본 섹션에서는 주요 및 기타 부유식 해상 풍력 하부 구조물 유형, 개념, 자재를 소개한다.
현재 기술 혁신가들이 제안하고 있는 부유식 하부 구조물 설계에는 약 100여 종이 있지만, 전체 규모로 테스트 되는 것은 그중 소수이다. 이러한 하부 구조물 설계의 특성과 성능은 매우 다양하지만, 모두 해양 석유 및 가스 산업에서 이미 성공적으로 사용되고 있는 4가지 하부 구조 유형 중 하나에 속한다. 이에 대한 설명은 아래를 참고하면 된다.
반잠수식 하부 구조물
개요 및 설명
- 반잠수식 하부 구조물은 일반적으로 폰툰 및/또는 트러스로 연결된 3~4개의 외부 부력 기둥 또는 기타 부유식 요소를 갖추고 있다. 일반적으로 안정성을 높이기 위해 밸러스트를 사용한다.
- 현재 스코틀랜드에서 Principle Power의 WindFloat 설계가 유일하게Kincardine 프로젝트 일환으로 5개 터빈 배열을 갖춘 본격적인 규모의 데모 프로젝트로서 설치되었다.
- 40m 이상의 수심에 적합하다.
- 설계 옵션에는 기둥 수, 타워 배치(편심 vs 중앙), 건설 자재(강철 vs 콘크리트), 밸러스트 시스템이 포함되며, 일부 설계에서는 무게 중심을 낮추기 위해 수중 균형추를 달기도 한다.
- 다양한 계류 및 앵커 구성과 함께 사용할 수 있다.
반잠수식 부유식 하부 구조물 예시. WindFloat Atlantic 프로젝트 사진: Principle Power/Ocean Winds 제공
특징
- 스파형 하부 구조물에 비해 낮은 드래프트(1.3.3) 덕택에, 부두에 터빈을 설치할 수 있다.
- 밸러스트를 조절할 수 있어 견인 및 설치 시 전체 구조물을 안정적으로 유지할 수 있다.
- 예인선과 앵커 핸들링 선박(AHV)을 광범위한 기상 조건에서 사용할 수 있으므로 전문 선박의 필요성이 줄어든다.
- 길이 및 너비 측면에서 가장 큰 부유식 하부 구조물 유형으로 인장각형(Tension Leg Platform)보다 더 무겁다(1.3.4).
- (Tension Leg Platform)보다 더 무겁다(1.3.4).
- 건설 중 하부 구조물을 보관하고 마샬링하기 위해 상당한 해상과 육지 면적이 필요하다.
- 반잠수식 하부 구조물은 스파형보다 파랑에 의한 움직임이 더 많지만, 바지형보다는 많지 않다. 그러나 극한의 기상 조건일 때, 파랑의 자연적인 움직임과 구조물의 위아래 파동이 일치하면 움직임이 커질 수 있다.
바지형 하부 구조물
개요 및 설명
- 바지형 하부 구조물은 수면과 맞닿는 단일 선체이다. 물과 접촉하는 면적이 넓어 안정적이지만, 이 때문에 파동 하중에 더 취약해질 수 있다.
- 전체 크기는 동등한 사양의 반잠수식 구조물보다 작다.
- 현재까지 설치된 바지형 형태의 부유식 하부 구조물은 BW Ideol의 Dampling Pool과 Saitec Offshore Technologies의 SATH가 있다. 후쿠오카의 기타큐슈시 NEDO 데모 프로젝트가 Ideol의 Dampling Pool 설계를 사용한다.
- 40m 이상의 수심에 적합하다.
- 설계 옵션에는 건축 자재(콘크리트 또는 강철)와 단일 선체 모양(정사각형 또는 원통형)이 있다.
- 설계 시 또 다른 주요 변수는 거친 해양 환경에서 하부 구조물의 안정성 향상을 위한 moonpool의 존재 여부와 크기이다.
- 다양한 계류 및 앵커 구성과 함께 사용할 수 있다.
바지형 부유식 하부 구조물 예시 이미지 제공: BW Ideol 무단 전재 및 재배포 금지.
