A review of the characteristics related to the platform design, transportation and installation of floating offshore wind turbine systems with a tension-leg platform

인장각형 부유식 해상풍력발전시스템의 하부 플랫폼 설계 및 운송·설치 관련 특성 고찰

Abstract

In this study, research and empirical cases of floating offshore wind turbine systems with a tension-leg platform are investigated, and hydrodynamic and structural characteristics according to platform shapes and characteristics during transportation and installation are confirmed. Most platforms are composed of pontoons or corner columns, and these are mainly located below the waterline to minimize the impact of breaking waves and supplement the lack of buoyancy of the center column. These pontoons and corner columns are designed with a simple shape to reduce manufacturing and assembly costs, and some platforms additionally have reinforcements such as braces to improve structural strength. Most of the systems are assembled in the yard and then moved by tugboat and installed, and some platforms have been developed with a dedicated barge for simultaneous assembly, transportation and installation. In this study, we intend to secure the basic data necessary for the design, transportation, and installation procedures of floating offshore wind turbine systems with a tension-leg platform.

1. 서론

전 세계는 기후위기 대응을 위해 탄소 중립을 선언하였으며, 이를 달성하기 위해서는 화석연료 중심에서 재생에너지 자원인 바람, 파도, 태양광 등을 이용한 신재생에너지 발전시스템의 보급 확대가 필요하다. 최근에는 먼 바다에서 양질의 바람을 이용하여 높은 효율로 발전하는 부유식 해상풍력발전시스템에 대한 관심도가 높으며, 국내외에서도 다양한 용량 및 형상을 가지는 부유식 해상풍력발전시스템의 개발 및 실증 관련 연구들이 진행되고 있다.

부유식 해상풍력발전시스템의 하부 플랫폼은 그 형상과 안정성을 확보하는 방법에 따라 크게 스파형(Spar), 반잠수식(Semi-submersible), 인장각형(Tension-leg platform)으로 구분할 수 있다[1]. 스파형 플랫폼은 긴 원통형의 단일 컬럼 구조이며 낮은 무게 중심으로 안정성을 확보한다. 반잠수식 플랫폼은 다수의 컬럼과 폰툰, 브레이스 등으로 구성되어 높은 관성 모멘트로 안정성을 확보한다. 마지막으로 인장각형 플랫폼은 반잠수식 플랫폼과 다소 유사한 형상을 가지나 비교적 중량이 작으며, 자체적으로 안정성을 확보하지 못한다. 이러한 인장각형 플랫폼은 강한 텐던의 수직 계류력으로 안정성을 확보하는데, 이때의 텐던의 수직 계류력은 플랫폼의 안정성을 위하여 플랫폼 부력과 균형을 이루어야 한다. Table 1은 각 부유식 해상풍력발전시스템의 하부 플랫폼 형상 및 안정성 유지 방법에 대한 장단점을 요약하여 보여준다.

Table 1 Advantages and Disadvantages of floating offshore wind turbine system based on platform types

인장각형 플랫폼은 비교적 작은 운동 응답, 다양한 적용 수심, 비교적 저렴한 플랫폼의 제작비용으로 유전 개발을 위한 해양플랜트 하부 구조물로써 주로 사용되었다. 인장각형 플랫폼은 Table 2와 같이, 1984년 북해지역 150 m 수심의 유전 개발에 처음 적용되었으며, 그 이후 다양한 수심에 적용되었다. 이러한 인장각형 플랫폼은 작은 운동 응답과 다양한 수심에 적용이 가능하기 때문에 부유식 해상풍력발전시스템의 하부 플랫폼으로도 적합하다. Table 3은 현재까지 개발된 인장각형 플랫폼을 적용한 부유식 해상풍력발전시스템들을 보여준다. 본 연구에서는 인장각형 부유식 해상풍력발전시스템의 하부 플랫폼 초기 설계를 위해 Table 3 내 플랫폼들의 각 형상에 따른 유체역학적 및 구조적 특성, 운송 및 설치 특성 등을 고찰하였다.

