Update2024.05.12 (일)
풍력 신성장동력화 위한 대책 시급
■국가별 동향(유럽)
◇주요 정책 및 연구개발 프로그램
유럽은 2020년까지 북해를 중심으로 40GW의 해상용 풍력단지를 개발할 계획이며, 유럽 각국에 효과적으로 분배하기 위해 영국과 독일 스웨덴 등의 북유럽 7개국을 해저케이블로 연결하는 Super Grid 관련 논의가 진행 중이다.
유럽은 다음과 같이 다양한 프로젝트를 통해 풍력 관련 연구를 진행 중이다. EU Framework에서는 기술 영역의 핵심역량 확보 등을 목표로 다양한 관련 주제에 대해 연구가 진행 중이다. ReliaWind는 구성기기의 신뢰성의 모니터링 및 가격 경쟁력과 신뢰성 향상을 위한 기술 개발을 목표로 해 실제 측정 데이터의 해석 및 고장 모드의 근본원인 검증, 새로운 설계 방안 제안 등의 연구를 진행하고 있다. UpWind는 초대형(8~10MW) 풍력시스템의 설계를 목표로 기상학 및 시스템 설계 기술을 포함한 풍력발전 시스템 개발 관련 기술의 연구를 진행하고 있다.
덴마크는 리파워링 프로젝트로 적은 면적에서 보다 많은 발전량을 얻기 위해 기존의 풍력발전기들을 교체하고 있다. 대형 풍력발전 프로젝트로 기후상태·풍력발전기 설계·전기시스템·제어·통합연구·시장 등 다양한 분야의 연구를 수행하고 있으며 Hoevsoere 지역에 테스트 부지를 확보해 5MW 이상급 풍력발전기를 테스트 하고 있다. 2006년 초부터 Risø National Laboratory 등을 중심으로 해 38개의 업체 및 연구소가 참여해 Upwind 프로젝트를 수행하고 있다.
독일은 덴마크와 함께 풍력분야의 기술이 가장 앞선 나라이며, 향후 개발할 주요 기술 개발로서 초대형(~10MW) 풍력발전기 개발 프로젝트와 해상 풍력 기초 기술 개발 프로젝트를 진행 중에 있다. 초대형 풍력발전기 개발 프로젝트에서는 해상풍력시스템의 유지보수 용이성 개선 방안 모색, 전체 중량 저감을 위한 시스템 기반 기술 개발, 감시(Condition Monitoring) 관련 기술 향상과 혹한 기후 적응성 개선에 대해 연구한다. 해상 풍력 기초 기술 개발 프로젝트에서는 기존 지지구조의 최적화, 새로운 구조 개발을 비롯해 수중 깊이의 최적화, 심해 설치 해결 방안에 대해 연구하고 있다.
■국가별 동향(미국)
◇주요 정책 및 연구개발 프로그램
미국은 2005년에 대체에너지 분과(EERE)의 리더십과 산업계의 가이드에 바탕을 둔 에너지 정책을 수립했다. 2006년에는 기술발전과 응용에 같은 비중을 두며 기술을 발전시킨다는 계획을 세워 진행 중이다. 이는 해상 풍력발전과 대규모 파트너십 구축을 위해 2006년까지 대형 풍력발전에 집중된 연구 활동 비중을 낮추어 계통연계에 대한 안정성을 확보하는 연구에 비중을 두는 전략이다.
기술개발은 에너지부(DOE) Wind Energy 프로그램에 의해 진행되고 있으며, 풍력시스템의 발전 원가절감·성능제고·안정성 향상에 관심을 가지고 있다. 이 프로그램의 궁극적 목표는 풍력에너지 사용 증가를 통해 유가 및 문제의 경제적인 부담을 줄임과 동시에 국가 에너지 수급에 기여하게 함으로써 국가 에너지 정책 기반을 강화시키는 것이다.
