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by Pluto Labs Dec 05. 2022

재생 가능 에너지와 기후 변화 vol.5

Wind Power

The two most abundant forms of power on earth are solar and wind, and they're getting cheaper and cheaper [1]

이번 편 에서는 재생 가능 에너지 중 수력 발전 다음으로 가장 많은 전력을 생산하는 풍력 발전에 대해 알아본다.

국가별 풍력 발전 현황

국가별 인당 풍력 발전 전력 소비량 [2]

위의 지도는 1990년 부터 2021년 까지 국가별 인당 풍력 발전 전력 소비량을 나타낸다. 시간이 지날수록 풍력 발전으로 부터 생성된 전력 소비가 점점 증가하는 추세이다. 풍력 발전은 유럽의 덴마크에서 가장 먼저 빠른 속도로 증가하였다. 이후 서유럽, 북유럽이 따라 증가하였다.

유럽에서 풍력 발전이 빠르게 성장한 이유에는 자연환경의 영향이 있다. 서북 유럽은 북대서양 난류의 영향으로 강한 풍력을 지닌 편서풍이 불지만, 강수량과 습도의 변화가 크지 않아 자연재해로부터 비교적 안전하여 풍력 발전에 좋은 조건을 가졌다.

2020년 유럽 지역 평균 풍속 [3]

특히, 풍부한 해상 풍력을 보유하고 있는 북해 연안 국가들의 풍력 발전 1인 당 소비량은 2021년 기준 덴마크 7,216kWh, 스웨덴 7,032kWh, 노르웨이 5,633kWh로 전세계에서 가장 높은 소비량을 차지하고 있다. 같은 해 미국은 3,015kWH, 호주 2,719kWH, 중국은 1,188kWH로 서유럽 평균 3,315kWh보다 낮다. 한편, 2020년 기준으로 전체 풍력 발전량을 보면 영국(42%), 독일(31%),네덜란드(10%) 로 유럽 국가들이 풍력 발전을 선도 하고 있다.

기관별 연구 현황

아래의 이미지는 2021년 풍력 발전을 연구한 기관의 연구 성과를 나타낸 그래프이다. X축은 기관이 출판한 논문수를 의미하며, Y축은 해당 기관들의 피인용수를 의미한다. 각 점의 색은 해당 기관의 소속 국가를 나타내며, 원의 크기는 기관이 출판한 풍력 발전 논문으로 산출한 h-index 이다. h-index는 미국의 물리학자 호르헤 E. 허쉬(Jorge E. Hirsch)가 개발한 지표로 저자의 논문 생산성과 인용 영향력을 동시에 보여주는 지표이다.

2021년 기관별 풍력 발전 연구 현황

지난편과 동일하게 재생 가능 에너지에 대한 연구량이 가장 많은 미국과 중국 기관의 연구가 가장 많은 비중을 차지한다. 풍력 발전 연구 또한 중국(18.69%), 미국(16.14%)로 중국의 논문 수가 더 많고, 피인용 수 또한 미국(18.08%), 중국(14.91%)로 태양 에너지와 같은 양상을 띈다. 하지만, 중국 기관(10.3%)의 수가 미국(16.5%)보다 적음에도 불구하고 상위권을 차지한 기관은 중국이 더 많았다. 즉, 중국의 기관이 미국의 기관보다 풍력 발전 연구를 선도하고 해석할 수 있다.

이 외에 연구 상위 기관에 유럽 국가의 기관이 포함된 것이 눈에 띈다. 덴마크, 노르웨이. 네덜란드 등 풍력 발전 생산을 많이 하는 지역(북유럽 및 서유럽)의 기관이 높은 연구 성과를 자랑하고 있다. 특히 올보르그 대학교(Aalborg University)는 2021년 기준 중국의 화북 전력 대학교(North China Electric Power University) 보다 절반 정도의 논문을 출판 하였지만, 피인용수는 약 40% 높으며, 비슷한 논문수의 칭화대학교(Tsinghua University) 보단 46%높다.

풍력 발전을 선도하는 상위 5개 기관은 아래와 같다.

풍력 발전 연구 상위 5개 기관

상위 5개 기관은 중국과 미국 그리고 덴마크의 기관이 위치해있다. 정부기관이 주도하던 태양에너지와 대조적으로 풍력에너지는 교육기관이 연구를 선도하고 있다. 또한, 상위 10개의 기관으로 살펴보면 풍력 발전은 현재 많이 생산하는 네덜란드, 노르웨이 등 북해와 인접해있는 국가에 소속된 기관들이다.

풍력 발전 기술

풍력 발전은 바람의 운동에너지를 터빈을 통해 전기에너지로 변환하는 것이다. 풍력 발전은 기본적으로 바람을 이용하기 때문에 환경오염과 고갈 염려가 없다. 또한, 태양광 발전과 비교 하였을 때, 타워 위에 블레이드를 장착하기 때문에 면적 당 전력 생산이 높다. 또한 일조량의 변화에 따라 전력 생산량이 변동 하는 태양광과 달리 풍력 발전은 바람이 존재 한다면 24시간 내내 발전 할 수 있다. 하지만, 풍속이 안정적이지 않다면 발전 또한 일정하지 않다. 이런 이유로 지리적 영향이 막대하며 국내의 경우 산간 지역과 해상 일부 지역을 제외하고는 10m/s 이상의 풍속을 안정적으로 얻을 수 없다.

풍력 발전은 설치 장소에 따라 크게 육상 풍력 발전과 해상 풍력 발전으로 구분 할 수 있다. 각 풍력 발전은 장점과 단점이 모두 존재한다.