Table 2 Summary of the offshore projects using tension-leg platform [2]

Table 3 Summary of the offshore wind projects using tension-leg platform

2. 인장각형 부유식 해상풍력발전시스템의 특성

2.1 유체역학적 및 구조적 특성

인장각형 부유식 해상풍력발전시스템의 하부 플랫폼은 일반적으로 컬럼과 폰툰, 구조 강도 향상을 위한 브레이스 등으로 구성된다. 인장각형 부유식 해상풍력 발전시스템의 하부 플랫폼 부력은 상부 풍력터빈의 총 중량을 초과하며, 남은 부력은 텐던의 수직 계류력과 상쇄되어 플랫폼의 안정성을 확보한다.

인장각형 부유식 해상풍력발전시스템의 하부 플랫폼은 텐던의 강한 수직 계류력에 의해 다소 높은 상하동요(Heave), 횡동요(Roll), 종동요(Pitch)의 고유진동수를 가진다. 반면에 전후동요(Surge)와 좌우동요(Sway)와 같은 수평 운동은 허용한다. 또한, 전후동요 및 좌우동요 발생 시 플랫폼의 침하(Set-down)가 발생된다. Fig. 1은 인장각형 플랫폼의 구성 및 6-자유도 운동을 보여주며 Fig. 2는 플랫폼의 Set-down을 보여준다.

Fig. 1 Schematic view of a tension-leg platform [3]

Fig. 2 Schematic view of a tension-leg platform with set-down [4]

인장각형 플랫폼 설계 시 수직운동들의 고유주파수가 입사파의 주파수보다 높게 설정되어야 하며, 이때에는 텐던의 장력이 동시에 검토되어야 한다. 이외에도 인장각형 부유식 해상풍력발전시스템의 하부 플랫폼은 반잠수식 플랫폼에 비해 상대적으로 크기가 작고 간단한 구조이기 때문에 제작비가 보다 경제적이라는 장점을 가지고 있다.

2.2 운송 및 설치 특성

인장각형 부유식 해상풍력발전시스템 시장 단가에 가장 지배적인 요소는 운송 및 설치에 요구되는 단가이다. 인장각형 부유식 해상풍력발전시스템의 하부 플랫폼은 운용 시에는 높은 안정성과 작은 운동을 가지지만 운송 및 설치 시에는 안정성 확보가 어렵다. 인장각형 부유식 해상풍력발전시스템은 운송 및 설치 시 주로 Wet-tow 방식을 선호한다. Fig. 3를 보면 앞서 언급한 것과 같이 인장각형 부유식 해상풍력발전시스템의 하부 플랫폼 부력은 풍력터빈 중량, 플랫폼 중량 및 텐던의 장력의 합과 같아야 하지만, Wet-tow 및 설치 초기 단계에는 텐던의 장력이 포함되지 않기 때문에 플랫폼이 불안정하다. 따라서 인장각형 부유식 해상풍력발전시스템의 하부 플랫폼 설계 시에는 운송 및 설치 단계에서의 GM을 고려해야 한다.

Fig. 3 Hydrostatics of the tension-leg platform

인장각형 부유식 해상풍력발전시스템은 플랫폼 및 풍력터빈 등 부품들의 조립과정에 따라 운송 및 설치 방법이 다양하다. 인장각형 부유식 해상풍력발전시스템은 주로 Wet-tow 방식을 선호하는데, 이는 예인선 연결 줄의 장력, 플랫폼의 크기 및 형상 등에 따라 보통 1~4개의 예인선이 요구된다. 일반적으로 설치 시에는 앵커에 텐던을 우선 연결하고, 이후 설치 지역까지 운송된 인장각형 부유식 해상풍력 발전시스템을 발라스팅(Ballasting)하여 기 설치된 텐던과 연결한다. 그리고 안정성이 확보될 때까지 인장각형 부유식 해상풍력발전시스템을 디발라스팅(de-ballasting)하는데, 이 때, 텐던의 미세한 장력 차이로 인하여 인장각형 부유식 해상풍력발전시스템이 불안정할 수 있기 때문에 텐던 길이조정장치(Length Adjustment Joint, LAJ)를 이용하여 텐던의 길이를 미세하게 조정한다.