특징
- 조립한 구조물이 운송 중에도 안정적이기 때문에 환경 노출이 적은 항구에서 바지형 하부 구조물에 터빈을 세운 후 설치 장소로 견인할 수 있다.
- 바지선의 깊이로 인해 전문 마샬링 항구만 사용할 수 있는 스파형과 설치 시까지 안정성이 낮기 때문에 운송 및 설치에 전문 솔루션이 필요한 TLP(Tension Leg Platform, 인장각형)에 비해 바지형 하부식 구조물을 사용하면 부유식 프로젝트 구축 시 운송 및 설치 비용을 절감할 수 있다.
- 극한의 기상 조건에서 바지형의 파랑 주기가 자연적인 주기와 가까워지는 경우, 큰 파랑 움직임을 경험할 수 있다. 따라서 바지형 하부 구조물에 설치된 터빈은 다른 하부 구조물 유형에 비해 더 큰 타워 움직임에 견딜 수 있도록 설계되는 것이 요구된다.
스파형 하부 구조물
개요 및 설명
- 스파형 하부 구조물은 밸러스트를 사용하여 안정성이 유지된다. 여기에는 높은 원통형 하우징의 아래쪽 부분에 밀도가 높은 밸러스트를 구성하여 부력 중심 아래로 무게 중심을 낮추어 자동 복원성을 확보한다.
- 스파형 하부 구조물은 큰 드래프트를 갖는다.
- 이와 같은 하부 구조물은 Equinor가 콘크리트 및 철강 기반 설계를 사용한 Hywind Scotland를 포함한 북해에서의 처음 세 건의 프로젝트에 사용되었고 또한 나가사키현에서 남서쪽으로 2km 떨어진 Sakiyama 프로토타입에도 적용되었다. 현재 건설 중인 고토 부유식 풍력발전단지에도 사용되고 있다.
- 100m 이상의 수심에 적합하다.
- 설계 변수에는 건축 자재, 밸러스트 자재, 실린더 크기가 있다.
- 다양한 계류 및 앵커 구성과 함께 사용할 수 있다.
스파형 부유식 하부 구조물 예시 이미지 제공: ORE Catapult 무단 전재 및 재배포 금지.
특징
- 드래프트가 크고 수선면이 작다는 것은 다른 설계물에 비해 바람, 파랑, 조류에 의한 영향을 적게 받는다는 것을 의미한다.
- 드래프트가 크기 때문에 터빈을 부두에서 하부 구조물과 조립하려면 수심이 깊은 위치가 필요한데, 이는 일부 지역에서는 이러한 위치를 이용하지 못할 수도 있음을 의미한다. 이런 경우, 수심이 깊은 보호 수역에 있는 부유식 설치 선박을 사용하여 실행할 수 있지만, 추가 비용이 발생한다.
- 또한 드래프트가 큰 조건은 설치를 위해 견인하고 주요 구성품 교체 시 다시 회수할 수 있어야 하기에 부지 위치가 제한된다.
- 정상 작동하는 모든 기술 유형 중에서 기울기가 가장 크며, 능동적 밸러스트 조정 기술로는 이 문제를 해결할 수 없다.
인장각형(Tension leg platforms)
개요 및 설명
- TLP는 계류 장치를 사용하여 안정성을 유지한다. 일반적으로 수직 또는 거의 수직으로 앵커에 연결되는 계류선을 사용한다. 선체에 작용하는 상향 부력은 텐던이 모든 조작 하중에서 계속해서 장력을 유지할 수 있을 정도로 강력해야 한다.
- TLP는 원유 및 가스 산업에서는 자리를 확실히 잡았지만, 지금까지 상업적 규모의 데모 프로젝트에서 풍력 터빈과는 함께 사용되지 않았다.
- 스타형 폰툰 배열은 수선을 관통하는 구조물과 강철 질량을 최소한으로 사용해 해상 풍력 터빈 응용 분야에 활용될 것으로 예상된다.
- 해상 풍력 분야에서 최초의 본격적인 TLP 데모 프로젝트는 2023년 프랑스 프로방스 그랜드 라지에 설치된 SBM Offshore의 설계였다.
- 80m 이상의 수심에 적합하다.
- 설계 변수에는 건축 자재, 선체의 형태, 텐던 하중의 능동적 조정 기능 존재 유무가 포함된다.