해상용 풍력발전기 시장의 잠재성을 확인하고 2009년 해상용 풍력발전시장 진입을 위한 연구가 증가하고 있다. 현재 보유기술과 해상용 풍력발전기의 장기적인 원가절감 방안에 대해 연구하고 있다. 2006년 국립재생에너지연구소(NREL)는 해상용 풍력발전기의 설계를 위한 시뮬레이터를 개발했다. 현재 해석과 평가를 위해 모델과 다양한 형태의 기초구조물에서의 해상용 풍력발전기를 비교하는 작업이 진행 중에 있다.
국내 전문인력 육성책 필요
기술격차 극복 위한 노력 절실
■국가별 동향(일본)
◇주요 정책 및 연구개발 프로그램
일본은 일본 환경에 적합한 풍력발전 시스템의 개발이 연구 개발의 핵심 주제이다. J-Class 풍력발전 시스템 개발 지침이 핵심 연구 개발 프로그램으로서 태풍이나 번개 등의 극한 환경에서도 견딜 수 있는 일본형 개발에 집중하고 있다. 최적 조건의 풍력발전 시스템 개발과 함께 Field Test 및 계통 안전화를 위한 데모 프로그램도 동시에 진행하고 있다.
미쓰비시는 2006년에 2.4MW 풍력발전기를 요코하마에 건설했고, 후지는 2MW 풍력발전기 설비 개발 등 기업 중심으로 풍력발전 시스템을 개발하고 있다. 국가 기관인 신 에너지·산업기술 총합개발기구(NEDO)의 지원 하에 일본 내 풍력발전에 적합한 지역에서 시험 운전을 진행하고 있다.
■국가별 동향(한국)
◇주요 정책 및 연구개발 프로그램
풍력시스템의 전주기적 개발 지원을 통해 블레이드·제어기·전력변환장치와 요소부품의 설계 원천기술 및 시스템 엔지니어링 기술 확보를 위한 프로그램을 개발하고 있다. 국내 연구기관을 중심으로 한 요소부품 및 시스템의 신뢰성평가를 위한 기반 구축을 진행 중에 있다.
국내에서 개발된 풍력발전시스템을 주축으로 경쟁력 강화를 통해 수입대체 및 수출상품으로 육성하기 위해 대규모 해상풍력 실증단지를 계획하고 있다. 미래의 풍력시장에 대응하고 시장을 선점하기 위해 대수심용 부유식 해상풍력발전시스템의 설계기술 개발을 추진하고 있다.
제3차 신·재생에너지 기본계획에 따라 풍력발전은 2030년 1차 에너지 대비 1.4%, 누적설비용량 7.3GW를 구축할 계획이다. 향후 5년간 2,900억원을 투자해 2020년까지 2,000MW의 국산 풍력발전기를 공급한다는 Win2000 프로젝터를 추진하고 있다.
풍력단지에서 접속 시 한전 변전소까지 전용선로의 신설이 필요하며, 대용량 풍력발전단지 인근의 한전 송전계통 접속 시 송전선로에서 접속을 허용하는 등과 같은 한전 송전계통 및
◇기술경쟁력 분석
현재까지의 풍력 관련 기술개발을 통해 선진국의 기술수준에 근접하고 있으나 전문 인력 및 인프라 구축의 정도에도 선진국과 격차가 크다. 전문 인력의 확보 측면에서는 설계 평가, 인증, 시스템 해석, 성능 시험 및 평가의 순서로 취약한 상태다.
인프라 구축에서는 인증, 성능시험 및 평가, 설계 평가, 시스템 해석 등 전문 인력 보유항목에 비해 더욱 많은 취약점을 가지고 있다. 기술격차가 큰 대부분의 기술에 대한 취약 요인은 기술개발 경험 부족, 시장 불투명, know-how 중복 등 시장에서의 학습 부족에서 비롯된 것이지만 현재 활발한 기술개발의 진행으로 많은 부분에서 이러한 취약점들이 극복돼고 있다.
■국내외 주요기업의 생산활동
◇블레이드
풍력터빈 블레이드 제조업체들 중 선두주자로 자리하고 있는 LM Glasfiber社가 전 세계 공급량의 25%(2008년 기준)를 차지하고 있다. 국내에서는 (주)KM社가 블레이드를 생산하고 있으며, 최근 3MW급 복합재료 블레이드를 개발해 실증 중에 있다.
