Study of biofouling in Korea offshore wind farms

국내 해상풍력발전단지에서의 바이오파울링에 대한 연구

Abstract

We have studied biofouling in Korea's offshore wind farms by using image analysis through monitoring and surface energy analysis. To observe the biofouling characteristics, samples were fabricated using Micron extra 2 and PropOne, which have a self-polishing property, and Hempathane HS 55610, which is used in substructure coatings. The manufactured samples were installed at the bottom of a ladder in a substructure, and monitored for 10 months. The most biofouling occurred in the sample without the self-polishing property, and algae, barnacles and corallinales were observed. The surface energy analysis used the Owens-Wendt-Rabel and Kaelble (OWRK) model, which uses the contact angles of two standard fluids. As a result of calculating the surface energy using contact angle measurement, the sample without the self-polishing property showed the highest value. This result was consistent with the biofouling incidence observed through monitoring.

1. 서론

해상풍력발전단지의 균등화발전단가(Levelized cost of energy, LCOE)를 낮추기 위해서는, 해상풍력터빈의 정확한 상태 점검으로 인한 유지보수 비용 절감이 필수적이다. 현재 해상풍력터빈의 점검은 주기적으로 수행되고 있지만, 해수면 이하의 하부 구조물, J-tube, 해저 케이블 및 이와 관련된 기자재에서 발생하는 바이오파울링(Biofouling)에 대한 점검이나 유지보수는 수행되지 않고 있다.

바이오파울링 현상은 해양환경에 침지됨과 동시에 발생하기 시작하며 수개월 이내에 홍합과 따개비, 조류 등의 군집이 형성된다 [1]. 따라서, 해양환경에 노출되는 플랜트 및 선박 등에서 바이오파울링으로 인한 문제가 발생하며, 이를 제거 및 예방하기 위한 막대한 비용이 초래된다 [2]. 또한, 국제 규정 IEC 61400-3-1[3]와 국내 표준 KS C 8573 [4]에 해상풍력터빈 하부 구조물의 바이오파울링에 대한 관리대책을 마련할 것이 권고되어 있다.

해상풍력발전단지에서 발생하는 바이오파울링에 대한 연구는 해수면의 높이 및 고정식 하부 구조물에서의 바이오파울링 발생 특성 [5-8], 부유식 하부 구조물의 계류 라인(Mooring line) [9], 하중 증가 및 피로수명 [10-12], 해저 케이블 [13], 진동 [14, 15], 바이오파울링 제거 방법 [16]에 대해 유럽을 중심으로 활발히 수행되고 있으나, 아직까지 국내 해상풍력발전단지에 대한 연구는 미비한 상황이다.

본 논문에서는 실제 해상풍력터빈이 설치된 환경에서 수행한 모니터링 결과의 이미지 분석과 접촉각을 이용한 표면에너지 분석을 통해 국내 해상풍력발전단지에서 발생하는 바이오파울링 특성을 연구하였으며, 바이오파울링 발생률과 표면에너지 분석 결과의 연관성을 비교 평가하였다.

2. 바이오파울링

2.1 해상 환경에서의 바이오파울링

바이오파울링이란 해상 환경에서 물체 표면에 생물학적 퇴적물이 축적되는 현상을 말한다. 이 현상은 Fig. 1과 같이 4가지 단계의 연속적인 과정으로 묘사되며, 1단계에서는 침지 후 수 초안에 유기 입자가 표면에 흡착되어 분자 파울링을 구성 및 촉진하는 컨디셔닝 필름(Conditioning film)이 형성된다. 2단계에서는 박테리아와 규조류와 같은 미생물들이 24시간 이내에 바이오 필름(Microfouling)을 형성하고, 3단계에서는 대형 조류들이 정착되며, 4단계에서는 홍합, 따개비 등의 복잡하고 거시적인 파울링(Macroscopic fouling) 군집을 형성한다 [1].

