[과학을 읽다]①거친바다에 우뚝선 바람개비의 비밀

스코틀랜드 앞바다에 건설된 세계 최초의 부유식 해상풍력발전단지.[사진=유튜브 화면캡처]

[아시아경제 김종화 기자]청정에너지의 대세는 풍력발전입니다. 세계 풍력발전국 1위는 중국이지만 풍력발전 기술과 상용화는 유럽이 가장 앞서 있습니다.

풍랑이 거센 바다에 어떻게 풍력발전기를 세울까요? 해상풍력발전기는 거친 파도에도 끄떡없어야 하고, 바다에서 생산된 전기를 육지로 손실 없이 전달할 수 있는 송전시설도 갖춰야 합니다.

먼 바다로 나갈수록 바람도 많이 불고, 설치 공간도 넓게 확보할 수 있습니다. 그래야 최대한 많은 발전기를 설치해서 더 많은 전기를 생산할 수 있기 때문입니다. 육지에서 멀수록 수심도 깊어지는데 그 만큼 공사비도 늘어나게 됩니다.

거친 풍랑에도 끄떡없도록 단단하게 풍력발전기를 설치하는 방법은 수심에 따라 달라집니다. 높이 최소 50~100m, 무게 수백톤(t)에 달하는 풍력발전기는 흔들리면 발전 효율이 떨어지기 때문입니다.

수심 20m 이내의 비교적 얕은 바다에서는 해저면을 콘크리트로 다져 기둥을 꽂는 '중력케이스' 방식을 사용합니다. 콘크리트로 단단히 고정한 아랫부분이 해저에서 발생하는 수중 저항을 견딥니다. 큰 기둥을 단순히 바닥에 꽂는 작업이어서 기술적 큰 어려움은 없습니다.

해상풍력발전기가 '중력케이스' 방식으로 설치되고 있다. 수심이 낮은 해저에 콘크리트 구조물을 설치한 뒤 기둥을 고정시키는 수중(왼쪽)과 수면 위 크레인의 작업 모습.[사진=한국남동발전 홈페이지]

수심이 20~50m 정도 되는 곳에서는 해저면에 만든 콘크리트 지지대에 단단한 쇠기둥을 박고, 그 위에 발전기를 설치하는 '모노파일' 방식이 적용됩니다. 수심 80m 정도의 먼 바다에서는 '트라이포드' 방식을 사용합니다. 단단한 강재구조물을 해저에 설치해 고정한 뒤 그 위에 풍력발전기를 설치합니다. 현재 해상풍력 발전기 설치에 가장 많이 사용하는 방식입니다.

문제는 이런 쇠기둥을 박는 방식에는 몇 가지 단점이 있습니다. 풍력발전기가 거친 파도와 해류의 흐름을 쇠기둥에 의지해 견뎌야 합니다. 이 때문에 발전기의 크기가 커지면 쇠기둥이 무게를 이겨내지 못하고 균열이 생기거나 녹슬어 파괴될 수도 있습니다.

또 쇠기둥을 해저에 단단하게 박기 위해서는 커다란 망치로 1만번 이상 강하게 때려야 하는데 이 과정에서 발생한 소음에 돌고래가 폐사하는 등 해양생물의 생태계에 나쁜 영향을 미칠 수도 있습니다.

그래서 새롭게 등장한 방식이 '부유식'입니다. 부유식은 바다에 배처럼 구조물을 띄우고, 그 위에 풍력발전기를 설치하는데 구조물은 발전기가 넘어지거나 떠내려 가지 않도록 바다 밑에 케이블로 고정합니다. 부유식은 바다의 깊이에 상관없이 적용할 수 있습니다. 다만, 이 방식은 아직 안전성과 경제성이 명확하게 검증된 단계가 아니어서 널리 사용되지는 않습니다.

이런 작업들은 모두 특수하게 제작된 '해상풍력발전기 설치선(WIV·Windfarm Installation Vessel)'이 담당합니다. WIV는 먼저 선체에 장착된 잭업 레그(jack-up Leg)를 바다 밑으로 내려 해저에 고정시킵니다. 그 이후 선체를 해수면 위로 10m 이상 띄워 조류와 파도의 영향을 최소화하고, 선체에 장착된 크레인을 이용해 발전기 기둥과 터빈, 바람개비 등을 설치합니다.

해상풍력발전기 설치선이 풍력발전기 기둥을 설치할 쇠기둥을 '모노파일' 방식으로 해저에 박아 넣고 있는 모습.[사진=유튜브 화면캡처]

풍력발전기 설치를 마치면 바다에서 생산한 전기를 멀게는 10㎞ 이상 떨어진 육지로 손실 없이 전달하는 공사가 남습니다. 육상풍력은 전기를 생산하는 터빈에 전체 비용의 70%가 사용되지만 해상풍력은 바다에 발전기를 세운 뒤 전기를 송전하는 시설공사에 사업비의 50%가 소요되고, 초기 비용이 많이 드는 편입니다.

그래서 아직은 육상풍력 발전비용이 해상풍력 발전비용보다 쌉니다. 미국 투자자문 및 자산운용사인 라자드(Lazard)에 따르면 육상풍력 발전비용은 2009년 1㎾h당 14센트에서 2016년 4.7센트로 떨어졌습니다.

그러나 해상풍력 발전비용은 2016년 기준 1㎾h당 14.5센트 수준을 유지하고 있습니다. 세계 풍력발전기 시장의 강자인 독일의 지멘스는 2020년까지 해상풍력 발전비용을 10센트 이하로 낮추겠다고 밝히기도 했습니다.

풍력발전의 기술이 앞선 유럽의 여러 나라들이 운영 중인 해상풍력발전단지는 저마다 하나씩은 타이틀을 보유하고 있습니다. 풍차의 나라 네덜란드와 해상풍력발전의 원조인 덴마크는 '세계 최초', 독일은 '세계 최대'라는 명예를 차지했습니다.

북해의 거친 바람을 생활권에 둔 이 나라들이 '세계 최대'와 '세계 최초'라는 타이틀을 차지한 해상풍력발전단지의 모습은 어떤지 다음편 '②거센바람에는 잠시 멈추는 바람개비'에서 살펴봅니다.