ●영구자석형 발전기 |
●높은 발전기 효율 | ●유지보수 불리 |
| 중속PMSG | ●중속형 기어박스 ●영구자석형 발전기 ●기어박스-발전기 일체형 |
●소형/경량화 가능 | ●유지보수 불리 |
| Direct Drive PMSG | ●기어박스 없음 ●대형 영구자석형 발전기 |
●낮은 에너지 손실 ●고장 부품이 적음 |
●발전기 중량 증가 ●고비용(희토류) |
풍력발전기는 기어박스의 유무에 따라 직접구동(direct drive)과 간접구동(geared)으로 구분되며 많이 사용됩니다. 발전기 형식으로 이중 여자형 유도발전기(Doubly Fed Induction Generator, DFIG)와 영구자석동기발전기(Permanant Magnet Synchronous Generator, PMSG)가 근래 많이 사용되고 있습니다.
먼저 DFIG에 대해서 살펴보겠습니다.
(1)DFIG
DFIG는 일종의 유도발전기입니다. 유도발전기에 대해서 먼저 이해할 필요가 있습니다.
계통의 부하(Load)가 많아진다고 생각해 봅시다. 무거워진 부하만큼 고정자(Stator)의 자계 회전속도가 느려지며 회전을 위해서는 더 큰 회전자(Rotor)의 토크가 필요하게 됩니다. 자연스러운 현상이겠죠. 이때 발생하는 회전자와 고정자 간의 속도의 차이를 slip이라고 합니다.
상대적으로 회전자(Rotor)는 빠르고 고정자(Stator)는 느려지게 됩니다. 그것을 "slip 커진다"라고 합니다. 발전기 영역에서는 slip<0 이기 때문에 정확히는 절대값이 커진다고 볼 수 있습니다. 유도기에서는 결국 slip으로 고장자와 회전자 사이에 시간에 따른 자속의 변화를 만들어 주어서 유기기전력을 만들어 낼 수 있습니다.
이제 풍력발전기를 생각해 봅시다. 실제 풍력 터빈의 Rotor Shaft의 회전속도는 바람이 강할 수도, 혹은 적을 수도 있습니다. 자연을 마음대로 Control 할 수는 없겠죠. 하지만 발전기로 동작하려면 항상 회전속도가 빨라야 합니다.
이 때문에 Grid Side로부터 정류기와 인버터를 사용하여 3상 전원을 회전자 측으로 공급합니다. 인버터를 굳이 사용해야하는 이유는 주파수 조정에 있습니다. 인버터 및 슬립링, 브러쉬를 사용해 회전자측의 회전자계를 빠르게 혹은 늦게 속도를 조정하는 것으로 실제 Rotor Shaft의 회전속도를 Control 하는 것처럼 만들 수 있습니다. 결국 기계적인 Rotor Shaft의 회전속도를 Pitch System과 Yawing System이 조절하고, 전기적인 회전속도를 정류기와 인버터로 조절하여 연계해야 할 계통에 맞춥니다. 이렇게 되면 바람이 가변속해도 운전하는데 계통연계에 지장이 없게 됩니다.
결국 바람은 통제할 수 없지만 동기발전기처럼 일정한 주파수를 얻어야 하기에 이와 같은 부속장치를 사용하는 것입니다. 이러한 구조를 DFIG 라고 부릅니다. 대다수에 적용되는 유도발전기입니다.
(2)PSMG
보통의 동기발전기는 회전계자형이라고 부르며, 회전자 측 계자전류를 별도로 Control 하여 원하는 유기 기전력을 만들어 냅니다. 하지만 PSMG에서 조금 다른 건 Rotor에 영구자석을 부착시켜 계자전류를 별도로 Control 하지 않는 상태에서 바람에 의해 회전에 의해 전기적인 출력을 만들어 낸다는 것입니다. 이 전기적인 출력은 정류기, 컨버터, 인버터를 거쳐 계통연계 됩니다. 10MW급이라고 하면 이러한 전기부품의 용량도 상당히 커야 하고 고가일 것입니다.
보통 PSMG는 고장확률이 높은 기어박스를 빼고 직결하는 형식이 많기에 극수가 많은 발전기를 사용해야 합니다. 기어박스는 통상 고장이 많은 부품 중 하나입니다. 기어박스가 빠지면서 보수할 부분이 절감되는 효과가 있습니다. 또한 계자를 Control 하기 위한 슬립링, 브러쉬같은 기계요소가 없는 것도 장점입니다. 극수가 많은 발전기를 적용해야 하는 만큼 중량이 무거워지고, 가격도 비싸집니다.