Fig. 4는 다양한 형태의 앵커들을 보여주며, 인장각형 부유식 해상풍력발전시스템에는 주로 중력식 앵커(Gravity anchor), 파일 앵커(Driven Pile anchor), 석션 앵커(Suction anchor)가 적용된다. Table 3의 인장각형 부유식 해상풍력발전시스템은 대부분 중력식 앵커를 사용하고 있었으며, 이는 별도의 사전 작업이 요구되지 않고 바닥면에 단순히 중력으로만 지지하기 때문에 앵커 제작 및 설치 시 비교적 경제적일 수 있다. 파일 앵커는 강철이나 콘크리트로 제작된 강력한 기둥을 특수 장비를 이용하여 바닥과의 마찰력 및 지지력으로 고정되는 시스템이며, 석션 앵커는 압력차를 이용하여 앵커가 바닥으로 흡착되는 진공 원리를 이용한 시스템이다. 따라서 파일 앵커와 석션 앵커는 시공 전에 설치 지역의 해저 지반 조사가 필수적이다.

Fig. 4 Various anchor types [5]

인장각형 부유식 해상풍력발전시스템의 운송 및 설치가 상대적으로 어렵기 때문에 최근에는 인장각형 부유식 해상풍력발전시스템의 하부 플랫폼과 함께 전용 운송⸳설치선이 개발되고 있다. Fig. 5와 같이 TLPWIND 플랫폼 개발 시 U자 형태의 반잠수식 바지선이 개발되었고, 이 바지선은 인장각형 부유식 해상풍력발전시스템의 하부 플랫폼 부력을 이용하여 바지선 바닥에 고정될 수 있도록 개발되었다. 설치 시에는 Fig. 6와 같이 플로트오버(Float-over) 방법과 유사한 방법을 이용하고자 하였다.

Fig. 5 TLPWIND U-Shaped semi-submersible barge [6]

Fig. 6 Process of transportation and installation of TLPWIND platform [7]

3. 관련 연구 및 실증 사례

Fig. 7은 본 연구에서 조사한 인장각형 부유식 해상풍력발전시스템 관련 연구 또는 실증 사례를 보여준다. 본 연구에서 분석한 8개의 인장각형 부유식 해상풍력발전시스템의 하부 플랫폼은 코너 컬럼, 폰툰, 브레이스 등 구성 요소의 유무와 개수에 따라서 서로 다른 형상을 나타내고 있다. 따라서 각각의 플랫폼 형상에 따른 유체역학적 및 구조적 특성, 운송 및 설치 특성을 고찰하였고, 최종적으로 Table 4와 Table 5에 요약하여 나타내었다.

Fig. 7 Related research and demonstration cases of tension-leg platform

Table 4 Comparison of the hydrodynamic and structural characteristics of the tension-leg platforms

^* Depend on the number of structural components

^** Depend on the water plane area

Table 5 Comparison of the transportation and installation characteristics of the tension-leg platforms

3.1 BLUE H (Netherlands)

BLUE H는 석유 산업에서 사용되면서 입증된 인장각형 플랫폼 개념을 세계 최초로 부유식 해상풍력발전시스템에 적용하였다[8]. BLUE H는 2008년 80 kW급 풍력터빈이 탑재 가능한 560톤의 인장각형 플랫폼을 제작하였고, 실험적으로 수심 113 m의 아드리아틱해에 설치하였다. 이 프로토타입의 설치를 통해 부유식 해상풍력발전시스템의 플랫폼으로 인장각형 플랫폼이 적용 가능하다는 것을 세계적으로 알렸고, 특히 설계, 제작, 조립, 운송 및 설치 과정들을 통해 다양한 실증 경험들을 쌓았다. 이후에는 해상풍력 시장의 진화에 따라 경제성을 고려한 1.5~5.0 MW급 인장각형 플랫폼을 개발하였다[9].

BLUE H(Fig. 8)는 풍력터빈이 설치되는 메인 컬럼과 추가로 부력을 확보할 수 있는 세 개의 코너 컬럼, 구조 강도 향상을 위한 브레이스로 구성되어 있다. 메인 컬럼은 대부분의 부력을 담당하며, 코너 컬럼으로 추가 부력을 확보한다. 따라서 터빈의 용량에 따라 코너 컬럼으로 부력을 조절하여 적용하는 방식을 사용하였다. 코너 컬럼과 브레이스는 수선면 아래에 위치하기 때문에 쇄파 영향이 작으며 유지보수를 위한 접근이 상대적으로 용이하다.