◇증속기
증속기 부품은 Winergy社가 연간 총용량으로 9,000MW 이상을 생산해 증속기 제조업체들 가운데 선두자리를 차지하고 있으며, Hansen社는 두 번째로 큰 증속기 공급업체로서 지난 30년간 2만대가 넘는 증속기를 공급했다. 국내에서는 효성중공업과 두산중공업이 750kW급 유성기어 1단과 헬리컬 2단, 2MW급 유성기어 2단과 헬리컬 2단의 제작 기술을 보유하고 있으며, 두산중공업은 3MW급 디퍼렌셜방식 증속기를 개발했다.
◇발전기
풍력터빈용 발전기는 현재 Enercon, Siemens, Dongfang, Huan XEMC사가 직접구동방식을 사용하고 있으며 자체 생산을 하고 있다. 특히 Enercon은 직접구동방식 발전기를 100% 자체제작하고 있다. 국내의 경우 효성중공업이 중국시장을 주요 거점으로 2,000MW를 양산했으며 부분적으로 자체 생산을 하고 있다. 현대중공업은 이중여자 유도형과 농형유도형 발전기, 영구자석형 동기 발전기를 주로 양산하고 있으며 600kW에서 2.5MW급까지 가능하다.
◇베어링
전 세계 시장의 65% 이상을 차지하는 대형 베어링 공급업체인 SKF와 FAG는 오래전부터 풍력산업에서 활동을 해 왔고 육상과 해상 풍력터빈의 전반적인 베어링을 제조하고 있으며 5MW급 이상까지도 공급이 가능하다.
국내업체에서 일진은 1.5~2.5MW급 주축·요·피치 베어링을 주력 상품으로 생산하고 있다. 태웅은 전 세계에서 가장 큰 규모의 단조와 롤러 링 공급업체로 활동하고 있으며 9,000mm의 규모를 소화할 수 있는 기술을 확보하고 있다. 평산은 중국 다롄에 1.5~2MW급 요 베어링을 생산할 수 있는 기술과 공장을 확보하고 있다.
◇전력변환기
전 세계적으로 40 여개의 독자적인 전력변환기 공급업체(유럽 : 14개사, 중국 : 18개사, 북아메리카 : 4개사, 한국 : 3개사)들이 있다. 유럽지역의 대표적인 공급업체로는 ABB(스위스), Coverteam(영국), Inge-team(스페인), Windtec- AMSC(오스트리아)이 있다. Danish KK는 전력변환기 제조에서 선두주자로서 오랫동안 유럽지역의 주요 터빈 제조업체에 공급 했다.
◇변압기
변압기의 대표적인 업체로는 ABB, CG가 있다. ABB는 전 세계 풍력산업에서 안정적이고 효율적으로 운영돼고 있는 6,000여대 이상의 건식 변압기를 보유하고 있다. CG는 벨기에의 선두 전력변환기 공급업체이며 해상풍력을 포함해 유럽 시장의 25%를 차지하고 있다. 국내업체로는 국내 시장의 50%를 차지하고 있는 효성중공업이 있으며, 현대중공업도 발전기와 전력변환기 뿐만 아니라 변압기를 생산하고 있다.
◇타워
현재 전 세계적으로 약 66 여개의 타워 공급업체가 있으며 대륙별 분포를 보면 유럽 22개, 북아메리카 18개, 아시아 26개의 업체가 있다. 국내 타워 생산업체로 대표적인 업체는 연료동국S&C다. 동국S&C는 2008년 기준 18.5%의 시장 점유율로 풍력터빈 시장의 타워 부분에서 세계 1위를 기록하고 있으며, 일본 풍력타워 시장에서도 2008년까지 총 117 기를 공급하면서 풍력타워 부문에서 점유율 91%를 차지하고 있다.
■시장규모 및 전망
전 세계적으로 신재생에너지 관련 정책과 투자가 활발히 이루어지고 점차적으로 풍력터빈의 규모가 커짐에 따라 풍력소재의 소비 또한 매년 증가하고 있다. 이러한 소비는 풍력터빈에서 소재 사용 비중이 가장 많은 철강재로서 89%를 차지하며 타워가 전체 무게 비중에서 약 70% 정도 차지한다.
