산·학 전문가 협업 통한 공동 발간 추진
[일렉트릭파워 이재용 기자] 한전 전력연구원(원장 이중호)는 지난 2008년 10월 ‘국내 해역의 중형 해상풍력발전 플랜트 타당성 조사 연구’를 시작으로 ▲단지개발 ▲지지구조 시스템 ▲통합운영 및 공존관리 등 전주기 해상풍력 기술에 대한 연구를 수행해 관련 기술과 역량을 축적해 왔으며, 서남해 해상풍력 실증단지(60MW)의 성공적인 적용을 통해 성과를 이끌어냈다.
한전은 해상풍력단지 개발에서의 역할이 높아짐에 따라, 해상풍력사업단을 조직해, 한전 주도의 해상풍력 사업을 본격화하고 있다.
전력연구원은 사업화 단계에서 직접적으로 활용이 필요한 기술 공급을 초점으로, 연구범위를 넓히고 있다.
기존 연구가 미래지향적 목표를 통해 향후 필요할 것으로 예측되는 연구를 중심으로 수행됐다면, 고정식 지지구조 기술개발 연구는 지난 실증단지 조성의 경험을 바탕으로, 한전 해상풍력사업단과 협력해 직접 활용이 요구되는 현안 기술을 개발한다는 목적이다.
사업여건에 맞는 지지구조 선정·활용
전력연구원 고정식 지지구조 기술은 특정 지지구조 형식의 개발이 아닌, 한전에서 공급하고자 하는 지지구조의 목표성능을 결정하는 설계기술을 개발하는 것이다.
경두현 한전 전력연구원 신재생에너지연구소 재생에너지연구실 선임연구원은 “세계 고정식 해상풍력에는 중력식, 모노파일, 자켓 등 다양한 지지구조가 활용되고 있다”며 “본 연구에선 국내 고정식 해상풍력 대상 지역을 중심으로 활용이 가능한 다양한 지지구조의 설계 특성을 분석하고, 설계기술을 수립하고자 한다”고 설명했다.
서남해 해상풍력에 활용됐던 4legs 자켓 파일, 트라이포드 석션 지지구조 형식 뿐만 아니라, 모노파일, 3legs 자켓 파일, 자켓 석션 버켓 등 다양한 기초의 설계 기술을 제공해 동일한 단지에서 다양한 형식의 지지구조를 고려하고, 사업 여건에 맞는 지지구조를 선정해 활용할 수 있도록 한다는 계획이다.
한전의 해상풍력 사업이 본격화되면서 현안 기술에 대한 요구사항이 높아질 것으로 전망된다. 지난해 8월 전력연구원은 한전 해상풍력사업단과 기술 교류를 통해 설계, 시공, 터빈 운송 및 설치 단계에서 필요한 요소기술을 논의하고, 한전 해상풍력 기술개발 로드맵에 이를 반영한 바 있다.
경두현 선임연구원은 “본 연구에서 도출될 한전의 해상풍력 지지구조 설계기준은 지지구조 설계단계에서 필요한 기술토대가 될 것”이라며 “향후 적용의 확대 및 기술 발전에 따라, 지속적인 업데이트 및 관리가 이뤄질 것”이라고 말했다.
이번 연구의 대표성과물인 한전 해상풍력 지지구조 설계기준은 공신력 확보를 위해 산·학 전문가들과 협업을 통한 공동 발간을 추진하고, 이를 통해 현장 적합성 및 신뢰성을 입증한다는 계획이다.
협업 기관은 설계기법, 설계하중, 강구조, 기초, 세굴, 내진, 진단 및 유지관리 등 해상풍력 지지구조 설계에 관련된 박사급 분야별 전문가 집단을 전제로 재보험, 설계사 PF 등 이해당사자가 참석한 공청회를 개최해 현업 관계자의 동의를 구하고, 기준의 공신력을 제고한다는 방침이다.
또 국내 고정식 지지구조 해양조건에 대한 축적자료를 기반으로 다양한 해양조건에서의 지지구조별 기본설계안을 도출하고, 국내 해양의 특성 및 산업 여건에 따라 지지구조 선정에 필요한 프로세스를 수립해 한전 사업에 활용할 예정이다.
아울러, 이번 연구의 실험 및 해석, 설계 과정에선 국외 선도 연구기관과의 협업을 통해 도출되는 데이터에 대한 신뢰도를 높일 계획이다.
다양한 기관들과 협업··· 복합적 연구 수행
경두현 선임연구원은 “본 연구에선 전체 지지구조 시스템 성능 및 공신력 확보를 위한 현장실증시험 및 기술 검증을 계획하고 있다”며 “현장실증시험은 하나의 현장을 대상으로 수립된 기준을 이용해 지지구조별 상세설계를 수행하고, 현장 시공 및 구축 후, 하중재하를 통해 지지구조별로 기대한 성능이 확보됐는지를 확인하는 시험”이라고 설명했다.
이어 “또 이때 도출되는 상세설계(안)의 제3기관 인증을 수행해, 수립된 기준으로부터 도출된 설계(안)이 국제적으로 활용이 가능한 것을 확인하고, 한전 설계 기준의 활용성을 검증할 예정”이라고 말했다.
이번 연구에서 주안점을 둔 부분은 기초 저항성 측면에서의 기초의 표면과 토양 사이에 작용하는 마찰력인 주면마찰력을 충분히 활용하도록 해, 합리적이고 경제적인 설계를 수행할 수 있도록 유도하는 점이다.
경두현 선임연구원 “기존 기초구조물의 설계기법은 암반에 기초 선단부를 거치하는 선단지지말뚝을 기반으로 설계·시공이 돼왔다. 이는 우리나라 국토의 70%가 산악지형으로 구성돼 있어, 지반의 질이 상대적으로 우수해 암반 노출이 비교적 낮은 심도에서 발생하는 경우가 많았던 것에서 기인한 측면이 있다”며 “침하와 같은 문제에 대한 안정성 확보에 암반층 거치가 매우 효과적인 특성이 있다. 하지만, 해상의 경우, 육상에 비해 시공작업이 매우 까다롭다”고 설명했다.
이어 “기존 사례를 분석했을 때, 암반 거치에 소요되는 작업 일수가 전체 공정의 40%에 육박할 정도로 큰 부분을 차지하고 있다는 것을 확인했다. 이에 따라 불가피한 경우를 제외하고는 암반이 아닌 충분한 저항성을 확보할 수 있는 지층에 설계를 수행하는 것이 해상풍력 지지구조의 경제성을 확보하는데 매우 중요한 부분으로 판단하고 있다”고 설명했다.
또 이를 현실화하기 위해선 지반에 대한 고신뢰도의 설계정수를 얻을 수 있는 체계가 필요하며, 이번 연구에선 정확도가 높은 지반조사 방법인 콘관입시험(CPT, Cone penetration test) 또는 이에 준하는 고신뢰도 설계 정수 바탕의 설계 프로세스를 통해 최적 설계를 하도록 유도할 계획이다.
한전 전력연구원은 단지설계, 단지개발, 단지운영 및 융복합통합 운영관리 등 넓은 분야에 직·간접적으로 관련된 다양한 기관들과 협업해 복합적인 연구들을 수행하고 있으며, 이런 연구기조는 앞으로도 강조되고 확대될 것으로 보인다.
