해상풍력발전 유지보수를 위한 항만물류

해상풍력발전의 특성 및 장단점

해상풍력은 육상풍력보다 풍향 자원이 우수하여 장시간 고출력의 가동이 가능하고 소음, 공간적 한계 등 이해관계의 보완에 유리하다. 해상풍력 시스템은 터빈을 해저 지반의 기초 구조물에 설치하는 고정식과 부유체에 터빈을 설치해 운영하는 부유식 두 가지로 구분할 수 있는데 부유식 해상풍력의 경우 연안이 아닌 먼바다에 설치해 바람 자원이 더욱 풍부하고 입지 제약에서 상대적으로 자유로워 대규모 단지 조성을 통해 에너지 평준화 비용(Levelized Cost of Energy, LCOE)를 더욱 낮출 수 있다는 장점이 있다.
다만 해상풍력은 육상풍력에 비해 유지보수가 훨씬 어려우며 필요한 비용도 증가한다. 풍속, 파고 등 기상 상태에 따라 터빈에 접근 가능한 날이 불규칙적으로 변화하며, 해상의 가혹한 환경으로 인해 터빈의 고장율도 육상에 비해 높기 때문이다. 대규모 해상풍력 단지의 경우 운영 및 유지보수 비용이 생애주기의 20~30 %를 차지하여 확률적인(Stochastic) 외부 요인과 선박, 기술자 등 유지보수 리소스를 동시에 고려한 체계적인 정비계획 수립이 필수적이다.
해상풍력은 영국, 독일, 덴마크 등 북해를 접한 국가들의 주도로 다양한 연구와 사업이 추진되어 왔다. 영국의 경우로 살펴본다면 지속적으로 확대 설치되고 있는 해상풍력 터빈의 유지보수 비용이 2020년 기준 2013년에 비해 약 4배 이상 증가하였으며 앞으로 더욱 증가할 것으로 예측되고 있다. 최근 정부도 신재생에너지 기술개발 및 보급실행계획의 일환으로 해상풍력발전 설비 설치, 개발, 부품 국산화 등에 힘쓰며 2030년까지 13GW 신규 설치를 목표로 하고 있다. 하지만 국내 풍력사업자들은 해상풍력 운영 경험이 부족하여 향후 대규모 해상풍력단지 운영을 위해서는 효율적인 유지보수 계획 수립 등의 제반 기술을 확보해야 한다.

해상풍력발전 유지보수의 중요성

해상풍력발전에서는 효율적인 유지보수를 통해 프로젝트 유지에 사용되는 돈과 기술적 문제로 인해 전기 출력이 제한될 때 손실되는 수익 사이의 균형을 맞추어야 한다. 프로젝트의 성능을 측정하는 중요한 척도는 터빈 가용성으로 알려져 있는데 이러한 터빈 가용성은 터빈 또는 전체 풍력 발전소가 기술적으로 전기를 생산할 수 있는 시간의 비율을 의미한다. 따라서 가용성은 풍력 터빈의 비가동으로 인한 전력 손실의 양을 측정하는 척도로 사용된다. 유지보수(O&M) 비용과 비가용성으로 인한 손실 수익 사이의 균형은 프로젝트마다 다르지만, 현재 해상 풍력 발전소는 일반적으로 90%에서 95% 사이의 가용성을 달성하고 있으며, 훨씬 낮은 O&M 비용을 필요로 하는 육상 풍력 발전소는 일반적으로 97%의 높은 가용성을 달성하는 추세이다.

위의 그림은 터빈 가용성의 함수로서 O&M 비용에 대한 지표적 추세를 보여준다. 터빈이 100% 가용성에 가까워짐에 따라 수익 손실 비용은 0으로 감소하지만, 100% 가용성이 필요할 경우 이를 달성하는 비용은 기하급수적으로 증가한다. 풍력발전소 소유자가 O&M에 너무 적게 투자하면 터빈과 다른 부품의 성능이 떨어지는 형태의 패널티 비용이 부과된다. 반대로, 소유자가 적정 O&M 비용을 초과하여 투자하는 경우 가용성은 증가하지만 과한 O&M비용으로 인해 수익이 감소한다. 이 차트는 총 비용 곡선의 가장 낮은 지점에서 이론적 최적화를 보여주며, 물론 프로젝트마다 차이가 있으므로 상황과 비용을 고려하여 유지보수에 적절한 투자가 필요하다.