Fig. 8 BLUE H tension-leg platform [8]

BLUE H는 운송 및 설치 관점에서 경제적으로 우수한 플랫폼이다. BLUE H는 야드에서 사전 조립된 풍력터빈, 플랫폼, 중력식 앵커를 예인선으로만 견인하여 자체 설치가 가능하다. 또한 단순한 구조의 중력식 앵커를 사용함으로써 경제성을 확보하였다.

현재 5~7 MW급 인장각형 플랫폼 설계 및 엔지니어링을 완료하였고, 이들은 동일한 용량의 고정식 플랫폼보다 비용 측면에서 더 효율적인 것을 확인하였다.

3.2 OCEAN BREEZE (UK)

OCEAN BREEZE(Fig. 9)는 수심 60~200 m에 적합한 인장각형 플랫폼으로, 전문적으로 값비싼 제조 및 설치 기술 없이도 쉽고 대량 생산이 가능한 조립식 설계를 사용한 것이 가장 큰 특징이다[10].

Fig. 9 OCEAN BREEZE tension-leg platform [11]

OCEAN BREEZE는 네 개의 독립적인 코너 컬럼이 있으며, 이들은 트러스 구조를 통해 중앙에 위치한 메인 컬럼과 연결된다. 대부분의 부력은 네 개의 코너 컬럼으로 확보하며, 메인 컬럼은 풍력터빈 타워의 직경과 거의 유사하여 부력 확보는 어렵지만 수면 위로 돌출되는 수선면적이 작기 때문에 쇄파 영향과 파도로 인한 피로 손상 등을 최소화할 수 있다.

OCEAN BREEZE는 단순한 모듈식으로 설계가 되었기 때문에 모든 구성 요소는 조립식이다. 이를 통해 경제적으로 대량 생산이 가능하며, 모듈 교체가 자유롭기 때문에 장기적으로 유지보수 비용을 크게 줄일 수 있다는 장점이 있다.

OCEAN BREEZE는 중력식 앵커에 기반한 중력 부력 시스템(Gravity Buoyant System)을 사용하였다. 이는 여러 개의 개별 발라스트 구획이 있는 직사각형의 콘크리트 구조물로 텐던에 의해 네 개의 코너 컬럼과 연결된다[11].

OCEAN BREEZE는 앞서 언급한 BLUE H와 운송 및 설치 특성이 유사하다. 설치 지역까지 예인선을 통해 이동한 중력 부력시스템을 발라스팅으로 가라앉혀 먼저 설치한 후, 야드에서 조립을 끝낸 풍력터빈과 플랫폼이 설치 지역에 도착하여 이미 설치되어 있는 중력 부력 시스템의 텐던과 연결되는 방식이다. 이 컨셉은 인장각형 플랫폼을 부유식 해상풍력발전시스템에 접목함으로써 특허로 채택되었다.

3.3 GICON-SOF (Germany)

GICON-SOF(Fig. 10)는 2009년 인장각형 부유식 해상풍력발전시스템 플랫폼의 초기 개념 설계 작업을 시작하였고, 다양한 수치해석과 모형시험 결과를 바탕으로 실용성과 기술적으로의 실현 가능성을 확인하였다[12]. 총 다섯 번 이상의 설계 변경이 있었고, 최근에는 중력식 앵커를 도입함으로써 운송 및 설치에 대한 비용을 상당히 줄였다[13][14].

Fig. 10 GICON-SOF tension-leg platform [12]

GICON-SOF는 본 연구에서 조사된 인장각형 플랫폼 중 유일하게 메인 컬럼이 없는 형태로 네 개의 코너 컬럼이 타워와 직결되어 있다. 흘수가 코너 컬럼 중간 부분에 위치하기 때문에 쇄파 영향이 가장 크다.

