해상풍력발전

1. 개요

해상풍력발전은 바다에 풍력 발전기를 설치하여 전기를 생산하는 기술이다. 1991년 덴마크에서 최초로 건설된 이후 유럽을 중심으로 성장했으며, 2021년에는 중국이 누적 설치 용량 세계 1위를 기록했다. 해상풍력발전은 육상 풍력 발전의 단점을 보완하며, 높은 풍속과 넓은 해상 자원을 활용할 수 있다는 장점이 있다. 주요 기술로는 기초 형식, 송전망 연결 방식, 설치 기술, 유지 보수 등이 있으며, 수심과 해저 지반 조건에 따라 다양한 기초 형식이 사용된다. 해상풍력발전은 환경 영향, 높은 초기 투자 비용, 복잡한 인허가 절차, 주민 수용성 확보 등의 과제를 안고 있지만, 탄소 중립 시대의 핵심 에너지원으로서의 중요성이 커지고 있다.

2. 역사

1991년 덴마크에 세계 최초의 해상풍력발전소인 빈데비가 건설된 이후, 유럽을 중심으로 해상풍력발전이 빠르게 성장하였다. 초기에는 기술적, 경제적 어려움이 있었으나, 기술 발전과 각국의 지원 정책에 힘입어 발전 용량이 꾸준히 증가하였다. 2000년대 후반부터는 중국, 미국 등 유럽 외 국가에서도 해상풍력발전 투자가 확대되었다.

2.1. 세계 해상풍력발전의 성장

유럽은 해상 풍력 발전 분야의 선두 주자로, 1991년 덴마크에 최초의 해상 풍력 발전소인 빈데비가 설치되었다. 2010년대 중반까지 유럽 국가들이 주도하였으며, 영국, 덴마크, 벨기에, 독일, 네덜란드 순으로 높은 발전 용량을 보유했다.

2010년대 후반부터 중국이 급격한 성장세를 보였다. 중국 정부는 2020년까지 30GW의 설치 용량 목표를 세웠고, 2021년에는 누적 설치 용량 세계 1위를 달성했다.

미국은 2010년대 후반부터 해상 풍력 발전 투자를 확대하고 있으며, 특히 동부 해안 지역을 중심으로 대규모 프로젝트가 추진되고 있다.

2022년, 해상 풍력 산업은 8.8 GW를 추가하여 전년 대비 16% 증가한 64.3 GW의 전 세계 용량을 기록했다.

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연도별 누적 해상풍력 발전 설비 용량 (MW) 국가별 목록

순위	국가	2016	2017	2018	2019	2020	2021	2022	2023
1	중국	1,627	2,788	4,588	6,838	9,996	19,747	26,563	31,527
2	영국	5,156	6,651	7,963	9,723	10,428	12,281	13,601	14,741
3	독일	4,108	5,411	6,380	7,493	7,689	7,701	8,043	8,300
4	네덜란드	1,118	1,118	1,118	1,118	2,611	3,010	3,010	5,269
5	덴마크	1,271	1,268	1,329	1,703	1,703	2,343	2,343	2,343
6	벨기에	712	877	1,186	1,556	2,261	2,263	2,263	2,263
7	프랑스	0	2	2	2	2	2	482	978
8	대만	0	8	8	128	128	237	237	613
9	베트남	99	99	99	99	99	99	396	496
10	일본	60	65	65	85	85	85	225	346
11	스웨덴	202	202	192	191	192	191	191	191
12	대한민국	35	38	73	73	136	104	112	112
13	노르웨이	2	2	2	2	2	6	8	96
14	핀란드	32	92	87	71	71	71	71	71
15	미국	30	30	30	30	42	42	42	42
16	이탈리아	0	0	0	0	0	0	30	30
=17	아일랜드	25	25	25	25	25	25	25	25
=17	포르투갈	0	0	0	0	0	25	25	25
19	스페인	5	5	5	5	5	5	5	7
| 전 세계 합계 || 14,482 || 18,658 || 23,140 || 29,142 || 35,500 || 48,176 || 57,609 || 67,475
| 증가율 || - || 28.8% || 24.0% || 25.9% || 21.8% || 35.7% || 19.6% || 17.1%

2.2. 대한민국 해상풍력발전의 역사

2023년 6월, 포항시와 신안군이 공공주도 대규모 해상풍력 단지개발 지원사업에 선정되었다. 또한, 해상풍력 전용 설치선인 현대 프론티어호가 출항식 이후 제주 한림해상풍력발전 공사에 투입될 예정이다.