- 계류 장치의 높은 하중 및 수직 또는 거의 수직에 가까운 배열로 인해 항타식 파일 앵커나 석션 앵커와 같은 강력한 수직 방향 견인력을 견딜 수 있는 앵커 유형이 필요하다.
인장각형 하부 구조물 예시 이미지 제공: ORE Catapult 무단 전재 및 재배포 금지.
특징
- 다른 기술 유형보다 선체가 덜 안정적이기 때문에 설치가 복잡하다. 즉, 항구에서 TLP와 터빈을 최종 조립한 후 부지까지 견인할 수 없다는 의미이다.
- 터빈은 날씨에 민감한 부유식-부유식 리프트가 필요한 부지에 이미 설치된 TLP와 조립하거나, 또는 터빈과 TLP를 함께 설치할 수 있는 선박에서 사전 조립할 수 있다. 또한, 이 유형은 다른 부유식 기초 구조물 유형보다 유지보수를 위해 해안까지 견인하기가 더 어렵다.
- 계류 장치 및 앵커는 더 높은 하중을 견뎌야 하고 고장 방지를 위해 이중화(Redundancy)가 넉넉히 필요하므로 다른 기술 유형보다 비용이 더 많이 들 것으로 예상된다.
- 한번 설치된 모든 부유식 하부 구조물 유형 중 구조물의 질량이 가장 적지만, 이런 이점은 운송, 설치, 계류 장치, 앵커의 높은 비용으로 인해 상쇄된다.
- 일단 설치된 모든 부유식 하부 구조물 유형 중 스파형을 제외하고 하부 구조물 움직임이 가장 적다. 따라서 다른 유형에 비해 터빈 및 어레이 케이블(Array cables)의 구조적 부하가 감소한다.
- 계류 장치에서 안정성은 매우 중요하므로 지진 활동이 발생하기 쉬운 지역에서 계류 장치를 사용하지 못할 수 있다.
기타 부유식 해상 하부 구조물 개념
여기에 포함된 기타 부유식 해상 풍력 하부 구조물 개념은 앞서 설명한 4가지 하부 구조물 유형의 변형이지만, 추가 설명이 필요할 만큼 충분히 새로운 개념이다. 많은 유형이 질량은 작을 수 있지만, 종종 설계의 복잡성이 증가한다. 석유 및 가스 산업을 통해 복잡성보다 단순함이 이점이 있다는 교훈을 얻었지만, 업계에 의해 기타 개념을 적절히 검토하는 것은 여전히 중요하다.
여기에 포함된 예시 개념 목록이 완벽한 것은 아니지만, 잠재적으로 파괴적인 솔루션의 확산을 보여주기 위한 것이다.
- 균형추 개념. 한 가지 예로 Saipem의 Hexafloat를 들 수 있다(Figure 5 참고). 이는 반잠수식(수송 시 수심이 얕음)과 스파형(깊은 곳에서 질량에 인한 안정성)의 장점을 결합한 것이다. 문제는 균형추를 내리고 올리는 메커니즘이 복잡하다는 것이다.
- 단일 지점을 중심으로 회전하므로 터빈 요 시스템이 필요 없고 모든 방향의 하중을 견딜 수 있는 지지 구조물 기능이 없어도 된다. X1 WIND의 PivotBuoy, Aerodyn의 Nezzy2, Saitec의 SATH를 예로 들 수 있다(Figure 1.7 참고). 이 설계는 터렛 계류/단일 지점 계류 시스템을 사용한다. 이 계류 시스템은 석유 및 가스의 부유식 생산 저장 및 하역 설비(FPSO)에 사용되는 검증된 기술이다. 문제는 강한 파랑이나 조수가 풍향과 일치하지 않을 때, 부유식 해상 풍력 터빈이 어떻게 작동하느냐에 있다.
- 다운윈드형 로터. X1 WIND의 PivotBuoy, Aerodyn의 Nezzy2를 예로 들 수 있다(Figure 6 참고). 이 설계는 일반적으로 회전식 하부 구조물로 구현이 가능하며 타워 브레이스, 지선식 타워, 경사형 타워와 같은 비전통적 타워 개념을 사용할 수 있다. 하지만, 문제는 기존의 풍력 터빈 제조업체가 육상 및 고정식 해상 하부 구조물에 사용할 수 있는 요 시스템에 의존하는 터빈 설계에 집중하고 있다는 것이다.