연간 약 7,000여대(미국 기준)의 풍력터빈에 해당하는 제조 수준에 도달하기 위해서는 강재의 경우 2010년 46만4,000톤에서 2030년에는 230만8,000톤으로 약 5배정도 소비량이 증가할 것으로 예측하고 있다.
◇주조용 소재
풍력터빈에 사용돼는 주철 소재는 주프레임과 허브에 주로 많이 사용되고, 증속기의 하우징과 베어링의 하우징에 추가적으로 많이 사용된다. 풍력터빈의 용량이 증가함에 따라 사용돼는 주철 소재의 무게비도 증가한다. 1.5MW보다 작은 풍력터빈에는 MW당 약 12톤, 1.5∼2.5MW급 풍력터빈에서는 약 20톤, 2.5MW보다 큰 풍력터빈에는 약 30톤의 주철 소재가 사용되고 있다.
2008년도의 풍력산업 시장에서 요구된 주철 소재의 수요는 약 54만9,703톤 정도였다. 향후 예상돼는 풍력터빈의 전 세계 신규 설치의 총용량과 용량별 풍력터빈의 설치 대수를 고려하면, 주철 소재의 수요는 매년 꾸준히 증가해 2013년에는 약 114만1,140톤이 예상돼 약 2배 이상으로 시장 규모가 클 전망이다.
◇단조용 소재
풍력터빈에 사용돼는 단조용 소재는 주축이 가장 대표적이고 증속기 내부의 기어 휠과 림, 대형 베어링의 링 그리고 타워 플랜지와 같은 부품에 주로 사용된다. 풍력터빈의 용량이 증가함에 따라 사용돼는 단조용 소재의 무게비도 증가한다. 1.5MW보다 작은 풍력터빈에는 MW당 약 6톤, 1.5∼2.5MW급 풍력터빈에서는 약 10톤, 2.5MW보다 큰 풍력터빈에는 약 15톤의 단조용 소재가 사용되고 있다.
2008년도의 풍력산업 시장에서 요구된 단조용 소재의 수요는 약 46만2,316톤 정도였다. 향후 예상돼는 풍력터빈의 전 세계 신규 설치의 총용량과 용량별 풍력터빈의 설치 대수를 고려하면, 단조용 소재의 수요는 매년 꾸준히 증가해 2013년에는 약 95만9,728톤 정도로 약 2배 이상의 시장 규모가 화장될 것으로 전망된다.
◇수지 소재
현재의 풍력 블레이드 제작을 위해 코팅과 경화재로 다량의 에폭시를 사용한다. 에폭시는 점차적으로 대형화 되는 풍력터빈에 있어서 중요한 소재로 가볍고 물성이 좋아 많이 사용되고 있다. 에폭시는 2~3MW급 풍력터빈 1 대 기준으로 약 9톤가량 소비된다. 풍력터빈 블레이드용 에폭시 수지의 시장 규모는 약 1조원대로 2008년부터 2015년까지 연평균 18.2%의 성장을 감안한다면 2015년에는 약 2조원 대에 이를 것으로 전망되고 있다.
◇자성 소재
영구 자석의 세계 시장 규모는 2007년 기준으로 3조5,000억원 정도이고, 연간 약 25% 증가하는 추세다. 풍력발전기 1대에는 약 1~2톤 정도의 자석이 사용되므로 향후 풍력발전기의 생산 증가와 함께 자석의 수요가 급증할 것으로 예상된다.
産·學·硏 협력, 수출 주력산업화 필요
불확실성 해소 위한 정부 보급정책 절실
■연구개발 과제
◇초대형 풍력터빈의 설계 및 소재 적용 기술 연구
초대형 풍력터빈을 대상으로 통합 풍력터빈 설계 및 풍력단지의 설계를 목적으로 설계 데이터를 확보하는 연구가 EU에서 ‘UPWIND 프로젝트’란 이름으로 진행되고 있다. 초대형화에 따른 소재의 무게비를 고려한 재료의 적용방안, 최신 제어 및 측정시스템 등이 관련된 고도의 신뢰성과 무게의 저감에 필요한 기술 및 설계 도구를 개발하는 연구다.