GICON-SOF의 중력식 앵커는 야드에서 조립된 풍력터빈과 플랫폼을 설치 지역까지 운송하는 바지선의 역할을 수행한다. 따라서 예인선만으로도 운송이 가능하며, 설치 지역에 도착하면 중력식 앵커는 발라스팅되어 해저로 내려간다.

GICON-SOF은 하나의 표준화된 인장각형 플랫폼을 해상풍력단지 프로젝트에 활용하고자 하였다. 단지 내에서의 인장각형 플랫폼의 형상과 치수는 동일하되, 단지 내에서 발생하는 수심의 차이는 텐던의 길이 조절로 해결할 수 있다. 현재까지 공개된 최대 적용 수심은 350 m이다.

3.4 MITSUI (Japan)

MITSUI(Fig. 11)는 메인 컬럼과 세 개의 코너 컬럼, 그리고 메인 컬럼과 코너 컬럼을 이어주는 수평 폰툰으로 구성되어 있다[15]. 본 연구에서 조사된 인장각형 플랫폼 중 코너 컬럼이 수선면 위로 올라오는 유일한 플랫폼으로 반잠수식 플랫폼 형상과 유사하다. 코너 컬럼을 수선면 위로 올라오게 설계한 이유는 코너 컬럼에서 장력 조절을 하여 설치 및 해체가 용이하고, 유지 보수를 위한 정박에 용이하기 때문이다. 하지만 메인 컬럼을 포함한 총 네 개의 컬럼이 수선면 위로 올라오기 때문에 쇄파 영향을 최소화하는 것은 불가피하다.

Fig. 11 MITSUI tension-leg platform [15]

MITSUI는 앞에서 소개된 인장각형 플랫폼들과 동일하게 중력식 앵커를 사용하여 설치비용을 줄였다. 각각의 앵커에 두 개의 텐던을 배치하여 하나의 텐던의 파단에도 일부 저항할 수 있고, 수명이 다한 텐던의 교체가 용이하다.

3.5 FLOAT4WIND (Netherlands)

SBM offshore 사는 초기에 개발된 인장각형 플랫폼에서 더 간단한 디자인과 다양한 장점을 접목시킨 FLOAT4WIND(Fig. 12)를 2022년에 출시하였다. 이는 15MW급 풍력터빈을 탑재할 수 있고 2,000 m의 매우 깊은 수심 및 극한 해상 조건에도 적합한 플랫폼으로 대형화 및 대단지화가 되고 있는 해상풍력시장에 적합하다[16][17].

Fig. 12 FLOAT4WIND tension-leg platform [16]

FLOAT4WIND의 가장 큰 경쟁력은 바로 간단한 구조의 디자인이다. 초기에 개발된 플랫폼은 여섯 개의 코너 컬럼과 메인 컬럼, 그리고 코너 컬럼과 메인 컬럼을 이어 주는 다수의 브레이스로 구성되어 다소 복잡한 형태였지만, FLOAT4WIND는 코너 컬럼들을 모두 없애고 충분한 부력을 확보할 수 있는 세 개의 폰툰과 세 개의 브레이스로만 구성하여 출시되었다. 구성품 수의 감소로 제작 및 조립이 용이해졌고, 단순화된 구성품은 자동 용접이 가능하기 때문에 품질 향상도 기대해 볼 수 있다.

FLOAT4WIND Demo는 2025년 북해에 설치될 예정이며, 설치 이후에는 본격적인 상업화에 돌입한다.

3.6 MIT/NREL (USA)

MIT에서 수행한 5MW급 인장각형 플랫폼의 파라메트릭 연구[18]에서는 플랫폼 형상에 대한 매개변수 최적화가 수행되었다. 플랫폼의 중량, 계류 시스템의 장력을 포함한 요소들에 대한 파레토 분석법을 통해 다양한 디자인을 도출하였다. 미국 신재생에너지연구소(NREL)에서는 이 중 하나의 디자인을 선택하여 인장각형 플랫폼의 모델링, 하중해석 등을 수행하였고, 이를 통해 유체역학적인 특성 등을 분석하였다[19].

