고정식 vs 부유식 | 부유식 해상 풍력발전단지 가이드

고정식 해상풍력과 부유식 해상풍력 차이

2024년 말까지 설치된 글로벌 해상 풍력의 누적 용량은 약 80GW에 달한다. 이 중 약 200MW만 부유식이고, 나머지는 해저 고정식이다. 고정식 해상 풍력 프로젝트는 일반적으로 기초 구조물의 두 가지 기본 설계 중 하나를 사용한다. 다음에서 확인해 보자.

모노파일

속이 빈 강철 관을 해저에 박는 방식이다.
해저 지면 상태에 따라 최대 약 50m 수심에서 가장 저렴하게 기초 구조물 구축이 가능하다.

모노파일 기초 구조물 예시.

재킷

일반적으로 핀파일 또는 석션 버켓을 사용하여 해저에 고정하는 3~4개의 다리가 있는 격자형 구조이다.
일반적으로 재킷은 약 60m 미만의 수심에서는 모노파일보다 제조 및 설치 비용이 비싸다. 그러나 수심이 더 깊거나 모노파일 설치 비용이 비싸지는 까다로운 지반 및 하중 조건이 있는 위치에서는 비용대비 효율적일 수 있다.

운송 중인 재킷 기초 구조물 예시

고정식 해상 풍력 기초 구조물은 일반적으로 해상 풍력발전단지 건설 시 가장 비용이 적게 들지만, 얕은 수심에만 설치가 가능하다는 한계점이 있다. 고정식 기초 구조물은 최대 55m의 수심에 설치되었으며, 향후 75m 수심에서도 프로젝트가 계획되어 있다. 기술과 제조 기법이 발달함에 따라 이러한 수심 제한은 점차 확대되고 있다. 고정식 풍력 기초 구조물이 점점 더 깊은 수심에 설치할 수 있게 됨에 따라, 부유식 풍력 기초 구조물에 대한 수요가 영향을 받을 수 있다.

왜 부유식 해상 풍력을 사용해야 할까?

부유식 하부 구조물 덕택에 고정식 해상 풍력 프로젝트를 개발할 수 없는 심해 지역에서 해상 풍력 프로젝트 보급이 가능하다. 여기에는 다섯 가지 주요 장점이 있다.

신규 시장에서 해상 풍력 사용 허용

현재 건설된 거의 모든 해상 풍력 설비 용량은 고정식이며 북유럽 같이 넓고 얕은 대륙붕이 있는 시장에 위치하고 있다.
부유식 하부 구조물을 사용하면 미국, 일본, 한국의 서해안처럼 수심이 얕은 지역에서도 프로젝트를 개발할 수 있다.

기존 시장의 해상 풍력 설비 용량 증대

부유식 해상 풍력은 새로운 해저 지역에서 개발이 가능해, 국방, 어업, 해양 골재 채취, 관광, 보전 등 다른 인간 활동으로 인해 이용 제한이 있는 해저 지역과 경합의 필요성을 줄일 수 있다.
일반적으로 덜 혼잡한 지역에서 진행하는 프로젝트는 이해 관계 충돌이 적어 더 확실하게 개발할 수 있다. 과거에는 법적 분쟁으로 인해 해당 지역에서의 개발업체의 개발이 지연되거나 차단되기도 했다.
해저 조건으로 인해 고정식 기초 구조물 설치에 어려움이 생기는 지역(예: 단단한 퇴적물로 시추가 필요하거나 연약한 해저 지변에서 안정성을 위해 말뚝을 깊게 박아야 하는 지역)에서는 부유식 해상 풍력이 바람직할 수 있다.

