해상풍력 지원항만과 배후단지 1/2: 필요성, 요건 및 기술동향

해상풍력 전용 항만과 배후단지의 요건

해상풍력은 육상풍력에 비해 발전기 부품 및 기자재의 해상운송, 하부 기초구조물의 제작 및 설치와 변전소 및 송전망 연결 등에 많은 비용이 소요된다. 해상운송은 날씨, 바람, 파도 등의 해양환경 조건과 보관·조립 공간, 안벽 및 수심 조건 등 항만시설 여건에도 크게 영향을 받으므로 이러한 요건들을 모두 고려하여야 한다. 해상풍력발전 설치를 위해서는 약 8000개 이상의 다양한 부품이 필요한데 제조사에서 모든 부품을 생산하는 체계가 아니라 다수의 협력 업체로부터 부품을 공급받아 최종 제품이 완성되는 특성이 있다. 따라서 해상풍력발전을 설치하기 위해서는 특정 장소에서 최종 조립하는 작업이 필요하다. 이에 따라 최근에는 대형화되는 해상풍력단지와 풍력 부품 및 기자재의 해상운송 수량의 증가로 지원항만 선정과 생산·조립단지 등을 구축하는 해상풍력 클러스터 구축까지 논의가 확장되고 있다. 해상풍력 배후지원 항만단지는 해상풍력 발전단지 조성을 위한 터빈, 블레이드, 해상풍력용 플랜트, 타워 등 해상풍력단지 조성에 투입되는 각종 기자재를 적치·조립·수리해 해상 작업지로 운반할 수 있도록 지원하는 인프라다. 이러한 항만단지는 지자체별 신재생에너지단지 사업에 대한 기자재 운송지원은 물론 해외수출 전진 기지로 활용이 가능하다. 해상풍력 전용 항만은 해상풍력발전 공급망에서 필수적인 구성요소로, 풍력단지 건설과 운영/유지보수에 필요한 기자재 조립, 보관, 운송 뿐만 아니라 해상풍력으로 생성되는 전력을 수소에너지로 변환하고 저장/운송하는 역할도 담당하게 된다. 해상풍력을 최적으로 지원해줄 수 있는 해상풍력 전용 항만을 설계하기 위한 요건들은 다음과 같다.
● 해상풍력단지와 2시간 이내 거리, 해상풍력 터빈을 조립할 수 있는 45,000㎡ 이상의 충분한 공간
● 부두의 충분한 하중, 풍력터빈 조립을 위한 각종 시설, 2차선 이상의 도로 확보, 인근 해상풍력 지원 산업단지 존재 여부, 선박 접안을 위한 6m 이상의 수심 확보 필요
● 대규모의 해상풍력발전수요 확보 - 수요요인으로 최소 1GW 이상의 집중 개발 및 10년 이상 지속개발이 필요
● 항만 배후여건 (항만 관련 편의시설, 숙련된 항만노동자 및 교육 훈련 체계, 항만 노동력의 용이한 고용, 해상풍력단지 개발에 대한 지역사회 및 관련 기관 동의 및 지지)
● 사업의 경제성 확보를 위한 비용절감방안 확보
● 항만개발 및 클러스터 입주에 대한 정부의 지원
● 부품업체의 사업다각화 지원(O&M) 병행

