2024년 선박⋅해양에너지 분야 연구 동향

2024년에 발표된 연구를 보면, 풍력발전 분야는 터빈 부품, 보조 설비, 융복합 산업화 플랫폼 등 전방위적 연구가 진행되고 있는데, 정부의 해상풍력 보급 및 공급망 육성을 위한 정책적 지원에 따른 영향으로 보인다.

김인철 등⁽⁵⁾은 반응 표면 법을 적용한 소형풍력터빈 유인 날개(guide vane) 형상 최적화 설계에 관한 연구를 발표했다. 유인 날개는 주로 소형풍력터빈의 성능 향상을 위해 적용되는 부가 장치로, 일부 소음 저감 효과도 있다고 알려져 있다. 이들은 3종의 유인 날개를 설계하고 CFD 해석을 통해 기본적인 성능을 분석했으며, 이후 최적 설계안을 적용한 풍력터빈 해석을 통해 성능 향상률을 보였다. Fig. 4에 제시된 결과에 따르면. 최적화된 유인 날개를 적용했을 때 풍력터빈의 정격 출력이 474W에서 716.5W로 증가했는데, 이는 덕트형 구조물인 유인 날개에 의한 유입 풍속 증가 효과 때문이다. 이러한 장치를 이용해 더 큰 출력을 얻을 수 있음이 확인되었으나, 동시에 소형풍력터빈에만 적용이 가능하다는 한계점이 있다고 판단된다. 최근에 상용화되는 해상풍력 터빈의 설비용량이 18MW에 이른다는 점을 고려하면, 이러한 부가 장치는 적용이 어려울 것으로 보인다. 이 연구에서 사용한 표면 반응법은 대형 해상풍력 블레이드의 성능 향상을 위한 공력 최적 설계과정에 적용되는 추세이다.

Fig. 4

Torque and power coefficient results(5)

Fig. 5

Integrated control system(7)

이강희 등⁽⁶⁾은 최근 많은 보급과 기술개발이 진행 중인 해상풍력 분야의 기술 동향과 국내 BOP 기술개발 활성화 방안에 관한 연구를 발표했다. 이들의 발표는 글로벌 해상풍력 시장과 해상 풍력단지를 구성하는 하부구조물 기술 동향 분석을 통해 국내 조선⋅해양산업의 기회를 탐색하고 있다. 해양 하부구조물을 고정식과 부유식으로 구분하고, 국내 조선⋅해양산업의 제조 및 인프라 역량 등 분석을 통해 전용 테스트베드(test bed) 구축 필요성과 이를 이용한 기술개발 촉진 방안 등을 제안했다. 해상풍력발전은 상용화된 기술과 성숙된 시장의 특징을 보이기 때문에, 기술개발 중심의 연구 외에도 산업 육성과 인프라 지원 방안 및 정책 등 다양한 관점에서의 비R&D 연구도 활발히 진행 중이다.

이와 유사한 연구로, 김인철 등⁽⁷⁾, 최현준 등⁽⁸⁾은 정부 지원을 통해 구축 중인 해상풍력 융복합 인프라 구축에 관한 연구 진척도를 소개하기도 했다. 해상 풍력단지 개발에는 단순히 풍력터빈을 설치하고 끝나는 것이 아닌, 근거리 공급망 구축, 설치 및 유지보수 항만시설, 통합 관제 시스템, 계통 접속 설비 등의 뒷받침이 필수적이다. 이들 시설은 효율적인 인프라 구축과 활용을 위해서는 수 GW급에 이르는 집적화된 형태의 해상 풍력단지가 조성되는 거점 지역을 중심으로 구축되어야 한다. 이 연구는 전라남도 해역에서 개발 중인 대규모 해상 풍력단지의 건설 및 운영 지원을 위한 항만 물류 체계 구축과 대형 구조물의 제작, 선조립, 하역, 유지보수 등 관리를 위한 통합 인프라 구축을 목표한다. 이 사업은 2025년 12월에 종료될 예정으로, 준공 이후에는 설치, 유지보수 및 물류 등 다양한 분야의 해상풍력 관련 업체들이 입주해 수 GW에 이르는 대규모 단지개발 및 운영관리를 효과적으로 지원할 수 있을 것으로 보인다.