원유 및 가스 생산 과정에서 배출되는 배출량 감축

부유식 해상 풍력발전단지는 화석 연료에 주로 의존하고 고정식 해상 풍력 터빈을 설치하기에는 너무 깊은 해역에 위치한 해상 석유 및 가스 시설에 전기를 공급할 수 있다.
예를 들어, Equinor의 88MW Hywind Tampen 프로젝트는 걸팍스와 스노어 해상 현장에 있는 수심 300m의 노르웨이 플랫폼 5곳에 전력 수요의 약 35%를 공급할 수 있을 것으로 예상한다.

에너지 포집 증대

전체 해양 면적의 약 80%는 고정식 기초 구조물을 짓기에 너무 수심이 깊다.
많은 심해 부지는 고정식 해상 풍력 발전 위치보다 풍력 자원이 더 강력한 먼 바다에 위치해 있다.
예를 들어, 2020년 영국 고정식 해상 풍력발전단지의 평균 설비이용률은 45%였다.^[1] 이는 해당 프로젝트에서 해양에서 지속적으로 강한 바람이 있었다면 생산될 수 있는 이론적 최대 생산량의 절반에 조금 못 미치는 양이 생산되었음을 의미한다. 영국 최초의 부유식 해상 풍력발전단지의 경우, 같은 12개월 동안 설비이용율이 57.1%로 영국에서 가장 높았다.^[2]
많은 부유식 개발 지역은 이미 개발이 완료된 고정식 해상 풍력 프로젝트와는 다른 풍력 환경의 영향을 받기 때문에, 연중 또는 일마다 발전량 프로필이 달라진다. 이로 인해 부유식 프로젝트는 광범위한 에너지 시스템 내에서 고정식 해상 풍력 프로젝트를 보완할 수 있다.

현지에 경제적 이익 제공

고정식 해상 풍력 기초 구조물은 일반적으로 전 세계의 전문 제조 시설에서 제조되기 때문에 해상 풍력발전단지 개발 지역에 경제적 이익을 거의 제공하지 않는다.
부유식 하부 구조물은 일반적으로 고정식 기초 구조물보다 크고 무겁기 때문에 보관 및 장거리 운송이 어렵다. 즉, 부유식 하부 구조물은 향후 부유식 해상 풍력발전단지와 가까운 항구에서 처음부터 또는 조립식 부품을 사용하여 생산해야 된다는 것을 의미한다.
이는 상당한 투자를 유도하고 부유식 해상 풍력발전단지와 가까운 항구에서 일자리를 창출할 것이다.

^[1]The Crown Estate, ‘Offshore Wind Report’, 2021, https://www.thecrownestate.co.uk/media/4095/2021-offshore-wind-report.pdf에서 확인 가능, 마지막 액세스: 2022년 6월

^[2] Equinor, ‘Hywind Scotland는 영국 최고의 해상 풍력발전단지임. 2021년 3월 23일. https://www.equinor.com/news/archive/20210323-hywind-scotland-uk-best-performing-offshore-wind-farm에서 확인 가능, 마지막 액세스: 2022년 7월

부유식 해상 풍력 성장의 장애물

부유식 해상 풍력 시장은 향후 10년 동안 획기적으로 성장할 것이다. 부유식 해상 풍력 프로젝트의 성장 속도는 주로 다음의 세 가지 장애물을 얼마나 빨리 극복할 수 있는지에 달려있다.

높은 비용

현재 부유식 해상 풍력 에너지의 MWh 당 비용은 고정식 해상 풍력 프로젝트 비용보다 높다. 이는 부유식 해상 풍력발전단지가 정부가 운영하는 가격 지원 제도에 의존한다는 것을 의미한다.
부유식 해상 풍력이 아직 새롭고 검증되지 않은 기술이기 때문에 개발업체의 금융 및 보험 비용이 높아지는 것도 비용 상승의 주요 요인 중 하나이다.
우리는 개발업체, 공급업체를 포함한 광범위한 업계가 경험을 쌓고 상업적인 규모까지 프로젝트 규모가 증가하면 부유식 해상 풍력 비용이 하락할 것으로 예상한다. 부유식 풍력 발전은 고정식보다 구조물이 더 복잡하고 크기 때문에 고정식 풍력 발전보다는 언제나 비용이 높을 가능성이 있다. 이에 대해서는 풍력발전단지 비용 섹션에서 자세히 설명한다.