해상풍력 전용 항만의 중요성과 파급효과

정부의 해상풍력 클러스터 조성정책을 포함한 재생에너지 2030 이행계획(안) 발표에 따르면 2030년까지 현재의 재생에너지 설비용량 13.3GW를 63.836.8GW(누적)까지 보급하고자 한다. 재생에너지의 발전 비중이 2016년 7.0%에서 2030년 20%까지 상승하며 이 중 해상풍력설비용량은 전체 풍력설비용량의 67.8%(12GW)까지 차지할 예정이다. 이러한 상황에서 해상풍력 클러스터 조성은 필수적이며 해상풍력 클러스터를 조성하기 위해선 무엇보다 1차, 2차, 3차 제품을 제조. 생산. 조달. 운송하기 위한 해상풍력 전용 항만이 존재해야 한다. 
해상풍력 전용 항만 및 클러스터의 기술적인 파급효과는 다음과 같다. 해상풍력발전 전용 항만 구축을 통해 풍력터빈의 대형화 추세를 반영할 수 있다. 터빈의 규모가 점차적으로 대형화하고 있는데 유럽의 경우 해상풍력으로 건설되는 신규 터빈 평균 용량은 2015년 대비 15% 상승한 4.8MW이고 이는 10년 전에 비해 62%가 상승한 수치이다. 전용항만 구축으로  대형 부품 제작/수급이 수월해질 것이며 이를 통해 국내에도 초대형 터빈 제작 및 유지보수 인프라가 구축될 것으로 예상된다.
또한, 바닷바람으로 돌린 터빈에서 생산한 전기로 물을 분해하면 그린 수소를 생산할 수 있다. 수소 생산비용 절감이 상용화의 핵심으로 한국 산업계도 해상풍력과 수소 생산을 연계한 사업에 박차를 가하고 있다. 당장은 풍력으로 생산한 수소는 비싼 것이 사실이지만 국제에너지기구(IEA)는 천연가스를 통한 수소 생산 비중이 2050년 40%가 될 것으로 전망하면서 비용을 1달러 수준으로 추정한 바 있다. 해상풍력을 통한 수소 생산 비용 역시 2050년이 되면 현재 가장 경제성을 갖춘 것으로 간주되는 천연가스 추출 방식과 비슷한 수준으로 경제적 타당성을 달성할 것으로 예상된다. 해상풍력 전용 항만은 이러한 수소 생산을 돕는 역할과 동시에 이를 저장하고 운송하는 신재생에너지 서플라이체인의 중심지가 될 것이다. 
또한, 경제산업적 측면에서 전용항만을 통해 대규모로 집적된 해상풍력발전단지를 구축할 수 있다. 대규모의 해상풍력 발전단지를 한 지역에 건설할 경우 필요 부품을 제작. 생산. 조달할 수 있는 매우 큰 규모의 단일 풍력산업시장이 조성될 수 있고 비용 효율적 관점에서 볼 때 관련 산업의 배후 집적이 가능하게 할 수 있다. 즉 해상풍력과 관련된 사업/연구소 등의 클러스터를 통하여 국내 해상풍력발전 기술 발전뿐만 아니라 관련된 다양한 산업을 활성화시킬 수 있으며, 일자리 창출에도 크게 기여할 것으로 예상된다. 기존 항만시설 중 유휴시설의 기능을 전환하여 해상풍력시설을 조립하거나 부품을 보관할 수 있는 부두기능을 부여하거나 신규 부지를 조성하여 산업지역으로 지정함으로써 확실한 해상풍력단지 지원기능을 할 수 있는 토대를 만들고 관련 기업을 유치하여 산업활성화를 유도할 수 있다.