3. 필요성

육상풍력발전은 터빈 대형화에 따른 소음, 설치 및 운반 문제, 시각적 위압감 등의 문제가 있어, 이러한 문제의 해결책으로 해상풍력발전이 고안되었다. 해상은 육상보다 풍속이 강하고 안정적이며, 난기류가 적어 풍력 발전소를 건설하면 더 큰 전력을 공급할 수 있다. 또한, 해상 풍력 터빈은 대도시와 같이 해안을 따라 하중 중심에 가깝게 위치할 수 있으므로 새로운 장거리 송전선이 필요하지 않다.

일본의 배타적 경제 수역은 세계 6위로 광대한 면적을 가지고 있어, 해상풍력발전의 잠재력이 매우 크다. 국제 에너지 기구(IEA)의 2019년 보고서(Offshore Outlook 2019)에 따르면, 일본의 해상풍력발전의 기술적 가능한 용량은 일본의 수요 전력의 10배 가까이 존재한다고 지적했다.

4. 주요 기술

해상풍력발전은 기초 형식, 송전망 연결 방식, 설치 기술 등으로 구분할 수 있다.

국제재생에너지기구(IRENA) 보고서에 따르면, 2022년 신규 해상 풍력 발전 프로젝트의 전력 비용은 kWh당 0.079달러에서 0.081달러로 전년 대비 증가했다. 이는 자재 및 장비 비용 상승 추세에도 불구하고 육상 풍력 및 태양광 발전(PV) 같은 다른 재생 에너지원의 감소 추세와 대조적이다.

국립재생에너지연구소(NREL) 연구원들은 2035년까지 해상 풍력 에너지 비용이 감소할 것으로 예측한다. 고정식 해상 풍력의 균등화 비용은 2021년 메가와트시(MWh)당 75달러에서 2035년 53달러/MWh로, 부유식 해상 풍력은 207달러/MWh에서 64달러/MWh로 감소할 것으로 추정한다. 이러한 비용 추정치는 공급망, 항만, 송전 시스템 같은 인프라 발전을 바탕으로 전 세계 해상 풍력 에너지 배치가 9배 증가할 것이라는 예측에 기반한다.

해상풍력 발전 디자인 가이드라인은 IEC 61400-3에 기재되어 있다.

해상풍력 발전 터빈은 접근이 어려운 해상에 설치되므로 육상 풍력 발전에 비해 신뢰성이 중요하다. 선박을 이용한 정기적인 접근 수단이 필요하며, 기어 박스 교체 등 중공업적인 작업을 위해 잭업 리그(해양 굴착 장치)도 필요하다.

4.1. 기초 형식

기초(foundation)는 해상풍력 터빈을 지지하는 구조물로, 수심, 해저 지반 조건 등에 따라 다양한 형식이 적용된다.

* 콘크리트 케이슨 타입(Concrete caisson type): 제작 및 설치가 용이하여 초기 해상풍력발전단지에 사용되었으며, Vindeby, 미델그룬덴, 뉘스테드 해상풍력발전단지 등에 적용되었다. 비교적 얕은 6m~10m 수심에서 사용 가능하며, 기초 직경은 12m~15m이다. 불량지반에서는 안정성 문제를 유발할 수 있다.

* 모노파일 타입(Monopile type): 현재 가장 많이 사용되는 방식으로, 25m~30m 수심에 설치 가능하다. 혼스 레브, 노스 호일, 스크로비 샌즈 해상풍력발전단지 등에 적용되었으며, 해저면에 대구경 파일(pile)을 항타(Driving) 또는 드릴링(Drilling)하여 고정한다. 기초 직경은 3m~3.5m이며, 부재에 대한 피로 하중이나 부식 문제가 있다.