◇초대형 풍력 블레이드 소재 연구
풍력발전기와 관련된 미래 소재분야의 연구방향은 해상풍력용 초대형 발전기의 설계 및 제조에 필요한 소재의 개발에 초점이 맞춰져 있다. 블레이드의 경우 70~100m에 이르는 대형 구조물을 설계·제조해야 하는데, 기존의 개념을 뛰어넘는 아이디어를 요구하고 있다.
현재의 50~60m급 블레이드의 경우, 고강도 탄소섬유와 유리섬유를 도입하거나 보강재의 성능을 최대로 활용하기 위한 섬유배열 및 적층방법 등을 향상시키는 기술 등이 연구돼 왔다. 초대형급 블레이드에도 하이브리드화 등을 통한 성능대비 경제성을 향상시키는 방향으로 연구가 수행될 것으로 보인다.
블레이드 소재의 피로 데이터베이스와 신뢰성 데이터베이스를 구축하는 프로그램이 계속 진행되고 있으며, 대형 블레이드 구조물의 비파괴검사 기술 도입과 향상을 위한 연구가 진행되고 있다. 선진국의 경우 기존의 초음파방법보다는 열전사(Thermography)에 의한 비파괴시험 기술을 개발하고 있다.
◇주조 및 단조 부품의 제조 기술 연구
앞에서 언급한 바와 같이 초대형화되는 구조물에 대비한 주조 및 단조 부품의 제조기술 및 생산 능력이 세계적으로 부족할 것으로 예상된다. 타워용 하부 플렌지 직경이 4m를 상회하는 링형 부품을 제조하기 위한 기술 및 설비가 구축돼야 하는데, 단조 분야에서 상당한 기술을 보유한 국내기업에서도 설비투자 및 기술구축을 위해 노력을 하고 있다.
◇영구자석 소재의 제조 공정 개발 연구
현재 풍력발전기용 희토류 영구자석에는 안정적인 보자력 성능을 유지하기 위해 약 3∼6 wt.%의 디스프로슘(Dy, Dysprosium)를 함유한 조성을 사용하고 있다. 반면에 Dy은 희토류 금속 중에서도 매장량이 한정돼 있는 고가의 금속이므로 향후 안정적인 자석공급을 위해 제조공정의 혁신적인 개선과 신공정 개발에 의한 low Dy 혹은 Dy free 합금개발이 필요하다. 또한, 대형 자석을 균일한 품질로 생산하기 위해 자기회로 설계에 의한 균일 자장성형, 소결프로파일 개선에 의한 소결수축 안정화, 고신뢰성 코팅 기술 등의 개발이 요구된다.
■풍력산업 선진국을 향한 과제
◇풍력 산업 수출 주력화 위한 産·學·硏 협력 강화
풍력산업에는 산업 전반에서 요구되는 다양한 소재가 복합적으로 적용된다. 풍력터빈의 일부 부품 소재는 해외 선진국의 기술 수준에 도달한 부품 소재도 다수 있으나, 주요 부품 소재의 해외 의존도가 아직 높다. 풍력산업을 신성장동력산업으로 육성해 수출 주력화산업으로 발전시키기 위해서는 産·學·硏이 협력해 주요 부품 소재의 기술 선점을 위한 공동의 연구 개발이 요구된다.
◇풍력산업 활성화를 위한 정부의 적극적 지원
풍력산업은 세계 시장의 새로운 산업으로 진입이 확실시 돼는 대표적인 신성장동력산업이다. 후발 주자인 국내의 풍력산업이 선진국과 경쟁하기 위해서는 우선적으로 국내에서의 풍력산업 활성화가 선행 돼야 한다. 이를 위해서 정부의 활발한 보급 정책이 요구된다. 그리고 풍력터빈의 부품 소재에 대한 국내업체의 기술개발 활성화를 위한 연구 개발에 대해 정부의 자금 지원이 적극적으로 요구된다.
