최근 개최된 중국 해상풍력발전 엔지니어링 기술 컨퍼런스에서 해상풍력 제품 라인 총괄 매니저가 기조연설을 통해 중국 해상풍력 터빈의 현재 병목 현상이 블레이드와 메인 베어링에 있다고 강조했습니다. 해상풍력 터빈에 대한 높은 수요를 고려할 때, 제조업체들은 안정적인 공급망을 기반으로 투자 수익을 보장하는 솔루션을 제공하는 데 집중해야 하며, 이를 통해 중국 해상풍력 발전의 지속 가능한 성장을 지원해야 한다고 역설했습니다.

풍력 터빈 블레이드의 개발 여정

유럽과 중국의 풍력 터빈 블레이드 발전 과정을 살펴보았다. 1991년부터 2015년까지 중국은 터빈 출력과 블레이드 크기 면에서 유럽을 따라가는 입장이었다. 그러나 2017년에는 직경 171미터의 풍력 터빈을 개발하여 유럽의 164미터를 넘어섰다. 2019년에는 유럽과 미국 모두 직경 220미터의 더욱 큰 터빈을 도입했다. 이러한 터빈 크기의 동등성은 중국과 유럽이 해상 풍력 터빈 개발에서 이제 비슷한 수준에 도달했음을 의미한다.

풍력 에너지의 도전과 혁신

세계적인 과학 저널에 따르면, 해상 풍력 터빈의 크기가 커짐에 따라 풍력 에너지 분야는 공기역학, 구조역학, 유체역학 분야에서 상당한 어려움에 직면하고 있습니다. 이러한 기초 과학 분야의 연구는 터빈 직경의 증가 속도를 따라가지 못하고 있습니다. 100년이 넘도록 항공기 날개 길이가 80미터를 넘지 못했던 항공 산업과는 달리, 풍력 발전 산업은 40년도 채 안 되는 기간 동안 터빈 직경이 200미터에 달하게 되었습니다.

공학 및 기술 발전에서 점진적인 진전의 중요성이 강조되었습니다. 블레이드 길이를 늘리려면 재료 및 제조 기술의 획기적인 발전이 필요합니다. 기존 기술에만 의존하여 블레이드 크기를 키우는 것은 해상 풍력 발전의 추가적인 발전을 뒷받침하기에 충분하지 않습니다.

탄소 섬유 베일 소재의 필요성

더 긴 해상 풍력 터빈 블레이드를 구현하기 위해서는 탄소 섬유 베일 소재라는 미개척 분야로 진출해야 합니다. 이러한 변화는 10년 전 중국이 유럽 기업으로부터 블레이드 설계 라이선스를 취득하고, 핵심 소재와 장비는 독일이나 일본 기업에서 조달해야 했던 상황과 유사합니다. 대규모 금형 투자, 긴 개발 기간, 그리고 미성숙한 공정 기술은 개발을 더욱 어렵게 만들고, 대형 블레이드의 가공 효율은 일반 블레이드보다 3~4배 낮습니다. 이는 현재 중국에서 진행 중인 대규모 해상 풍력 발전 프로젝트에서 사업 타당성을 확보하는 데 있어 주요 병목 현상으로 작용합니다. 탄소 섬유 베일은 강도와 ​​경량성이라는 두 가지 요구 사항을 모두 충족하는 차세대 풍력 터빈에 필수적인 소재입니다.

메인 베어링 공급망의 과제

메인 베어링은 설계상의 어려움, 공급망 문제, 설치의 복잡성으로 인해 또 다른 병목 현상을 일으킵니다. 특히 대형 해상 터빈 메인 베어링의 공급망은 세 가지 주요 과제에 직면해 있습니다.

1. 주 베어링 링의 직경은 종종 2미터를 초과하여 대부분의 공작 기계의 처리 능력을 넘어섭니다.

2. 주요 공급업체는 두 곳뿐이며, 최소 1년 전에 용량 예약을 해야 합니다.

3. 현재 국내 공급업체들은 이러한 대형 베어링을 설계하고 가공할 수 있는 역량을 갖추고 있지 않습니다.

   
   

베어링 기술 분야의 솔루션 및 혁신

주 베어링 구성에 이중 SRB 기술을 적용함으로써 직경 1.5미터 이내의 5~6MW급 터빈을 지원할 수 있게 되었습니다. 견고한 글로벌 공급망을 기반으로 하는 이 솔루션은 설계 및 생산 과정에 현지 공급업체의 참여를 가능하게 합니다. 반면, 이중 TRB 및 DRTRB와 같이 더 큰 직경을 요구하는 기술은 용량 및 효율성 측면에서 상당한 어려움에 직면합니다.

해상 풍력 터빈 성능 최적화

여러 어려움에도 불구하고, 회사는 투자 수익률이 높은 해상 풍력 솔루션을 제공할 수 있다는 확신을 갖고 있습니다. 중국 해상 풍력 발전소의 균등화 발전비용(LCOE)에 대한 종합적인 지도를 제작하여 터빈 설계에 참고하고 개발자들이 수익성 있는 프로젝트를 식별하는 데 도움을 주었습니다. 핵심은 터빈 용량이 아니라 LCOE이며, 발전량이 가장 중요한 요소입니다.

지역별 적응 및 LCOE 민감도 분석

각 지역마다 균등화 발전비용(LCOE)을 최적화하기 위해 필요한 터빈 출력과 로터 직경의 조합이 다릅니다. 당사는 푸젠성처럼 풍속이 높은 지역, 광시성처럼 풍속이 낮은 지역, 그리고 저장성처럼 풍속이 중간 정도인 지역을 대상으로 LCOE 민감도 분석을 실시했습니다. 분석 결과, 풍속이 높은 지역에서는 6~8MW급 터빈이 최적이며, 풍속이 낮거나 중간 정도인 지역에서는 4~6MW급 터빈이 가장 적합한 것으로 나타났습니다. 풍속이 낮을수록 로터 직경이 커지고, 반대로 풍속이 높을수록 로터 직경이 작아집니다. 이러한 터빈에서 탄소 섬유 베일(Carbon Fiber Veil)을 사용하는 것은 원하는 성능과 효율을 달성하는 데 매우 중요합니다.

해상 풍력 발전 단지의 후류 손실 문제 해결

중국의 해상풍력발전소는 유럽의 발전소에 비해 밀집된 배치, 낮은 풍속, 그리고 비교적 안정적인 대기 조건으로 인해 더 큰 후류 손실에 직면합니다. 약 1.5GW 규모의 해상풍력 터빈 용량에 대한 평가 결과, 초기 후류 손실 추정치가 약 2% 정도 과소평가된 것으로 나타났습니다. 군집 후류 제어 기술을 통해 후류 손실을 줄이려는 노력은 발전량을 3~4% 증가시키는 효과를 가져왔습니다. 해상풍력발전소의 밀집도가 높아짐에 따라 군집 후류 제어 기술의 중요성은 더욱 커지고 있습니다. 블레이드 설계에 탄소섬유 베일을 적용하면 성능 향상뿐만 아니라 후류 손실의 영향도 완화할 수 있습니다.