- 다중 로터. Hexicom, Aerodyn의 Nezzy2를 예로 들 수 있다(Figure 7 참고). 이 시스템은 일반적으로 회전형 하부 구조물로 구현이 가능하며, 단일 부유식 하부 구조물에 설치 용량을 두 배로 늘릴 수 있어 MW당 부유식 하부 구조물 및 망 연결 비용을 절감할 수 있다. 문제는 터빈 1개 작동 중단이 나머지(1개 또는 여러 개)에 미치는 영향에 있다.
- 수직축 부유식 풍력 터빈. SeaTwirl의 S1과 S2를 예로 들 수 있다(Figure 8 참고). 문제는 육상의 수직축 풍력 터빈의 로터 성능계수가 낮기 때문에 수평축 터빈보다 균등화발전비용(LCOE)이 높다는 것이다.
- 풍력 및 파력 에너지 결합 장치: 부유식 발전소(FPP)를 예로 들 수 있다(Figure 9 참고).
균형추를 사용한 부유식 하부 구조물. Saipem의 Hexafloat(이미지 제공: Saipem, 무단 전재 및 재배포 금지)
단일 점을 중심으로 회전하는 부유식 하부 구조물. 왼쪽부터 오른쪽: X1 WIND의 PivotBuoy(이미지 제공: X1 WIND, 무단 전재 및 재배포 금지) 및 Saitec의 SATH(이미지 제공: Saitec, 무단 전재 및 재배포 금지).
여러 개의 로터를 사용한 부유식 하부 구조물. 왼쪽부터 오른쪽: Hexicon의 TwinWind(이미지 제공: Hexicon, 무단 전재 및 재배포 금지) 및 Aerodyn의 Nezzy2(이미지 제공: Aerodyn, 무단 전재 및 재배포 금지).
수직 축 부유식 하부 구조물. SeaTwirl의S2(이미지 제공: SeaTwirl 무단 전재 및 재배포 금지)
풍력과 파력 장치 결합. 부유식 발전소의 하부 구조물(이미지 제공: 부유식 발전소, 무단 전재 및 재배포 금지).
기본 소재: 콘크리트 vs 강철
부유식 하부 구조물은 강철, 콘크리트 또는 두 가지를 혼합하여 하이브리형으로 설계할 수 있다. 사용할 자재는 다양한 요소를 고려하여 사례별로 결정해야 한다. 예를 들어, Equinor는 2017년 30MW Hywind Demo 프로젝트에서 강철 스파형 하부 구조물을 사용했고, 88MW Hywind Tampen 프로젝트에서는 콘크리트 스파형 하부 구조물을 사용했다.
개발업체의 자재 선정에 영향을 주는 네 가지 주요 요인은 다음과 같다.
비용
- 개발업체는 철강 콘크리트 또는 하이브리드 하부 구조물 사용을 결정할 때, 프로젝트의 모든 단계에서 비용을 신중하게 고려해야 한다.
- 톤당 강철 비용은 콘크리트보다 더 비쌀 것으로 예상되고, 철근은 강판보다 저렴할 것으로 예상됩니다.
- 강판 가격은 1년 이내에 최대 50%까지 급등락하는 등 변동성이 심해졌다. 콘크리트 가격은 더 안정적인 경향이 있다. 철근 콘크리트 구조물에는 특히 보강을 위해 여전히 강철이 많이 필요하지만, 총부피는 강철이 기본 자재인 구조물보다 몇 배 적다.
공급망
- 현지에 기존 강철 제작 공급망이 없는 경우, 콘크리트 구조물은 새로운 시설에 대한 투자를 적게 해도 되기 때문에 더 쉽게 구축할 수 있다.
- 콘크리트 제조의 현지화는 강철 제조 시설보다 더 많은 일자리를 창출한다. 강철 및 시멘트 제조와 관련된 일자리도 고려해야 한다.
- 콘크리트 하부 구조물은 강철 구조물보다 무겁기 때문에 운송이 필요한 경우, 들어 올리거나 견인하는 데 더 많은 노력이 필요하며 더 깊은 수로가 필요하다.