해상풍력 국내기술동향

해상풍력발전시스템은 크게 RNA(Rotor-Nacelle Assembly), 타워 (Tower), 하부구조(Substructure)로 구분될 수 있다. 해상풍력발전사업의 화주는 발전시스템을 생산하는 기업이라고 할 수 있다. 해상풍력발전시스템은 크고 작은 약 5천~8천 개의 부품으로 구성되어 있다.
핵심부품 중 블레이드(날개)는 한국재료연구원에서 5 MW급 시험 기술을 보유하고, KOLAS 및 IECRE 인정을 확보하여 운영 중이며, 5.5 MW급 블레이드 인증 실적을 보유하고 있다. 최근 시험 용량을 8 MW급으로 확장 완료하였으며, KOLAS 및 IECRE 인정범위를 확대 추진 및 국산 8 MW급 시험 준비 중이다. 풍력발전기 출력성능 및 기계하중은 한국에너지기술연구원에서 KOLAS, KS 시험기관 등록되어 있으며, 5.5 MW 인증실적을 보유하고 있다. 한국에너지기술연구원에서는 전력품질, 소음에서도 KS 시험기관 등록되어 있으며, KOLAS 시험기관 등록을 추진 중이다. 풍력발전기 타워, 나셀 및 어셈블리, 기어박스, 피치/요 베어링, 발전기(Generator), 전력변환장치, 다이나믹 케이블은 자체 시험 중이며, 완제품 유지보수에서 감시 및 점검, 핵심부품 고장진단 기술에 대한 이슈가 있는 상황이다. 또한, 우리나라는 하부구조물 등 부품에 대하여 조선 기술의 기반이 있고, 품질관리도 우수하기 때문에, 조선소간에 제휴하는 등 부유체의 대량생산 기술을 확립할 수 있는 기초가 있다고 볼 수 있다.
현재 재생에너지 발전 비중의 증가로 발생하는 잉여전력의 활용도를 높일수 있는 P2G 기술이 부각되고 있다. P2G 기술은 재생에너지의 잉여전력을 활용하여 물 전기분해를 실행함으로써 친환경 그린수소를 제조,저장,전환하는 기술이다. P2G 기술이 부각됨에 따라 해상풍력 업계가 그린수소 생산으로 발을 넓히고 있다. 바닷바람으로 돌린 터빈에서 생산한 전기로 물을 분해하면 그린수소를 생산할 수 있다. 대한민국 정부가 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 통해 2030년 이후 그린수소 보급 계획을 밝힌 만큼 국내 기업과 지방자치단체에서도 해상풍력을 활용한 그린수소 프로젝트를 진행중에 있다.
기업중에서는 우선 전통적인 풍력 시장 강자인 두산중공업이 풍력발전과 수소 생산을 연계한 실증사업에 참여하고 있다. 해당 사업은 제주에너지공사가 주관해 동복·북촌 풍력단지에서 3MW 전력으로 일 평균 600kg의 수소를 생산, 저장, 운송하는 것을 목표로 한다. 두산중공업은 풍력 발전의 핵심인 터빈 분야에서 8MW급을 2022년 상용화 할 예정으로 풍력 분야 기술력을 보유하고 있다. 국내 해상풍력 설비의 60% 이상을 공급했으며 2025년까지 해상풍력 부문에서 연 매출 1조원을 목표로 하는 등 풍력 사업에 박차를 가하고 있으며 두산중공업은 해당 수소 생산, 압축, 저장 등 수소플랜트 전체의 설계와 감리를 맡으며 수소 사업에 힘을 쏟고 있다.
철강기업인 포스코도 최근 관련 사업에 시동을 걸고 있다. 포스코는 지난 5월 덴마크 풍력발전 기업 오스테드와 해상풍력 및 그린수소 사업 포괄적 협력을 위한 양해각서를 체결했다. 오스테드는 2026년 상업운전 예정인 국내 최대 규모의 1.6GW급 인천 해상풍력 사업을 추진 중이다. 사업이 가시화되면 포스코는 그린수소 생산에 참여하고 저장 및 발전도 담당할 계획이다.
울산시도 지난 5월 현대중공업,한국석유공사, SK가스 등과 그린 수소 생산을 위한 업무협약을 체결했다. 해당 협약으로 2025년까지 동해 부유식 풍력단지에 100MW급 수소 실증 설비를 구축하고 2030년까지 1.2GW 급 수소 생산 플랜트를 가동한다는 계획이다.