* 자켓 타입(Jacket type): 20m~80m 수심에 설치 가능하며, 영국의 "The Talisman Beatrice Wind Farm Demonstrator" 프로젝트에서 적용되었다. 자켓식 구조물로 지지하고 말뚝 또는 파일(pile)로 해저에 고정하는 방식이다. 대수심 해양 구조물로 실적이 많아 신뢰도가 높다.

* 부유식 타입(Floating type): 40m~900m 수심에 설치 가능하며, 미래 심해상 풍력발전의 핵심 기술로 꼽힌다.

2009년 당시 유럽에서 표준적인 해상풍력 발전용 원동기는 1기당 3MW의 발전 능력이었다. 장래에는 이를 5MW까지 높일 것으로 기대되었다.

해상에서는 안정성을 위해 수심에 따라 다른 유형의 기초가 요구된다. 몇 가지 해결책은 다음과 같다.

* 수심 30m 미만: 직경 6m의 원통형 기초 이용.
* 수심 80m까지: 중력식 구조물, 삼각 파일 구조(Tripod piled structures), 삼각 흡착 케이슨 구조(Tripod suction caisson structures), 유전이나 가스전에서 볼 수 있는 강철 재킷 공법 이용.
* 더 깊은 수심: 부유식 해상풍력발전 이용.

4.2. 송전망 연결

해상풍력발전에서 생산된 전력을 육상으로 송전하는 방식은 여러 가지가 연구되고 있다.

* 인디비주얼 커넥션(Individual connection): 각 발전 단지를 개별적으로 육상 전력망에 연결한다. 케이블 길이가 가장 짧고, 문제 발생 시 위치를 쉽게 파악할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 케이블 연결에 필요한 면적이 넓고, 운영 유연성이 부족하며, 환경에 미치는 영향이 크다는 단점이 있다.
* 메시 그리드(Mesh Grid): 여러 발전 단지를 상호 연결하여 전력 전송 효율을 높이는 방식이다. 중개 송전로를 사용하여 부분 부하 시 효율 저하를 최소화할 수 있지만, 기술 및 상업성을 고려한 설계가 필요하며 투자 비용이 크다. 또한 전체 부하 시에는 다른 방식에 비해 장점이 없다.
* 레디얼 컨피겨레이션(Radial Configuration): 케이블 연결에 필요한 면적이 적어 인허가가 쉽고 환경 영향이 적다. 그러나 케이블 길이가 길어지고 운영 유연성이 부족하다는 단점이 있다.

해상 풍력 발전을 육상 전력망에 통합하기 위해 다양한 기술이 연구되고 있다. 가장 일반적인 방법은 고전압 교류(HVAC) 송전선을 이용하는 것이다. HVAC 송전선은 현재 해상 풍력 터빈의 전력망 연결에 가장 널리 사용되지만, 해상 터빈과의 거리가 멀어질수록 효율이 떨어지는 제한이 있다. 해저 AC 케이블은 가공 AC 케이블보다 정전 용량이 커서 전력 손실이 크고, 전압 크기가 달라질 수 있다. 이러한 손실을 보상하기 위해 케이블을 추가하거나 무효 전력 보상 시스템을 추가해야 하는데, 이는 비용 증가로 이어진다. 또한 HVAC 케이블은 유효 전력과 무효 전력을 모두 전송하므로 추가 손실이 발생할 수 있다. 이러한 이유로 지하 HVAC 선로는 연장 가능한 거리가 제한되며, 해상 풍력 발전에 적합한 최대 거리는 약 80km로 간주된다.

HVAC 케이블 대신 고전압 직류(HVDC) 케이블을 사용하는 방안이 제시되었다. HVDC 송전 케이블은 케이블 충전 전류의 영향을 받지 않고 무효 전력을 전송하지 않아 전력 손실이 적다. 손실이 적기 때문에 해저 HVDC 선로는 HVAC보다 훨씬 더 멀리 뻗을 수 있어, 먼바다에 풍력 터빈을 설치하는 데 유리하다. 그러나 HVDC는 AC 전력망에 연결하기 위해 전력 변환기가 필요하다. 선로 정류 변환기(LCC)와 전압원 변환기(VSC)가 모두 고려되었는데, LCC가 더 저렴하고 널리 사용되지만, VSC는 독립적인 유효 전력 및 무효 전력 제어 등 더 많은 이점을 제공한다. 최근에는 DC 케이블을 통해 VSC에 연결된 LCC를 갖는 하이브리드 HVDC 기술 개발에 대한 연구도 진행되고 있다.