환경에 미치는 영향
- 환경적 요소는 개발업체에게 중요하며 판매 계약(offtake) 경쟁 입찰 시 결정 기준으로 포함될 수 있다. 탄소 배출량은 강철과 시멘트의 제조 방법, 작동 수명 및 수명이 다한 제품의 재활용 또는 재사용에 따라 달라진다.
- 강철은 자주 재활용하고 콘크리트는 분쇄한다. 수명주기 분석은 이러한 종류의 분석에 효과적이다.
부지 조건
- 시간 변화에 따른 자재의 성능이 다양하기 때문에 기상 환경은 재료 선정 시 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 콘크리트 하부 구조물은 동결융해 손상에 더 취약할 수 있으며, 강철 기초 구조물은 부식에 더 취약할 수 있다.
- 부유식 해상 풍력은 더 광범위한 해상 풍력 산업과 함께 서유럽에서 주로 발전했다. 이 지역은 상대적으로 평균 풍속이 높지만, 아시아 태평양 지역에서 더욱 흔한 극한의 기후와 지질학적 사건에 덜 노출되어 있다. 결과적으로, 일본이나 한국의 부유식 해상 풍력 설계는 이러한 혹독한 조건을 고려해야 하며, 탄력성을 보장하기 위해 조정이 필요한 경우가 있을 수 있다. 자재 선정과 기초 구조물 설계 시, 해당 지역의 환경 문제 영향을 고려하여 콘크리트와 철강 기초 구조물 설계 중 하나를 고려해야 한다.
부유식 변전소
개요 및 설명
- 부유식 해상 변전소(OSS)는 바닥 고정식 변전소를 구현할 수 없는 깊이(>150m)에서 해상 풍력 프로젝트 실행 시 필요하다. 부유식 OSS에서는 터빈에서 전력 수집 후, 변압기를 사용하여 전압을 올리고 고전압 동적 케이블망을 통해 육상 전력망으로 전력을 송전한다.
- 기존 변전소와 마찬가지로, 부유식 OSS는 스텝업 변압기, 고전압 배전반, 보조 시스템으로 구성되며 모두 상단 구조물에 장착된다.
- 2013년 일본 후쿠시마에 전 세계적으로 유일하게 부유식 OSS가 설치되었다. 3개의 터빈에 연결되어 있으며, 변전소는 총 16MW의 전력을 처리하고 66kV 송전 케이블을 통해 전력망으로 전력을 송출한다. 이는 JMUC(Japan Marine United Corporation)가 설계한 고급 스파형 기초 구조물 개념을 사용한다.
- 인정받는 소수의 회사들은 다음과 같은 부유식 풍력 개념 개발을 위해 파트너십을 맺고 있다.
- Semco Maritime, ISC 컨설팅, Inocean은 확장 가능한 부유식 변전소 개념을 제시했다.
- Saipem과 Siemens Energy는 500MW 부유식 반잠수식 변전소를 개발하고 있다.
- BW Ideol, Hitachi ABB Power Grid, Atlantique Offshore Energy(AOE)는 40m 수심에서 시작하는 바닥 고정식 및 부유식 해상 풍력발전단지에서 사용할 수 있는 부유식 개념을 개발했다.해상 풍력발전단지에서 사용할 수 있는 부유식 개념을 개발했다.
특징
- 부유식 OSS는 전기 장비가 유체역학적 움직임을 견디고 안정성 요구 사항을 충족하도록 설계되어야 한다.
- 상업용 프로젝트 규모의 부유식 OSS은 수명 기간 동안 피로를 견디고 주기적인 움직임을 수용할 수 있는 66kV를 초과하는 전압의 동적 케이블이 필요하다.
- 부유식 OSS는 풍력 터빈, 반잠수식, 인장각형, 스파형, 바지형에 사용되는 것과 유사한 기초 구조물 설계를 사용한다. 그리고 앵커를 사용하여 해저에 단단하게 고정된 강철 케이블, 체인, 섬유 로프를 사용하여 해저에 계류된다.
- 또한 부유식 OSS에는 운영 및 유지보수 활동 지원을 위해 헬리데크가 설치된다.