해상풍력 국외기술동향

해상풍력 선도국인 유럽에서는 대형화에 의한 가동률 향상·비용 저감이 진행되고 있으며, 풍력발전기는 2030년까지 정격 출력이 15 MW초과~20 MW클래스까지 대형화해 블레이드의 회전 지름이 최대 250 m가 될 것으로 예측되고 있다. 
풍력발전기: 경제성 향상과 입지 확대를 위해 대형화(유럽에서는 정격 출력 4~5 MW, 블레이드 회전직경 120~150 m)와 저풍속 대역(평균 풍속 7.5 m/s) 대응이 진행되고 있다. 구체적으로는 주로 블레이드 길이를 연장하여 허브 높이를 증대(100 m를 넘는 고고도 타워화)한 터빈이 개발되어 보급되었다. 특히, 해상용 터빈은 정격출력을 증대해 필요 대수를 줄이고, 건설비용을 줄이는 연구가 진행되고 있으며 2019년 유럽의 신설 해상터빈의 평균 정격 출력은 7.8 MW(7800 kW)까지 대형화하고 있는 추세이다. 2020년 8월 기준으로 운전 중인 세계 최대 터빈은 GE의 Haliade X로 정격출력은 12 MW(1만 2천 kW), 블레이드 회전직경은 220 m이다.
블레이드: 길이가 50m를 넘는 블레이드는 교차로나 산악부의 굽은 도로를 통과할 수 없는 수송제약으로 블레이드를 중간에 분할하여 수송하고 현지에서 접합하는 분할조립방식이 상용화되고 있다. 블레이드의 공력성능을 향상시키기 위해 날개표면에 돌기(Vortex generator)와 판(Air spoiler)의 설치가 보급되었으며 블레이드의 소음 억제를 위해 블레이드 뒤쪽 모서리에 톱니(삼각형)상모양의 작은 조각(Serration)을 부착하는 설계도 보급되고 있다. 터빈의 대형화와 저풍황 전용의 로터 직경 확대에 따라, 최근의 블레이드 길이는 육지용으로 50 m이상, 해상용은 82~108 m까지 커지고 있다. 블레이드 재료에는 가볍고 강한 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP)이 이용되고 있으며, 해상발전기의 블레이드에서는 강도를 높이기 위해 부분적(Spar Cap부)으로 고가이지만 강성과 비강도가 높은 탄소섬유(Carbon Fiber)의 이용도 확대되고 있다.
전기 부품: 발전기는 2/3가 권선형 유도발전기, 1/3이 영구 자석식 다극 동기 발전기(PMSG, 중속기도 포함)가 사용되고 있으며, 발전기의 대형화를 억제하려면 자력 강화가 효과적이며 네오디뮴계의 영구 자석이 많이 사용된다. 그러나 해상용 터빈전용으로 10 MW이상의 큰 출력을 얻기에는 네오디뮴계 영구자석으로도 부족하기 때문에 보다 강한 자력을 요구해 초전도 자석의 적용이 시행되고 있다.
제어시스템: 터빈의 대형화에 따라 출력제어와 강풍 시 정지를 확실히 하기 위해 블레이드 루트부에 선회베어링을 설치하여 날개의 비틀림각도로 출력을 제어하는 피치제어가 스톨제어로 대체되었다. 나아가 전력 변환 장치(인버터/컨버터)를 통해 연계함으로써 풍속의 강약에 맞추어 회전수도 증감하는 가변속 운전(순간적인 풍속 변화에 따른 출력 변동을 평준화할 수 있음)도 보급되었다.
기초: 유럽 해상용 터빈의 기초는 자동용접으로 양산 가능한 모노파일 기초가 80~90 %를 차지하고 있다. 나머지는 심해(약 50 m)에서는 재킷 기초(용접 작업이 많고 중량도 큼), 얕은 수심(20 m 미만)에서는 중력식 기초도 이용되고 있다. 
해상풍력 고정식 기초: 지층이 균일한 유럽에서 실용화가 진행되어 특히 모노파일 기초는 유럽에서 거의 확립된 기술이지만 설계 방법의 고도화·고효율화(영국 PISA프로젝트 등)에서 추가 비용 절감방안이 연구되고 있다. 미국에서는 유럽과 지질의 차이, 어려운 기상 조건, 시공 여건과 국내 유통의 성숙도에 적합한 기초 구조가 연구되고 있다.
해상풍력 부유식 기초: : 바지, 세미 서브, 스파, TLP등의 다양한 부유 형식이 나와 있고, 각국에서 실증이 시작되고 있다. 다양한 업체와 컨소시엄이 기술을 개발하고 있으며, 기술 성숙도(TRL)에 차이가 있다. 부유체의 양산 기술의 확립이나, 계류 시스템, 다이나믹 케이블의 일체 설계의 신뢰성 향상과 저비용화가 필요한 상황이다.
케이블: 66kV를 넘는 고전압/송전 케이블에 관한 기술개발이 진전되고 있다. 특히 영국 Floating Wind JIP에서는 부유체에 특화된 새로운 설계를 개발하기 위해 케이블 회사 여러 곳을 지원하는 프로젝트의 첫 단계가 2020년에 완료, 다음 단계로 진행되고 있다. 또, 유럽에서는 케이블 포설 시 사고의 비율이 많아, 케이블의 손상은 해상 풍력 프로젝트의 주요한 리스크로 평가받고 있다. 또한, 부유식 해상 발전단지는 다이나믹 어레이 케이블 및 송전 케이블이 필요하게 된다.