육상 풍력은 지상에 설치하는 것이기 때문에 짧은 설치 기간과 낮은 운영비를 가지고 있으며, 접근하기 쉬워 관리가 용이하다. 하지만, 블레이드의 회전으로 인해 발생하는 진동과 소음이 막대하여 주변 거주민과 동물들에게 악영향을 끼친다. 무엇보다 일정하고 강력한 풍속을 얻을 수 있는 입지는 제한되어 있어 대규모로 설치가 불가능한 경우가 많다.

고정식 해상 풍력 발전(左2개), 부유식 해상 풍력 발전(右 3개) [4]

해상 풍력 발전은 기초구조물 설치 방식에 따라 다시 고정식과 부유식으로 구분할 수 있다. 고정식 해상 풍력의 경우 육지와 비교적 가까운 곳에 설치가 되는 풍력 발전이다. 하부 구조물에 따라 모노파일(Monopile) 재킷(Jacket) 두 종류가 있다. 해저 깊이에 따라 두 유형 중 어느 구조물을 설치 할지 결정되며, 재킷 구조는 4개의 다리가 있어 모노파일 보다 안정적이기 때문에 더 깊은 해저에 설치하기 적합하다. 두 방식 모두 육상 풍력에 비해 입지 제약이 비교적 자유롭고, 대형화를 통해 높은 효율을 달성할 수 있다.

특히, 고정식 해상 풍력의 경우 육상 풍력과 마찬가지로 육지와 가까워 설치가 편하고 관리비용 측면에서 높은 경제성을 갖지만, 이 역시 바다 생태계 훼손과 어민의 어업권 침해 등 여러 문제가 발생할 수 있다.

부유식 해상 풍력의 경우, 고정식과 다르게 수심이 깊은 심해에 설치한다. 고정식 해상 풍력이나 육상 풍력처럼 타워를 땅에 고정할 필요가 없기 때문에 입지 제약에서 굉장히 자유로우며, 해상의 풍부한 풍력을 사용해 더 안정적이고 많은 발전을 할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 심해에 설치가 굉장히 어려우며 지상에서 멀리 떨어져 관리 비용이 높고 생산한 전력의 전달 및 보관 비용 또한 높아 타 풍력 발전에 비해 경제성이 떨어진다.

부유식 풍력 발전 연구 추이

그럼에도 불구하고 우수한 풍질과 안정적인 풍력 공급을 통해 전력을 생산할 수 있다는 장점 때문에 현재 부유식 해상 풍력에 관한 연구는 꾸준히 이루어지고 있다. 부유식 해상 풍력은 기존 풍력 발전 부품 외에 부유식 구조물, 계류 시스템, 동적 파워 케이블(Dynamic Cable)이 추가로 필요하다. 부유식 구조물은 형태에 따라 반잠수식(Semi-Submersible), 인장계류형(Tension Leg Platform, TLP), 원통형(Spar) 3가지로 구분할 수 있다.

3가지 형태의 해상 풍력발전의 출판 추이를 보면 원통형, 반잠수식, 인장계류형 순으로 가장 많이 연구되었다. 원통형은 해안 안에서 조립과 유지 보수가 힘들고 대형 크레인을 사용해 설치해야 한다는 단점이 있지만, 구조가 직렬구조로 간단하며 낮은 설치 비용의 장점이 있다.

반잠수식은 구조가 복잡해 생산이 비용이 높고 가공이 어렵다. 또한 물에 파동에 의해 움직임이 커 안정성이 떨어질 수 있다. 하지만 육지에서 조립이 가능하며 계류 설치비용이 낮은 장점이 있다.

인장계류형은 아직 본격적으로 설치되지 않아 효율성이 입증되지 않았으며, 앵커링과 유지보수가 복잡하다. 하지만 다른 부유식 해상 풍력과 비교하여 높은 안정성을 가지고 있으며 반잠수식과 같이 육지에서 조립이 가능하고 질량이 낮아 생산비용이 낮다. 현재 부유식 해상 풍력은 고정식 해상 풍력에 비해 제작과 설치비용은 낮으나, 계류시스템의 추가 설치 등으로 인해 고정식 대비 절반 이상의 총 건설비가 소요된다.

현재 부유식 해상 풍력과 관련된 연구 성과가 가장 좋은 기관과 연구자는 노르웨이 과학 기술 대학교(Norwegian University of Science and Technology, NTNU)의 Torgeir Moan이다. Torgeir Moan는 현재 NTNU의 해양 기술을 연구하고 있다. Scinapse 에서 확인해보면 40년 이상의 연구 경력을 지니고 있으며 부유식 풍력 발전 구조물에 관한 연구과 풍력 터빈에 관한 연구를 수행 했다는 것을 쉽게 알 수 있다.

이상으로 풍력 발전의 기술과 이를 선도하고 있는 기관에 대해 알아봤다. 현재 풍력 발전을 선도하는 기관은 올보르그 대학교, 화북 전력 대학교, 칭화 대학교, 국립 재생 가능 에너지 연구소, 덴마크 공과대학이다. 풍력 발전 중 2009년 이후 지속적으로 개발되는 해상 부유식 풍력 발전은 노르웨이 과학 기술 대학교의 성과가 가장 좋으며 해당 기관의 연구자인 Torgeir Moan의 연구성과도 주목 할만하다.

▷이전 편 : 재생 가능 에너지와 기후 변화 vol.4

Reference

[1] Edward James Begley Jr

[2] Our World in Data

[3] Global wind atlas

[4] Bureau of Safety and Enviromental Enforcement

커버 이미지는 Pixabay로부터 입수된 Andrew Martin님의 이미지입니다.