해상 풍력 터빈에서 육상 에너지 플랜트로 에너지를 효율적으로 전달하기 위해 해저 케이블 설치가 필요하다. 케이블은 대량의 전류를 효과적으로 전송해야 하므로, 케이블에 사용되는 재료를 최적화하고 케이블 경로를 결정하여 케이블 재료 사용량을 최소화해야 한다. 케이블 비용을 줄이기 위해 구리 도체를 알루미늄 도체로 바꾸는 방법이 있지만, 알루미늄은 구리보다 밀도가 낮아 케이블 움직임이 증가하고 손상될 수 있다는 문제가 있다.

4.3. 설치 기술

해상풍력 터빈은 크기가 매우 커서 설치를 위해서는 특수한 선박, 즉 잭업 설비가 필요하다. 2022년 이후에는 해상 풍력 터빈 설치 선박(WTIV)이 부족할 것으로 예상되며, 특히 10MW 이상 터빈을 설치할 수 있는 선박이 부족하여 2024년에는 수요가 공급을 초과할 것으로 보인다.

설치 과정은 일반적으로 다음과 같다.

1. 해저 지반 조사: 터빈 설치 위치의 해저 지반 상태를 파악한다.
2. 기초 설치: 해저 지반에 터빈을 고정하기 위한 기초 구조물을 설치한다. 현재 고정식 기초 해상 풍력 터빈은 수심 약 50m까지 설치할 수 있다.
3. 터빈 설치: 기초 위에 터빈을 설치한다.
4. 케이블 연결: 터빈에서 생산된 전력을 육지로 보내기 위한 해저 케이블을 연결한다.

최근에는 설치 효율을 높이기 위해 다양한 기술이 개발되고 있다. 수심 50m 이상에서는 부유식 기초 터빈이 필요하며, 현재 기술로는 최대 1km 깊이까지 설치할 수 있다.

4.4. 유지 보수

해상에 위치한 터빈은 접근성이 떨어지므로 육상 터빈보다 신뢰성 공학이 더 중요하다. 일상적인 접근에는 서비스 선박이나 헬리콥터가 필요하고, 기어박스 교체와 같은 대규모 정비에는 잭업 리그가 필요하다. 일부 해상풍력 발전소는 육상 기지에서 멀리 떨어져 있어 숙소 플랫폼에 서비스팀이 현장에 거주하기도 한다.

풍력 터빈 블레이드의 부식 영향을 제한하기 위해 탄성 재료의 보호 테이프를 사용하지만, 액적 침식 방지 코팅이 외부 요소로부터 더 나은 보호 기능을 제공한다.

전류 인가 방식 방식의 음극 방지(ICCP)는 풍력 터빈 모노파일 및 부유식 풍력 터빈 플랫폼을 보호하는 데 사용된다. ICCP 시스템은 현장 모니터링이 필요 없고 기존의 갈바닉 시스템보다 친환경적이고 비용 효율적이므로 부식 방지 솔루션으로 점점 더 인기를 얻고 있다.

유지 보수 조직은 구성 요소의 유지 보수 및 수리를 수행하며, 거의 모든 자원을 터빈에 투입한다. 블레이드를 검사하는 기존 방식은 작업자가 블레이드에서 로프 하강하여 터빈당 하루를 소요하는 것이다. 일부 발전소에서는 600mm 망원 렌즈를 통해 모노파일에서 사진을 찍어 하루에 세 개의 터빈 블레이드를 검사하여 올라가는 것을 피한다. 다른 곳에서는 카메라 무인 항공기를 사용한다.