공급망

현재 부두 길이, 수심(최소 10m 깊이), 보관 공간을 적절하게 조합하여 GW 규모의 부유식 해상 풍력 프로젝트를 동시에 개발할 수 있는 항구는 제한적이다. 영국에서는 Cromarty Firth 항구를 부유식 해상 풍력 건설 및 마샬링 항구로 개발하기 위한 자금을 확보했다. 이 항구는 부두 길이 372m, 최저 수심 12m, 개방된 하역 구역이 90,000 평방미터에 달한다 .
부유식 하부 구조물의 대량 생산이 가능하려면 제조 시설을 구축하여 현지 공급망이 대규모 프로젝트 건설을 지원할 수 있도록 역량을 갖춰야 한다.
경쟁력 있고 현지 공급이 가능한 공급망이 구축된다면, 상당한 비용 절감이 가능하고 부유식 해상 풍력의 경제적 이점을 완전히 활용하는 데 도움이 될 수 있다.

기술 과제 분야

구성품별 문제 해결은 여전히 중요하다. 관련 업계가 계속 확대됨에 따라, 부유식 변전소, 동적 송전 케이블 등의 새로운 기술의 설계 및 제작과 계류 장치와 같은 기존 기술의 최적화 모두에서 더욱 개선이 필요할 것이다. 예를 들어, 부유식 변전소는 아직 초기 단계이다. 현재까지 전 세계적으로 구축된 변전소는 하나뿐이며, 수심이 깊은 바다에서 일정하게 움직이면서 작동 가능한 동적 케이블은 여전히 테스트 및 최적화를 진행 중이다. 영국은 Floating Offshore Wind Centre of Excellence(전문 부유식 해상 풍력 센터)와 Ore Catapult의 테스트 프로그램 등을 통해 여러 이니셔티브를 주도하고 있으며, 해당 분야에서 R&D를 지원하여 견고하고 상업적으로 실행 가능한 솔루션을 개발하는 데 도움을 주고 있다.
설치 방법론을 구체화하는 것이 중요하다. 대규모 부유식 풍력발전단지 설치는 고정식 하부 구조형 프로젝트에서 직면한 문제를 넘어서는 물류 및 운영상의 문제를 포함한다. 현재 가장 큰 해상 풍력 프로젝트(Hywind Tampen)에는 11개의 터빈이 설치(2022년 5월~2023년 8월에 설치)되어 있다. 근 1년이 조금 넘는 기간 동안 60대의 터빈 설치를 포함한 프로젝트를 완성하는 것은 상당히 어려운 일이다. 현재 주요 과제는 건설된 부유식 하부 구조물을 보관하고 부유식 풍력 터빈을 해상으로 견인하기 위해 적절한 기상 조건을 파악하는 것을 포함한다.
부유식 해상 풍력 터빈의 유지보수 및 정비 방안을 마련하는 것은 필수적입니다. 고정식 저면 터빈과 달리 부유식 터빈은 기존의 잭업 선박으로 쉽게 접근할 수 없으며, 수리를 위해 장비를 항구까지 예인하는 데는 비용과 시간이 많이 소요됩니다. 새로운 해상 유지보수 방법론은 이러한 과제를 해결하는 데 매우 중요할 것입니다. 예를 들어, 2022년 스코틀랜드 킨카딘 프로젝트의 한 터빈은 세계 최초로 부유식 터빈의 주요 부품을 현장에서 교체하여 해상 수리의 잠재력을 입증하고 운영 전문성을 구축하는 데 기여했습니다. 도구, 기술 및 프로세스의 지속적인 혁신은 비용 절감과 문제 발생 시 가동 중단 시간 최소화에 매우 중요합니다.