해상풍력발전 유지보수

해상풍력 유지보수 비용에는 유지보수 활동에 투입되는 직접적인 비용 뿐만 아니라 터빈 정비 또는 고장에 따른 비가동에 수반되는 발전량 손실도 포함된다. 직접비에는 유지보수에 투입되는 선박, 기술자, 부품 등의 고정비용과 이들을 운용하는데 발생하는 변동비용이 포함된다. 직접적인 운영비용 중에서는 기술자와 부품 이송 등 정비 활동에 직접 투입되는 선박 운항비용이 가장 큰 비중을 차지하므로 도입과 운항을 계획적으로 수행되어야 한다. 선박 운영에 따른 비용은 사업자 입장의 문제이지만, 탄소중립 패러다임 관점에서도 해상풍력단지의 정비 운항이 비효율적으로 운영된다면 온실가스 저감을 위한 재생에너지 확대에 역행하는 아이러니를 초래할 수 있다. 해상풍력단지로의 접근은 날씨에 따른 영향이 크기 때문에 기술자와 부품 운송에 보편적인 이송선(Crew Transfer Vessel, CTV) 이외에도 다양한 운송수단이 도입 또는 임차되어 운용되고 있다. 유의파고가 약 1.5m 이상만 되어도 터빈 접근이 불가능한 CTV와 다르게, 대형 작업선(Service Operation Vessel, SOV)은 운항 비용은 비싸지만 유의파고가 2.5~3미터가 넘는 거친 기상 여건에도 기술자들이 터빈에 접근할 수 있고 풍력단지에서 오랫동안 머물면서 정비작업을 지원할 수 있다. 이 밖에도 헬리콥터, Jack-up 선박 등의 특수 수단들이 동원되기도 한다. 이러한 운송수단들은 도입 비용이 크게 부담되지만 지속적인 유지보수 비용 절감을 위해서는 적정 대수의 선박을 운용할 필요가 있다. 아래의 사진은 왼쪽부터 각각 Jack-up 선박, SOV, CLV(Cable Laying Vessel), CTV 순서이며, 모두 해상풍력 터빈 설치 및 유지보수를 위해 활용되고 있다.

유지보수 업무는 위의 그림과 같이 크게 계획(예방)정비(Preventive Maintenance)와 고장정비(Corrective Maintenance)로 나눌 수 있다. 계획정비는 예방정비의 개념으로 수행되는 정비 유형으로서 고장이나 기능 저하 가능성을 줄이기 위해 미리 정해진 간격으로 또는 규정된 기준에 따라 수행되는 유지보수 활동이다. 이는 세부적으로 정해진 시간 간격으로 수행되는 주기적 유지보수(Predetermined Maintenance)와 부품의 현재 상태를 기반으로 하는 상태기반 유지보수(Condition-based Maintenance)로 분류할 수 있다.

최근에는 IoT 센서와 머신러닝 기술의 발전으로 예지 정비(Predictive Maintenance)라는 개념이 등장하였다. 예지정비는 상태기반 유지보수와 마찬가지로 감시 제어 및 데이터 수집 시스템(Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA)과 상태 모니터링 시스템(Condition Monitoring System, CMS)등으로 획득한 데이터를 활용하지만 부품의 현재 상태를 기반으로 하는 상태기반 유지보수와는 차이가 있다. 상태기반 유지보수의 경우 측정된 값이 일정 수치 이상이 나타났을 때 이를 감지하여 즉각적으로 유지보수 하는 것이고, 예지정비의 경우 수집된 데이터를 고장 이력과 연결시켜 잔존수명과 부품 교체 필요 시기를 예측하는 알고리즘을 개발하여 적정 시기가 되면 정비를 수행하는 것이다.
고장정비는 터빈 또는 부유체 등에 결함이 발생하여 터빈의 가동이 중지되었을 때 수행하는 것으로서 정비 시간 동안에만 비가동 비용이 발생하는 계획정비와는 다르게 고장 발생시점부터 정비를 완료하는 시간까지 비가동 비용이 발생한다. 따라서 발생 즉시 부품 운송 계획과 인력 배치 계획을 세워 가능한 한 빠르게 실행하여야 한다.
유지보수 활동에 수반되는 비가동비용은 터빈의 가동 정지에 따른 발전량 손실을 금액 단위로 환산한 것인데 터빈의 발전량은 그때의 풍향, 풍속, 후류 효과 등에 영향을 받기 때문에 비가동비용 역시 실시간 기상 조건과 후류 효과의 영향을 받아 각 터빈별로 매시간 변하게 된다. 후류 효과란 앞쪽에 배치된 풍력터빈에서 발생한 난류가 뒤쪽 풍력터빈의 출력을 감소시키는 것을 의미하는데, 전단 풍력터빈이 비가동 상태일 때는 후단 풍력터빈들도 후류 효과로 인해 출력이 만회될 수 있다. 비가동비용을 포함한 유지보수 비용을 절감할 수 있는 현실적인 최적화 계획을 세우기 위해서는 이러한 다양한 기상여건과 터빈의 가변성을 모두 고려하여야 한다. 이처럼 복잡하고 비용과 인력이 많이 투입되는 유지보수를 효율적으로 진행하기 위해서는 우리나라도 관련 투자를 확대해야 하는 상황이다. 현재 중국과 인도에 풍력과 관련해 미국 투자자본이 투입되는 경우와 비교하면 한국 풍력시장 규모가 비교적 작은 상황이지만 앞으로 필수적으로 확대되어야 할 친환경 에너지원임을 감안한다면, 최대한 전문기업 투자 및 전문가 양성 등으로 유지보수 기술을 세계적인 수준으로 끌어올리는 것이 필요하다.