다양한 발전원을 포괄하는 해양에너지 분야는 전력 생산 외에도 발전설비의 안전한 유지관리 또한 비용 절감 측면에서 매우 중요한 요소이다. 우리나라는 해양에너지 발전 시장형성 초기 단계로, 자원 조사 및 인허가 등 사업 개발 단계에 집중되어 있어, 운영관리 단계에서 중요하게 인식되는 유지보수 기술에 대한 필요성이 크게 나타나고 있지는 않다. 그러나, 최근까지 발전사업 허가를 받은 해상풍력 사업이 약 30GW에 이르고, 제주도와 전라남도 지역에서 100MW 규모의 해상 풍력단지가 차례로 준공을 앞두고 있어, 해상풍력 분야를 중심으로 하는 디지털 기반 유지보수 기술개발 수요가 증가하는 추세이다.

이정기 등⁽⁹⁾은 해양에너지 운영 유지보수 기술개발 동향 분석에 관한 연구를 발표했다. 이들은 과거의 국내 해양에너지 기술개발 과정을 분석하고, 정부 지원 연구과제 이력을 조사해 운영 유지보수 분야의 연구 동향을 분석했다. 이들의 분석에 따르면, 해양에너지 분야 O&M 기술개발은 주로 산업통상자원부 신재생에너지 핵심 기술개발 사업을 통해 지원되었는데, 대부분 해상풍력 분야에 집중된 것으로 파악된다. 운영 분야는 주로 해상 풍력단지 또는 터빈 제어를 통한 연간발전량(AEP, annual energy production) 향상, LCOE(levelized cost of energy) 예측, 후류 영향 분석 등이, 유지보수 분야는 O&M 스케줄링, RNA(rotor nacelle assembly) 구성 부품의 고장 진단 및 잔여 수명 예측을 위한 디지털트윈 기반 상태감시시스템 개발 및 현장 실증이 주류를 이룬다.

Fig. 6

Supporting government projects in the ocean energy sector(9)

조류발전 분야는 터빈 블레이드 피치 제어와 후류 영향에 관한 두 편의 논문이 발표되었다. 조류 발전용 터빈은 출력 및 하중 제어를 위해 블레이드 피치 제어 기술을 적용하는 추세인데, 이는 고장 발생 시 시스템 안전성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 허만웅 등⁽¹⁰⁾은 피치 제어 불량 조건이 시스템에 미치는 영향을 파악하기 위해 공-탄성 시뮬레이션(aero-elastic simulation) 도구를 이용한 연구 결과를 발표했다. 해양수산부에서 지원하는 정부 과제를 통해 개발 중인 1MW 조류발전 터빈을 대상으로, 국제표준에 정의된 설계 하중 조건(DLC, design load case)을 참조하여 Tidal Bladed(DNV)를 이용한 통합 하중 해석(integrated load calculation)을 수행했다. 블레이드 피치 제어 고장의 모사를 위해 3개 블레이드 모두가 full-pitch 각도로 고정되어 제어 불가능한 상태와 1개 블레이드만 페더링(feathering) 각도로 고정된 상태를 가정하고, 시스템에 작용하는 하중과 출력 성능 비교를 통해 그 영향도를 정량적으로 분석했다. 특히 정격 유속 이상의 조건에서는 조류 속도 및 방향 변화에 대해 피치각 제어가 불가능할 경우, 출력 변동성이 커짐에 따라 발전기의 안정성에 큰 영향을 미칠 수 있다는 결과를 보였다. 1개의 블레이드가 고장이나 페더링 상태로 고정된 경우, 나머지 블레이드 피치 제어가 가능하더라도 발전량이 거의 0에 가까운 결과를 보여, 피치 제어 불량이 발전량과 하중 증가 모두에 큰 영향을 미칠 수 있음을 확인했다. 이들의 해석 조건은 지지구조를 포함한 완전한 설계 상태와 외부 환경 조건 및 통합 제어 로직을 모두 반영했다는 점에서 형식 인증에 준하는 높은 수준의 하중 해석 결과를 제시하고 있는 것으로 판단된다.