Fig. 1 Mechanism of biofouling process [1]

2.2 해상풍력터빈에서의 바이오파울링

해상풍력터빈 하부 구조물에서 발생하는 바이오파울링은 Fig. 2와 같이 해수면의 높이에 따라 비말대(Splash zone), 조간대(Intertidal zone), 조하대(Subtidal zone)로 구분할 수 있다 [7]. 하부 구조물 종류 중 모노파일(Monopiles) 구조의 비말대에서는 바이오 필름이 형성되고, 조간대에서는 따개비(Barnacles)가 주로 형성된다. 얕은 조하대에서는 홍합(Mussels)이 주로 형성되고, 깊은 조하대에서는 말미잘(Anemones)이 형성된다. 또한, 해저 면에서는 홍합 등의 조개류 패각이 축적된다.

Fig. 2 Types of biofouling according to sea level height [7]

3. 바이오파울링 특성 분석

3.1 시료 제작

국내 해상풍력단지에서의 바이오파울링 발생 특성 분석을 위한 시료는 국내 해상풍력터빈 하부 구조물에 적용된 도료(Hempathane HS 55610)와 방오(Antifouling) 특성이 있는 도료(Micron extra 2, PropOne)를 후보군으로 선정하였다.

Micron extra 2와 PropOne은 자기 마모성(Self-polishing properties)이 있어 바이오파울링이 발생하더라도 일정 주기로 표면이 마모되어 해양생물의 축적을 억제 시키는 방오 특성이 있고, Hempathane HS 55610은 방오 특성은 없고 방식성만 보유한 도료이다. 자기 마모성 도료는 방오제를 자기 마모 수지(Self-polishing copolymer)에 혼합한 것으로, 자기 마모 수지는 해수와 접촉할 때 방오성을 가진 화합물이 공중합된 고분자로부터 가수분해되어 결합이 분리되고 남아있는 수지 부분은 물에 용해되어 표면이 매끄러운 상태를 유지하게 된다 [17].

연구에 사용된 시료는 Fig. 3과 같이 각 도료당 3개로, 10 ㎝ x 10 ㎝의 PVC(Polyvinyl chloride) 판 위에 각 도료들을 100 ㎛ 두께로 코팅하여 제작하였으며, 스테인레스 스틸 프레임에 산업용 케이블 타이를 이용하여 고정하였다. 제작된 시료는 해상풍력터빈의 보트 랜딩 부 사다리 최하부에 설치하였으며, Fig. 3의 (a)는 설치 직후 촬영한 시료의 이미지이다.

Fig. 3 Biofouling observation images of according to monitoring period : (b) 2 months, (c) 4 months, (d) 10 months

3.2 바이오파울링 모니터링

시료가 설치된 해상풍력단지는 표층(Surface layer)과 저층(Bottom layer)의 평균 수온이 각각 19.29 ℃, 18.36 ℃이며, 염분은 33.37 ‰와 33.81 ‰, 용존 산소량(Dissolved oxygen)은 7.42 ㎎/L와 7.33 ㎎/L로 해양환경에 대한 자세한 사항은 Table 1에 정리하였다 [18].

Table 1 Marine environment of offshore wind farm

해상풍력터빈이 설치된 환경에서 제작된 시료의 바이오파울링에 대한 모니터링은 약 10개월 동안 진행하였으며, 시료 관측 주기는 2개월, 4개월, 10개월이다.

Fig. 3의 (b)에서 보이듯이 시료의 설치 후 2개월부터 모든 도료의 표면에서 바이오파울링 발생이 확인되었으며, 방오 특성이 없는 Hempathane HS 55610에서 가장 많은 발생률을 보였다. Fig. 3의 (b)-(c)와 같이 시료 설치 후 2-4개월 동안 자기 마모성이 있는 시료들은 표면에 바이오파울링이 발생하더라도 해양생물의 축적을 일정 기간 동안 억제시키는 현상을 보였으며, Fig. 3의 (d)와 같이 시료 설치 10개월 이후 Micron extra 2 시료들의 경우 도료가 완전히 마모되어 표면에 바이오파울링이 급격히 증가한 현상을 보였다.

모니터링 10개월 이후 일부 시료를 채취하여 표면에 발생한 바이오파울링을 정밀 관측한 결과, Fig. 4와 같이 조류(Algae)와 따개비(Balanidae), 산호말목(Corallinales) 등이 주로 발생하는 것을 확인하였다.

