[고든 정의 TECH+] "다음은 바다다!" 수직축 풍력 터빈에 도전하는 스웨덴

[서울신문 나우뉴스]

Hywind 부유식 해상 풍력 발전소. Credit: Øyvind Gravås/Woldcam/Statoil

바람은 지구 어디에서든 불지만, 상업 풍력 발전이 가능한 장소는 한정되어 있습니다. 주변에 발전소를 설치해도 문제가 없는 외진 장소여야 하고 충분한 바람이 불어 경제성이 있어야 합니다. 

그런 장소는 육지에는 많이 남아 있지 않기 때문에 최근에는 해상 풍력 발전에 많은 투자가 이뤄지고 있습니다. 바다는 산이나 빌딩 같이 바람을 가로막는 장애물이 없어 높은 발전 효율을 기대할 수 있다는 것도 큰 장점입니다. 

하지만 해상 풍력 발전기를 설치할 수 있는 얕은 바다도 사실 한정되어 있습니다. 현재의 해상 풍력 발전기는 지상 발전기와 마찬가지로 거대한 기둥 위에 풍차와 발전기가 설치된 형태입니다. 당연히 바다가 너무 깊으면 설치가 어렵습니다. 

이런 단점을 극복하고 지구 표면의 대부분을 차지하는 깊은 바다에 풍력 발전기를 설치하기 위한 방법이 부유식 풍력 발전기입니다.

스코틀랜드 해안에서 25km 떨어진 바다에 설치된 하이윈드 (Hywind) 풍력 발전소는 거대한 부표 위에 설치된 6MW급 발전기 5기로 구성되어 있습니다. 수심 95-129m의 바다 위에 총 높이 235m의 거대 부유식 발전기를 설치해 2017년부터 지금까지 안정적으로 운영한 것은 현대 공학 기술의 놀라운 성과라고 할 수 있습니다. 

S1 프로토타입과 구조도. Credit: SeaTwirl

하지만 앞으로 더 거대한 부유식 풍력 발전기를 설치할수록 거대한 부표 위에 풍차를 띄우는 방식은 한계에 부딪힐 가능성이 높다는 주장도 있습니다. 바람이 부는 방향과 수평으로 발전기를 배치하는 전통적인 수평축 풍력터빈 (horizontal axis wind turbines, HAWTs)은 지상에 단단히 고정되어 있을 때는 안정적이나 물 위에 띄운 상태에서는 구조적으로 불안정합니다.

풍차가 회전하는 방향으로 계속 힘을 받을 뿐 아니라 발전기와 기어박스 등 무거운 부분이 가장 높은 곳에 있어 전복될 위험이 큰 것입니다. 이를 극복하기 위해 더 큰 부표를 사용하면 비용도 따라서 커지게 됩니다. 

이에 대한 합리적인 대안 중 하나는 바람이 부는 방향과 90도 수직으로 발전기를 배치하는 수직축 풍력터빈 (vertical-axis wind turbine, VAWT)입니다. 이 방식은 3개의 긴 블레이드를 지닌 전통적인 풍력 발전기보다 경제성이 낮아 상업 풍력 발전에서 널리 사용되지 않고 있으나 장소를 바다로 바꾸면 이야기가 달라집니다. 

부유식 수직축 풍력터빈 분야에서 선두 주자 중 하나인 스웨덴의 씨티훨 (SeaTwirl)은 2015년부터 스웨덴 인근 바다에서 30kW급 부유식 풍력 발전기 프로토타입인 S1을 테스트했습니다. S1은 물 위에 뜬 부분의 높이가 13m이고 잠긴 부분이 18m로 총 높이 31m 정도입니다. 

S1 프로토타입과 구조도. Credit: SeaTwirl

S1같은 수직축 풍력터빈의 가장 큰 장점은 발전기 같이 무거운 부분을 아래에 설치해 무게 중심이 아래에 있다는 것입니다. 물 위에 떠 있을 때는 당연히 안정적인 구조입니다. 여기에 발전기의 회전 지름이 적고 전복 위험도 낮아 서로 밀집해 설치할 수 있습니다. 

S1을 통해 북해의 거친 바다에서도 이 디자인이 안정적으로 발전이 가능하다는 점을 확인한 제조사는 1MW 프로토타입인 S2x을 준비하고 있습니다. 내년 설치 목표로 개발 중인 S2x는 물 위에 있는 부분이 55m, 물에 잠긴 부분이 80m로 수심 100m 이상인 바다에 설치할 수 있습니다. 이후 2020년대 중반에는 상업 발전이 가능한 6-10MW급 부유식 수직축 풍력터빈을 개발한다는 것이 목표입니다. 

현재 부유식 풍력 발전은 초기 단계로 어느 쪽이 대세가 될지는 아직 판단하기 이릅니다. 일반적인 수평축 풍력터빈을 물 위에 띄우는 방법은 이미 확립된 풍력 발전기 생산 시설과 기술의 연장이기 때문에 풍력 발전기 제조사 입장에서 나쁘지 않은 선택입니다. 수직축 풍력터빈은 구조는 안정적이나 완전히 새로운 방식의 발전기를 만들어야 하고 발전 효율이 높지 않다는 단점이 있습니다. 

지구 표면 대부분이 바다라는 점을 생각하면 부유식 풍력 발전은 앞으로 새로운 대세가 될 것으로 예상됩니다. 어떤 기술이 미래의 주인공이 될지 궁금합니다. 

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

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