해상 풍력 터빈은 원격 특성으로 인해 예후 및 상태 모니터링 시스템이 훨씬 더 필요해질 것이다. 이를 통해 적시 유지 보수를 더 잘 계획하여 운영 및 유지 보수 비용을 줄일 수 있다.

5. 환경 영향

해상풍력발전은 육상 풍력 발전에 비해 지구 온난화 잠재력이 매우 낮고, 소음 및 경관 영향도 적다는 장점이 있다. 그러나 해양 생태계에 미치는 영향에 대한 우려도 존재한다.

해상풍력발전기의 설치 및 운영은 유엔 해양법 협약(UNCLOS)에 따라 규제된다. 영해에서는 연안 국가가 완전한 주권을 가지며, 배타적 경제 수역(EEZ)에서는 풍력 발전을 통한 에너지 생산에 대한 배타적 관할권을 가진다. 배타적 경제 수역 너머 국제 해역에서는 해상풍력 시설의 법적 지위가 불분명하여, 국가 간 분쟁의 대상이 될 수 있다는 학계의 주장이 있었다.

2008년, 유럽 연합은 환경영향평가(EIA)를 핵심 요소로 하는 해양 전략 기본 지침을 마련하여 해상풍력 인프라가 해양 환경에 미치는 부정적인 영향을 완화하고 있다. 일본의 배타적 경제 수역은 세계 6위로 광대한 면적을 가지고 있어 해상풍력발전의 잠재력이 매우 크다. 2019년 4월에는 해상풍력발전 보급법이 시행되기도 하였다.

5.1. 긍정적 영향

해상 풍력 터빈의 기초는 인공 어초 역할을 하여 해양 생물의 서식지를 제공할 수 있다. 또한 해상풍력발전은 소음, 경관 훼손 등 육상 풍력 발전의 문제점을 해결할 수 있다는 장점이 있다.

5.2. 부정적 영향

해상풍력 발전소 건설 과정에서 발생하는 소음과 진동은 돌고래, 물개 등 해양 생물에게 신체적, 행동적 변화를 일으켜 스트레스를 유발할 수 있다. 터빈과의 충돌은 바닷새의 이동 경로를 변경시켜 이동 종으로서의 생존에 영향을 줄 수 있으며, 시각 및 소음 영향으로 인해 바닷새의 행동 변화를 유발할 수 있다.

해저 케이블 설치는 해저 표면 퇴적물에 간섭을 일으켜 해양 서식지를 교란할 수 있다. 또한, 침입성 외래종에게 적합한 서식지를 제공하여 생물 다양성을 불안정하게 만들고, 다른 해양 생물의 멸종을 초래할 수 있다는 위협이 제기된다.

2015년 이후 미국 동부 해안에서 고래 사망이 급증했으나, 2023년 8월 현재 뉴저지 해안에서 풍력 발전소 건설이 시작되지 않았기 때문에 해상풍력과의 연관성은 낮다. 미국 해양 대기청(NOAA)은 선박 충돌과 어망 얽힘을 주요 원인으로 보고 있다.

스페인의 연구에 따르면 해상풍력 발전소의 시각적 존재는 레크리에이션 관광 수요를 감소시켜 해안 지역 사회에 부정적인 경제적 결과를 초래할 수 있다.

5.3. 환경 문제 해결 노력

해상풍력발전은 환경에 미치는 영향을 최소화하기 위해 여러 노력을 기울이고 있다. 대한민국에서는 해상풍력발전 사업을 시작하기 전에 환경영향평가(Environmental Impact Assessment)를 의무적으로 실시하도록 규정하고 있다. 이를 통해 해양 생태계, 해저 지형, 해양 생물 등에 미칠 수 있는 잠재적인 부정적 영향을 사전에 파악하고, 이를 최소화하기 위한 방안을 마련한다.

해양 생태계 보호를 위한 기술 개발 및 연구도 활발하게 진행되고 있다. 예를 들어, 외르스테드와 같은 해상풍력 전문 기업은 세계자연기금(WWF)과 같은 환경 단체와 협력하여 해상풍력 발전 시설이 생물 다양성에 긍정적인 영향을 미칠 수 있도록 노력하고 있다. 또한, 바텐팔과 같은 기업은 기후 변화 관련 프로젝트를 지원하기 위해 지역 사회에 투자하기도 한다.