때문에 해상풍력 등 10MW급 이상 큰 터빈에 사용하겠죠.
2. 풍력발전 전력계통 구성
앞서 풍력발전기에서 출력되는 전압은 보통 690V 사양이라고 하였습니다. 690V 정도의 전압으로는 계통연계가 불가능하기 때문에 승압을 해주어야 합니다. 이때 사용하는 것이 변압기입니다.
변압기는 발전기에서 출력된 전압을 승압하여 배전급의 전력망 전압으로 승압하는 역할을 합니다. 우리나라의 경우 배전전압이 22.9kV이기 때문에 동일한 전압을 적용하면 규격화되어 있는 케이블 및 차단기를 적용할 수 있기에 계통연계가 편리합니다.
나라마다 조금씩 다르지만 대체로 해상풍력의 경우 이 내부 전력망(해상풍력단지 내)에 설치되는 해저케이블은 정격전압 약 35kV 이하의 케이블로써 풍력터빈과 풍력터빈 사이, 풍력터빈과 해상변전소를 연결하는 데 사용됩니다.
그리고 해상변전소에서 내부 전력망을 적절히 변압기 용량 단위로 적절히 엮어 계통을 구성합니다. 이 구성을 하여 해상변전소에서 최종 승압 과정을 거쳐 외부 전력망(기존 송전계통)에 엮이는 것입니다. 외부 전력망에 설치되는 케이블은 정격전압 약 35∼600kV 사이의 케이블로서 해상변전소와 육상변전소를 연결하기 위해 사용됩니다.
송전방식에 따라 HVDC(High Voltage Direct Current)의 경우 해상변전소가 아닌 전력 변환용 플랫폼이 설치되지만, 현재 운영되고 있는 대부분의 해상 풍력단지에서는 HVDC보다는 HVAC(High Voltage Alternative Current)가 보다 경제적이기 때문에 해상변전소를 설치하여 HVAC 송전방식으로 운영하고 있습니다. 앞서 1부에서 밝힌 국내 관련 기업 중 발전기, 송배전 계통 부품, 케이블 등의 국내기업은 세계적인 기술력을 갖고 있습니다. HVDC해저케이블뿐만 아니라 국산 변압기 수출은 아주 잘되고 있습니다.
"역시 한국산" 해상풍력 '안방'서 2조 잭팟…K-전선, 꽃길 걷나 (msn.com)
"역시 한국산" 해상풍력 '안방'서 2조 잭팟…K-전선, 꽃길 걷나
#지난 5월 네덜란드·독일 TSO(송전망운영사) 테넷(TenneT)이 발표한 총 55억 유로(약 7조8000억원) 규모 해상풍력 케이블 프로젝트 계약 체결 기업 명단에 이름을 올린 유일한 비(非)유럽 기업 LS전선.
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| 해저 AC케이블 | 해저 DC케이블 |
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이때 해상변전소에서 외부 전력망과의 계통이 물리적으로 길 경우, 통상 50km 정도로 보는데 이 경우 HVDC(초고압 직류송전)가 경제적인 측면에서 유리한 경우도 있습니다. 어쩌면 풍속이 높은 바람을 얻기 위해 먼 바다로 나가는 해상풍력단지의 경우 해상플랫폼과 육상변전소까지의 거리가 멀기에 HVDC 사용은 필연적이라고 볼 수도 있겠습니다. 풍력발전이 활발한 유럽에서는 자국의 해상풍력단지에 HVDC 시스템을 채용하여 적용하는 경우가 있습니다.
이렇게 육상변전소까지 케이블을 타고 온 전기에너지는 소비자에게 공급됩니다.
3. 해상풍력발전기 설치
대우조선해양, 대형 해상풍력발전기 설치선 수주 - 투데이에너지 (todayenergy.kr)
대우조선해양, 대형 해상풍력발전기 설치선 수주 - 투데이에너지
[투데이에너지 송명규 기자] 대우조선해양이 대형 해상풍력발전기 설치선 추가 수주에 성공했다. 지난 1일 LNG운반선 6척을 수주한데 이어 이번주에만 약 1조9,000억원 상당의 선박을 수주해 안정
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육상 이격거리가 멀고 수심이 깊은 곳에서 단지개발이 이루어지는 해상에서는 1단계로 중량물 운반선으로 하부 구조물을 설치하고, 2단계에서 여러 대의 풍력발전기를 운송해 현장에서 조립하게 됩니다. 이격거리가 멀기에 선박의 왕복 횟수를 줄여야 단지개발 비용을 줄일 수 있다.