MIT/NREL(Fig. 13)은 직경이 18 m이고 흘수가 약 50 m인 메인 컬럼과 네 개의 폰툰으로 구성되어 있다. 코너 컬럼이 없기 때문에 대부분의 부력은 메인 컬럼에 존재하며, 메인 컬럼이 크기 때문에 충분한 발라스팅으로 안정적인 운송이 가능하다는 장점이 있다.

Fig. 13 MIT/NREL tension-leg platform [19]

MIT/NREL의 초기 모델은 플랫폼 피치(Pitch) 운동의 RAO가 정격 풍속에서의 로터 회전 주파수 1P와 일치하였고, 이는 풍력터빈에 심각한 공진 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 이 문제를 해결하고자 폰툰의 길이를 연장하면서 공진 문제를 해결하였다.

이외에도 동일한 용량의 터빈이 탑재된 바지형 및 스파형 플랫폼과 성능 비교를 수행하였고, 동일한 해양환경조건에서 인장각형 플랫폼을 적용한 부유식 해상풍력발전시스템의 극한 및 피로 하중이 가장 작았다.

3.7 TLPWIND (Spain)

TLPWIND(Fig. 14)는 2008년부터 중수심 이상(> 60 m)에서 적용이 가능한 혁신적인 해상풍력용 인장각형 플랫폼을 개발해오고 있다. 구조가 가볍고 간단하여 제작비용을 줄일 수 있고, TLP에서 가장 기술 장벽이 높은 운송 및 설치 단계에서 재사용이 가능한 설치선을 사용하기 때문에 경제적으로 운송 및 설치가 가능하다[7].

Fig. 14 TLPWIND tension-leg platform [7]

TLPWIND는 메인 컬럼과 네 개의 대칭적인 폰툰으로만 구성되어 있어 모듈식 공정 사용이 가능하다. 특히 5MW급 기준 플랫폼이 약 900~1,000 톤으로 스파형 및 반잠수식에 비해 상당히 경량화된 구조물이라고 볼 수있다. TLPWIND는 운동 응답과 너셀 가속도가 현저하게 낮고 풍력터빈의 공기역학적 하중에 대한 의존도도 낮기 때문에 비용/MW 비율을 줄일 수 있고, 이미 2~10MW급 풍력터빈에 대한 검증을 완료하였다.

MITSUI와 같이 네 개의 폰툰에는 각각 두 개의 텐던을 사용하였고, 사용된 앵커는 석션 앵커이다.

경량화된 TLPWIND는 야드에서 풍력터빈과 플랫폼을 조립하기 때문에 운송 및 설치 단계에 필요한 안정성을 확보하기 위해 보조 수단이 필요했다. 따라서 TLPWIND 기술 개발과 함께 안정적인 운송 및 설치를 위한 다양한 특수 방법들을 설계하고 모형시험을 수행하였다. 단순한 U자형 바지선, 충분한 안정성을 제공하는 플로터 세트 등을 설계하였고 최종적으로 이 둘의 장점들을 접목시킨 U자형 반잠수식 바지선을 개발하였다[6].

TLPWIND는 플랫폼의 동적 특성을 확인하기 위하여 1:36 스케일의 모형시험을 수행되었다. 특히 스코틀랜드 북동쪽 해안의 해양환경자료를 이용하였는데, 최대 16 m의 파고와 49 m/s의 돌풍 조건에서도 플랫폼이 안정적이고 견고하다는 것을 입증하였다.

3.8 PELASTAR (USA)

PELASTAR(Fig. 15)는 2006년부터 인장각형 플랫폼을 개발하였으며[20], 최근에는 15 MW급 대형 풍력 터빈의 탑재가 가능한 플랫폼을 개발 중이다. 다른 플랫폼들과 마찬가지로 설계 및 제작의 단순성을 활용하여 환경에 미치는 영향을 줄이고 비용과 복잡성을 최소화하였다.

Fig. 15 PELASTAR tension-leg platform of SENSE Pelastar project [21]

PELASTAR는 메인 컬럼과 다섯 개의 폰툰으로 구성되어 있다. 기존 설계에 비해 35 % 더 낮은 무게를 가지는 것을 목표로 설계가 되었고, 이를 위해서는 단순히 플랫폼의 무게만을 경량화하는 것보다 풍력터빈사와의 공동 설계를 통해 타워와 플랫폼의 무게를 공동으로 줄이는 것을 제안하였다[21][22].