이러한 노력들은 해상풍력발전이 지속 가능한 에너지원으로 자리매김하는 데 중요한 역할을 한다.

6. 법적 규제

source^영어 문서에는 '해상풍력발전' 문서의 '법적 규제' 섹션에 대한 내용이 없으므로, 해당 섹션은 작성할 수 없습니다.

7. 국내 현황

2023년 6월, 포항시와 신안군이 공공주도 대규모 해상풍력 단지개발 지원사업에 선정되었으며, 현대 프론티어호가 제주 한림해상풍력발전 공사에 투입될 예정이다.

대한민국의 해상풍력 발전 설비 용량은 다음과 같다.

다음은 전 세계 해상풍력 발전 설비 용량(MW)을 국가별로 정리한 표이다.

8. 과제 및 전망

해상풍력발전은 여러 과제를 안고 있지만, 탄소중립 시대의 핵심 에너지원으로 성장할 잠재력이 크다.

해결 과제

* 높은 초기 투자 비용: 해상풍력발전소 건설에는 육상풍력발전보다 훨씬 큰 비용이 들어간다.
* 복잡한 인허가 절차: 대한민국에서는 해상풍력발전 사업 추진을 위한 인허가 절차가 복잡하고 오래 걸려 사업 추진에 어려움을 겪고 있다.
* 해양 생태계 영향: 해상풍력발전소 건설 및 운영이 해양 생태계에 미치는 영향에 대한 우려가 존재한다.
* 주민 수용성 확보: 발전소 주변 지역 주민들의 반대와 어업권 침해 문제 등은 해결해야 할 과제이다.

기술 개발 및 제도 개선

* 부유식 해상풍력발전: 깊은 수심에서도 발전이 가능한 부유식 해상풍력발전 기술은 대한민국 해상풍력발전의 잠재력을 크게 확대할 수 있다.
* 해상풍력발전 설치 기술 발전: 특수 잭업 설비 (풍력 터빈 설치 선박)를 통해 기초와 터빈을 설치한다. 차세대 선박이 건조되고 있으며, 160m까지 3~5,000톤을 들어 올릴 수 있다.
* 계류 시스템 및 하부 구조: 부유식 시스템용 계류 라인의 동적 특성과 기초 및 하부 구조는 해상풍력 시스템의 큰 부분을 차지하며, 이러한 요소들을 모두 고려해야 한다.
* 부식 방지 기술: 해상 풍력 터빈은 끊임없이 소금과 물에 노출되기 때문에, 음극 보호와 수소 취성의 일반적인 원인인 부식 피팅을 줄이기 위한 코팅 사용이 필요하다.
* 정부 지원: 대한민국 정부는 해상풍력발전 산업 육성을 위해 적극적인 정책 지원과 규제 개선을 추진해야 한다.
* 이해 관계자 협력: 정부, 기업, 지역 주민, 환경 단체 등 다양한 이해 관계자 간의 소통과 협력을 통해 해상풍력발전 관련 갈등을 해결해야 한다.

미래 전망

* 탄소중립 기여: 해상풍력발전은 대한민국이 2050년 탄소중립 목표를 달성하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있다.
* 경제 성장 동력: 해상풍력발전 산업은 조선, 해양 플랜트 등 관련 산업 발전을 이끌고, 새로운 일자리를 창출하여 대한민국 경제에 새로운 성장 동력이 될 수 있다.
* 에너지 안보 강화: 해상풍력발전은 수입 에너지 의존도를 낮추고, 대한민국의 에너지 안보를 강화하는 데 기여할 수 있다.
* 일본의 해상풍력 발전: 일본의 배타적 경제 수역은 세계 6위로 광대한 면적을 가지고 있어, 해상풍력발전의 잠재력이 매우 크다. 국제 에너지 기구(IEA) Offshore Outlook 2019에 따르면, 일본의 해상풍력발전의 기술적 가능한 용량은 일본의 수요 전력의 10배 가까이 존재한다고 지적했다.