Fig. 4 Types of biofouling observed

3.3 바이오파울링 발생률 분석

각 시료들의 바이오파울링 발생률은 Fig. 5와 같이 이미지 분석법을 이용하였다. 모니터링을 통해 획득한 이미지를 3780 x 3780 행렬 데이터로 변환 후, 프로파일(Profile)과 히스토그램(Histogram) 분석을 통해 각 시료의 바이오파울링 발생률을 산정하였다. 모니터링 이미지를 Fig. 5와 같이 행렬 데이터로 변환하면 픽셀(Pixel) 각각의 세기(Intensity)를 확인할 수 있다. 여기서 이미지상의 행과 열에 따른 프로파일을 확인하여 도료의 표면과 바이오파울링이 발생한 픽셀의 값 차이를 확인 후, Fig. 6과 같이 바이오파울링이 발생하지 않은 픽셀의 값을 기준으로 히스토그램에서 각 시료에 대한 발생률을 분석하였다. Fig. 6의 한 그래프에서 검정색과 빨간색, 파란색으로 구분된 데이터는 신뢰성 확보를 위해 동일 조건으로 제작된 3개의 시료를 나타낸다.

Fig. 5 Image analysis method using profile and histogram

Fig. 6 Biofouling incidence according to monitoring period

Fig. 6에서 보이듯이 Micron extra 2의 경우 모니터링 기간에 따라 자기 마모성으로 인해 바이오필름이 형성되었다가 없어져 바이오파울링 발생률이 평균 60.31 %에서 35.62 %로 감소하였으며, 도료가 완전히 마모된 이후에는 평균 89.09 %로 급격히 증가하였다. PropOne의 경우 10개월의 모니터링 기간 동안 자기 마모성을 유지하고 바이오필름만 주로 발생하였으며, 바이오파울링 발생률은 평균 68.26 %, 60.12 %, 77.82 %였다. Hempathane HS 55610의 경우 모니터링 4개월부터 평균 92.03 %의 매우 높은 바이오파울링 발생률을 보였으며, 10개월 이후에는 표면의 거의 대부분이 산호말목과 조류, 따개비 등으로 뒤덮였다.

자기 마모성 도료는 수지의 설계에 따라 마모율이 결정되며, 완전히 마모된 도료는 방오 특성을 상실하어 바이오파울링이 급격히 증가하게 된다. 이와 같은 현상은 Micron extra 2의 시료에 잘 나타나 있으며, 따라서 자기 마모성 도료의 사용은 설계된 마모율 및 해양환경을 고려하여 코팅 두께 및 사용 주기를 산정해야 한다.

4. 표면에너지 분석

4.1 접촉각 측정

접촉각(Contact angle)은 고체 표면에 액체 방울을 떨어뜨려 정지된 상태에서 액체 방울이 고체 표면과 이루는 각도로, 접촉각이 작을수록 액체에 대한 젖음성(Wettability)이 좋아지고, 접촉각이 클수록 친수성이 작아진다. 일반적으로 접촉각 90˚ 미만을 친수성, 90˚ -150˚를 소수성, 150˚-180˚를 초소수성이라 한다.

Fig. 7은 각 시료들의 접촉각을 측정한 이미지로, 초순수(Di-water)와 요오드화메틸렌(Diiodomethane) 두 가지 표준용액을 사용하였으며, 접촉각은 시료 당 세부분을 측정하였다. Table 2는 접촉각 측정 결과로 Micron extra 2의 경우 초순수와 요오드화메틸렌에서 각각 평균 77.13°, 58.36°로 측정되었으며, PropOne은 평균 103.23°, 86.01°로 가장 큰 접촉각을 보였다. 또한, Hempathane HS 55610은 평균 66.00°, 57.32°로 가장 작은 접촉각을 보였다.

Fig. 7 Contact angles measured using di-water and diiodomethane

Table 2 Measurement result of contact angle

4.2 OWRK 방법을 이용한 표면에너지 분석

표준용액을 이용한 고체의 표면에너지(Surface energy)는 접촉각으로부터 계산할 수 있으며, 열역학적 표면에너지의 평형 관계는 다음과 같다.