다섯 개의 폰툰에는 각각 하나의 텐던이 설치되는데 이는 세 개 또는 네 개의 텐던을 가지는 플랫폼에 비해 한 개의 계류선 파단 조건에서 상대적으로 유리하다.

PELASTAR는 풍력터빈과 플랫폼이 야드에서 조립되고 설치 바지선을 이용하여 설치 지역으로 운송된다.

미국은 현재 SENSE Pelastar 프로젝트를 진행 중이며, 이는 SENSEWind 사의 자체 터빈 설치 시스템, Glosten의 Pelastar 플랫폼, Subsea micropile 사의 앵커로 구성되어 있다. 2 MW급 풍력터빈을 탑재할 예정이고, 설치 기술을 입증하기 위해 2024년 초에 시운전을 시작할 예정이다. 이후에는 15 MW급을 실증하여 GW 규모의 부유식 해상풍력단지를 위한 경쟁력을 확보할 예정이다.

4. 결론

본 연구에서는 인장각형 부유식 해상풍력발전시스템의 연구 및 실증 사례들을 소개하였으며, 이들의 형상별 장단점, 유체역학적 및 구조적 특성, 운송 및 설치 특성 등을 분석하였다.

인장각형 부유식 해상풍력발전시스템의 하부 플랫폼은 코너 컬럼, 폰툰, 브레이스 등 구성 요소의 유무와 개수에 따라서 서로 다른 형상을 나타내고 있었고, 각각의 플랫폼 형상에 따라 유체역학적 및 구조적 특성, 운송 및 설치 특성들이 다른 것을 확인하였다.

대부분의 플랫폼은 풍력터빈이 연결되는 메인 컬럼이 있고, 메인 컬럼에서의 부족한 부력은 코너 컬럼이나 수평 폰툰에서 확보하는 형태였다. 브레이스는 구조 강도를 향상시키면서 약간의 부력을 제공해줄 수 있지만 형상이 다소 복잡해지면서 제작 및 설치에 불리하다. 코너 컬럼이 수면 위로 올라오는 플랫폼도 있었는데, 이는 반잠수식 플랫폼의 장점과 인장각형 계류시스템의 장점을 접목한 하이브리드 플랫폼이라고 볼 수 있다. 최근에는 풍력터빈이 대형화되면서 플랫폼을 경량화하여 경제성을 확보하는 것이 중요해졌고, 코너 컬럼이나 복잡한 브레이스 등을 없애고 플랫폼 형상을 단순화, 모듈화하여 생산 비용을 절감하는 플랫폼들이 공개되고 있다.

본 연구에서 조사된 인장각형 플랫폼은 대부분 야드에서 풍력터빈과 플랫폼이 조립되는 형태였고, 예인선이나 설치선 등을 이용하여 설치 지역까지 이동하였다. 대부분 중력식 앵커를 사용하였고, 일부는 석션 앵커 및 파일 앵커를 사용하여 다양한 앵커 적용이 가능하다는 점을 알 수 있었다. 최근에는 인장각형 플랫폼과 설치선이 함께 개발되는 사례가 늘어나고 있는데, 이는 Wet-tow에 매우 취약한 인장각형 플랫폼을 안전하게 운송하고 설치할 수 있도록 해준다.

본 논문에서 알 수 있듯이 세계적으로는 인장각형 부유식 해상풍력발전시스템이 설계기술 개발 및 실증 연구 단계에 있지만 국내에서는 스파형과 반잠수식 플랫폼에 비해 인장각형 플랫폼에 대한 연구는 거의 수행되지 않았다. 따라서 국내에서도 인장각형 플랫폼에 대한 연구개발을 확대하고 이미 보유하고 있는 세계적인 수준의 조선·해양산업 기술들을 접목한다면 해외와의 기술 격차를 상당히 줄일 수 있을 것이다.

후기

본 연구는 2023년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원의 “인장각형(TLP)방식 부유식 해상풍력발전시스템 설계 및 축소모형시험 기술 개발” 사업의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다. (과제번호 : 20223030020130, PNS4640)