Fig. 7

Comparison of rotational speed of rotor of tidal current energy converters(@rated speed)(10)

Table 2

Drift buoy experimental result(11)

Fig. 8

Regular wave model test in KRISO(Floater+Spar, Wave period = 5.0 [sec], Wave height = 2.0 [m])(12)

조류발전은 해상풍력발전과 마찬가지로 규모의 경제를 위해 다수 터빈이 설치되는 단지형으로 개발된다. 대부분 제한된 면적으로 인해 전⋅후방 터빈 사이에 후류 간섭이 발생하는데, 이때 전방에 놓인 터빈으로부터 발달하는 후류 영향으로 후방에 설치된 터빈은 발전량 손실과 피로 하중 증가 등 부정적 영향을 겪게 된다. 따라서, 조류발전 장치의 후류 영향 범위는 터빈의 이격거리 조정에 결정적 영향을 미치므로, 신중히 결정되어야 한다. 이와 관련한 연구로, 박준석 등⁽¹¹⁾은 전라남도 울둘목 지역에 실증 연구를 위해 설치된 수직축 조류 발전용 터빈의 후류 영향을 실험적 관측 기법을 통해 분석한 연구 결과를 발표했다. 이들은 조류 터빈의 후류 영향 거리를 파악하기 위해, 6개의 부이(buoy)를 이용해 72차례에 걸친 실험을 수행했고, 이들 부이의 이동 거리를 GPS 장치로 측정하여 후류 영향이 미치는 공간적 범위를 분석했다. 제시된 결과에 의하면, 부이의 이동 거리는 유입 유속에 따라 615m∼740m로 측정되었으며, 조류발전소 구조물에 의한 후류의 영향 범위는 최대 약 740m이다. 다만, 이 연구는 해수면을 따라 이동하는 부이의 궤적과 이동속도에 근거한 결과만을 제시하고 있어, 수중에서 운전 중인 조류 터빈의 실제 후류 거리 영향도를 정확히 파악하기에는 한계가 있다.

Table 3

Parameters of NS ships(13)

파력발전에 관한 연구는 대부분 대형 발전설비가 주를 이루고 있으나, 최근 들어 해상풍력 등 타 해양에너지 발전원과의 융합 발전을 위한 소규모 점 흡수식 파력발전 장치에 관한 연구들이 일부 진행되고 있다. 국내에서는 김병수 등⁽¹²⁾이 수행한 점 흡수식 파력발전 장치에 관한 연구가 발표되었고, 이들 연구는 실험적 방법으로 점 흡수식 장치의 운동 특성을 분석하고 있다. 시험 대상으로 OPT사의 참조 모델을 축소 모형(1/31.5)으로 제작했고, 선박해양플랜트연구소의 해양공학수조에서 시험 되었다. 시험은 스파(spar)와 부유체(floater)가 각각 단독으로 있는 조건과 두 구조물이 상호 결합 된 이중 부유체 등 총 3가지 조건에 대해 수행되었고, 상하동요(heave motion)와 종동요(pitch motion) 운동응답 결과를 제시했다. 이 연구는 점 흡수식 파력발전 장치의 구동부 운동 특성에 관한 기초 연구로, 발전장치의 최적 설계 및 수치해석 기법 검증용으로 활용될 수 있을 것으로 보인다.

해양공간을 활용한 에너지 수요 증가와 강화된 환경 규제에 대한 영향으로 원자력 추진 선박의 필요성이 대두되고 있다. 해양용 원자력 추진 시스템은 안정적이고 효율적인 열교환을 통해 원자력 추진 선박의 운항 성능에 큰 영향을 미치는 증기 발생기(steam generator)의 역할이 중요하며, 육경래 등⁽¹³⁾에 의해 관련 연구가 발표되었다.

이들 연구는 다양한 증기 발생기 유형을 열역학적 분석과 해양 적합성으로 구분하여 해양 원자력 추진 시스템에 적합한 증기 발생기 유형을 제안하고 있다. 비교 대상으로, 나선형 코일 단일 통과 식, 수직 순환식, 직선형 단일 통과 식, 카세트(cassette) 식 증기 발생기를 선택했고, 각각의 방식에 대한 특장점 분석 결과를 제시했다. 또한, 제한적인 과거 사례 분석에 한정된 연구 결과의 한계와 개선점을 제시하고 있어, 향후 해양 원자력 추진 시스템 개발 방향 및 다양한 운항 조건과 용도별 최적의 증기 발생기 유형 선택에 도움이 될 것으로 판단된다.