많은 터빈을 적재하려면 조립된 상태로 적재하는 것보다 부품 상태로 적재합니다. 부품 상태로 운송하여 현지에서 대형 크레인으로 조립하게 되는데, 바람이 강하고 파도가 많은 외해에서 상공의 볼트조립 작업을 하려면 선체를 흔들리지 않도록 고정하는 것이 필수입니다. 이를 위해 선박 전체를 수면위로 들어 올려 고정할 수 있는 잭업시스템을 사용합니다. 이 잭업시스템은 선박에서 길이 70~80m 기둥 3~4개를 해저에 내려 선박을 들어 올려 고정합니다.
고무적인 것은 해상풍력 설치선은 상당히 고가입니다. 21년도 기준으로 과거 대우조선해양에서 3,800억 원에 수주한 이력이 있으며 현재시점 수주하는 LNG선 3,300억 원에 비교해서도 싸지 않습니다. 오히려 전 세계 도크가 가득 찬 지금 시점에서 해상풍력 설치선을 국내 조선소에 발주하려면 도크를 차지하기 위해 가격이 예상 밖의 엄청난 금액일 수 있습니다.
터빈의 대형화에 맞추어 해상풍력 설치선의 크기도 커져야 하므로 2030년까지 중국 혹은 국내 조선소에 해상풍력 설치선이 발주될 것이라 봅니다.
4. 맺음말
풍력발전 출력 제한 해소...정부, 에너지저장장치 구축 추진 - 제주일보 (jejunews.com)
풍력발전 출력 제한 해소...정부, 에너지저장장치 구축 추진 - 제주일보
제주지역 신재생에너지 발전시설 가동 중단(출력 제한)을 해결할 에너지저장장치(ESS) 구축 사업이 본격화된다.산업통상자원부는 30일 한국에너지기술평가원에서 ‘에너지 스토리지(저장장치)
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해상풍력의 설비용량 증가에 따라 출력제한 조치도 증가할 것으로 보입니다. 왜 출력제한이 될까요?
신재생에너지 발전량이 증가할수록 화석연료 발전과의 연계가 매우 중요하게 됩니다. 바람의 양은 인간이 조절할 수 없는 영역이기 때문입니다. 화석연료 발전은 부하가 많아질 경우 연료원 즉 가스와 석탄을 더 투입하여 열량을 더 만들어 내는 것으로 계통이 발전량을 맞출 수 있습니다. 이 때문에 인간이 Control 할 수 있는 영역이 첨두부하를 맡게 됩니다.
신재생은 기저부하 영역을 맡기에도 원자력처럼 출력이 일정하지 않아 결국 그 나머지의 부분을 화력발전이 해주어야 합니다. 하지만 화력발전의 발전량을 순간적으로 조정하는 것이 한계가 있기에 결국 신재생에너지 출력제한 조치를 하고 화력발전을 가동하는 것입니다. 결국 설비용량이 커져도 이용하지 못하는 것입니다.
저는 설비용량을 키우는 것도 좋지만 결국 이용률을 향상하려는 조치가 필요하다고 봅니다. 대안은 현재로서는 ESS 정도가 있겠죠. 배터리는 결국 안정성의 문제가 있고 급전 계통 대용량의 전력을 저장하기에는 부지 면적 확보 등 기술적인 한계가 있다고 봅니다.
결국 기술이 진보되어 수전해 기술에 기반한 그린수소 및 암모니아로 남는 전력을 저장해야 합니다. 이 모든 행위가 한탕 해먹을 생각, 관료적인 생각에서가 아닌 실증가능하고 효율적인 방법으로 이행되어야 실제 온실가스 절감에 기여할 수 있을 것입니다.
앞서 1부에서 적은 것과 같이 풍력발전기 그 자체로는 화석연료 덩어리일 뿐입니다. 온실가스 발생을 막고자 온실가스를 더 만들어 내는 우를 범하지 않았으면 좋겠습니다.
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