γ_s = γ_sl + γ_lcosθ       (1)

식 (1)을 Young’s equation이라고 하며, 여기서 γ_s를 고체의 표면에너지, γ_sl를 계면 장력(Interfacial tension), γ_l를 액체의 표면 장력(Surface tension), θ를 접촉각이라 한다. 표면에너지 계산은 측정하는 표준용액의 수에 따라 하나의 용액을 사용하는 Girifalco-Good-Fowkes-Young 모델, 두 개의 용액을 사용하는 OWRK (Owens-Wendt-Rabel and Kaelble) 모델, 세 개의 용액을 사용하는 Lewis acid/base 모델로 구분할 수 있다.

본 연구에서는 식 (2), (3)과 같이 두 개의 표준용액을 사용하는 OWRK 모델을 이용하였으며, 여기서 d는 분산(Dispersion) 성분과 p는 극성(Polar) 성분이다.

\(\begin{align}\sqrt{\gamma_{s}^{d}} \sqrt{\gamma_{l}^{d}}-2 \sqrt{\gamma_{s}^{p}} \sqrt{\gamma_{l}^{p}}=\frac{\gamma_{l}(1+\cos \theta)}{2}\end{align}\)       (2)

γ_s = γ^d_s + γ^p_s       (3)

Table 3은 접촉각 측정에 사용된 두 표준용액의 표면 조건으로, 식 (2)에 Table 2의 접촉각 측정 결과를 같이 사용하여 연립으로 풀면, γ^d_s와 γ^p_s를 구할 수 있고, 식 (3)을 이용하여 각 시료의 표면에너지를 구할 수 있다. 이를 통해 계산된 각 시료들의 표면에너지는 Table 4에 정리하였다.

Table 3 Surface condition of standard fluids

Table 4 Surface energy calculated from contact angle

Table 4에 나타난 것과 같이 PropOne의 표면에너지는 6.73 mN/m으로 가장 작았고, Hempathane HS 55610은 95.80 mN/m으로 가장 큰 결과를 보였다. Micron extra 2는 다른 두 도료의 중간 값인 51.34 mN/m 이였다.

고체의 표면에너지가 낮을수록 접촉각이 커지고, 이로 인해 액체가 표면에 맺히지 않아 바이오파울링이 적게 발생하게 되며, 표면에너지가 높을수록 액체가 표면에 머무르는 시간이 증가하게 되어 바이오파울링이 많이 발생하게 된다. 이러한 현상은 Fig. 3에 잘 나타나 있으며, 표면에너지가 높은 Hempathane HS 55610 시료에서 가장 많은 바이오파울링이 발생한 것을 확인할 수 있다.

5. 결론

본 논문에서는 국내 해상풍력발전단지에서 발생하는 바이오파울링 특성을 분석하였다. Hempathane HS 55610과 Micron extra 2, PropOne 세 가지 도료가 적용된 시료를 제작하고, 실제 해상풍력터빈이 설치된 환경에서의 10개월 동안 바이오파울링에 대한 모니터링을 진행하였다. 바이오파울링 분석 결과 자기 마모성(Self-polishing properties)이 있는 시료들에서 상대적으로 낮은 발생률을 보였으며, 주로 조류(Algae)와 따개비(Balanidae), 산호말목(Corallinales) 등이 발생하는 것을 확인하였다. 바이오파울링 발생률은 각 시료들의 접촉각(Contact angle)을 통해 계산된 표면에너지(Surface energy) 결과와 일치했으며, 표면에너지가 95.80 mN/m으로 가장 높은 Hempathane HS 55610에서 가장 많은 바이오파울링이 발생했다. 따라서 해상 풍력발전단지에서의 정확한 바이오파울링 특성 분석을 위해서는 하부 구조물에 적용된 도료의 방오특성(자기마모성) 유·무와 접촉각 측정을 통한 표면에너지 분석이 동반되어야 할 것으로 판단된다.

후기

본 연구는 2023년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행되었습니다. (No. 20213000000020, 해상풍력단지 해저 전력망 구축을 위한 핵심기자재 및 평가기술 개발)