해상풍력 지원항만 개발 및 운영현황

해상풍력단지를 지원하는 지원항만도 여러곳에서 활발히 개발 및 운영중에 있다. 영국의 지원항만으로 모스틴(Mostyn)항은 아일랜드해(Irish Sea)의 Rhyl Flats(90MW), Burbo Bank(90MW), North Hoylea(60MW), Robin Rigg(90MW)와 Gwynt y Mor(576MW) 등 7개의 해상풍력단지 지원항만 역할을 수행하였으며, 300미터 규모의 선석과 해상풍력단지에 공급될 각종 설비 및 부품을 보관할 수 있는 24헥타르(24만㎡) 수준의 부지도 확보하고 있다. 독일의 해상풍력발전 지원항만은 중소형 항만인 독일 서북부의 쿡스항(Cuxport)이 독일 Deutsche Bucht(252MW) 해상풍력단지에 모노파일 등의 운송 거점으로 활용되었으며, 290m의 안벽과 해상풍력 기자재 조립·보관이 가능한 10만㎡의 배 후부지, 고중량물 하역장비 등을 확보하고 있다. 미국에서도, 뉴저지에 터빈 제조시설을 포함한 12만㎡ 규모의 해상풍력단지 전용항만 건설을 시작하였으며, 2023년 완공을 목표로 하고 있다.
해외에서는 P2G 기술을 통한 해상풍력발전 연계 그린수소 생산 사업이 유럽을 중심으로 추진되고 있는데 대표적으로는 유럽의 NortH2 프로젝트가 있다. 이 프로젝트는 2027년 1GW를 시작으로 2030년 북해에 4GW의 해상풍력 발전소를 건설하고, 여기서 생산된 전기를 활용하여 네덜란드 흐로닝언에 있는 전해조 공장에서 수소를 생산할 예정이다. 이후 2040년까지 10GW이상으로 발전용량을 키워 연간 100만 톤의 수소를 네덜란드와 북유럽 지역에 공급하는 것을 목표로 하고 있다. NortH2 컨소시엄에는 다국적 석유회사인 쉘(Shell), 네덜란드-독일의 천연가스 회사인 가스유니(Gasunie), 노르웨이의 석유가스회사인 에퀴노르(Equinor), 독일의 에너지 회사인 RWE 등이 참여하고 있으며, NortH2 프로젝트는 올해 타당성조사를 통한 투자경제성 분석절차를 거친뒤 프로젝트 개발을 시작할 예정이다.
두 번째로는 노르웨이에서 추진중인 프로젝트로 수소 기반의 해상풍력 에너지저장시스템 시범사업인 ‘딥 퍼플(Deep Purple)’ 프로젝트가 진행 중이다. 다국적 에너지기업인 TexhnipFMC가 주도하는 ‘딥 퍼플(Deep Purple)’ 프로젝트는 해상풍력 발전소를 수전해 시스템, 해저 수소저장탱크 및 수소연료전지와 결합하여 운영하는 사업이다. 풍력발전의 잉여전력은 수전해를 통해 수소를 생산하여 해저에 압축,저장된다. 이렇게 생산된 수소는 육지로 이송되어 연료로도 사용될 수 있다. 또한 풍력량이 적어 발전소가 목표 발전량을 달성하하지 못하였을때는 연료전지에 수소를 공급하여 전기수요에 대응할 수 있다. TexhnipFMC는 수소시스템 컨설팅회사인 HYON, 다국적 전력회사인 Vattenfall, 석유회사 Repsol, 기술회사 abb, 노르웨이선급과 독일선급이 합병한 인증검사 전문기관인 DNV GL등과 협력하고 있다.
세 번째로 벨기에의 발전소 설계 전문기업 트렉터벨 엔지니어링(Tractebel Engineering)은 수소를 생산할 수 있는 400MV급 해상풍력발전소 P2G를 개발 중이다. 여기에는 수전해 설비, 변압기, 바닷물의 염분을 제거하는 탈염 플랜트와 함께 수소생산에 필요한 모든 기술구성요소가 포함된다. 트렉터벨 엔지니어링(Tractebel Engineering)관계자는 “해상 P2G 플랫폼에서 생산된 수소는 파이프라인으로 가스 그리드에 연결하거나 질소를 더해 암모니아(NH3)으로 합성한 뒤 배로 운송할 수 있다”고 밝힌 바 있다.