해상 풍력 기술 소개 - 부유식 구조물의 배치는 어떻게 할까?

미국 국립재생에너지연구소(NREL)은 2022년부터 대규모 부유식 해상 풍력 단지 배열 설계를 최적화하기 위한 모델링 도구 세트를 개발하고, 미국 내 여러 지역에 대한 기준 설계를 수립하는 프로젝트를 진행하고 있습니다. 이 프로젝트는 부유식 풍력 터빈 배열의 설계와 최적화를 위해 해저 조건, 계류 시스템, 전력 케이블을 모델링하는 도구를 통합하고, 이를 통해 효율적인 해상 풍력 발전소 배치를 지원할 예정입니다. 또한, 국제에너지기구(IEA)와 협력하여 전 세계적으로 유용한 부유식 해상 풍력 기술 발전에 기여할 것입니다. 현재 진행 중인 프로젝트로 자세한 연구 결과는 발표되지는 않았지만, 연구 과제의 개요 및 결과물을 소개하고자 합니다. 

 

부유식 해상 풍력 배열 설계

 

미국 국립재생에너지연구소(NREL)는 대규모 부유식 해상 풍력 단지 배열 설계를 최적화하기 위해 통합 모델링 도구 세트를 개발하고, 미국 내 다양한 지역에 대한 기준 설계를 수립할 예정입니다.

 

대규모 부유식 해상 풍력 단지는 연방정부의 재생에너지 배치 및 탈탄소화 목표를 달성하는 데 중요한 역할을 할 것입니다. 그러나 부유식 해상 풍력 터빈을 대규모로 배열하는 것은 현재까지 해결된 적이 없는 복잡한 엔지니어링 문제를 제시합니다. 에너지 생산 단가를 최소화하고 풍력 발전소의 효율을 극대화하기 위해서는, 풍력 터빈 배열 설계와 관련된 여러 요소를 동시에 고려해야 합니다. 여기에는 개별 부유식 해상 풍력 터빈 설계, 터빈 배열의 공간 배치, 계류선 및 앵커 설계, 그리고 해저 전력 케이블 설계가 포함됩니다. 이 모든 설계 요소는 개별적으로가 아니라, 배열 수준에서 서로 유기적으로 연결된 상태에서 성능, 비용, 물류, 신뢰성에 미치는 영향을 함께 고려해야 합니다.

 

또한, 풍력 발전소가 해양 환경 및 다른 해양 사용자들에게 미치는 영향 역시 설계 초기 단계부터 중요한 고려사항으로 다뤄져야 합니다. 이러한 모든 복잡한 요소들을 포괄적으로 평가하고 설계하기 위해서는 기존의 설계 방법론과는 다른 새로운 설계 도구와 통합 접근 방식이 요구됩니다.

 

부유식 풍력 배열 설계 프로젝트 개요

부유식 풍력 배열 설계 프로젝트는 NREL이 3년에 걸쳐 300만 달러를 투자해 진행하는 연구로, 특정 사이트 조건을 기반으로 부유식 해상 풍력 단지 배열의 모든 요소를 체계적으로 설계할 수 있는 통합 도구 세트를 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다.

 

이 프로젝트를 통해 개발될 도구 세트는 다음과 같은 특징을 갖게 됩니다:

1. 기존 NREL의 오픈소스 엔지니어링 도구를 기반으로 개발
2. 대규모 부유식 해상 풍력 터빈 배열 설계와 관련된 기존 분석 도구의 공백을 메우기 위한 기능 추가
3. 부유식 풍력 터빈 배열 설계의 고유한 과제를 해결하기 위한 통합적 설계 프레임워크 제공

또한, NREL은 이러한 도구 세트를 활용해 미국 내 여러 지역 조건에 적합한 기준 부유식 해상 풍력 단지 배열 설계를 개발할 것입니다. 이 기준 설계들은 부유식 해상 풍력 기술의 연구 및 개발을 촉진하기 위한 기초 자료로 사용될 수 있습니다.

뿐만 아니라, 이 프로젝트는 국제에너지기구(IEA) 풍력 기술 협력 프로그램(Task 49)인 부유식 풍력 배열 통합 설계 연구 협력에 기여할 예정입니다. NREL은 IEA Task 49의 공동 리더로서, 미국 내 사이트 특성과 본 프로젝트에서 개발된 설계 도구를 활용해 국제적으로 유의미한 기준 설계를 최적화하는 데 기여할 것입니다.

 

미국 해역에 부유식 해상 풍력 단지가 설계되는 과정에서, 이 프로젝트에서 개발된 도구 세트와 기준 설계, 그리고 국제적 연구 협력은 설계 의사결정을 지원하고, 비용 효율적이며 책임감 있는 해상 풍력 에너지 배치를 보장하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.

프로젝트 목표

NREL 연구진은 본 프로젝트를 통해 다음과 같은 주요 목표를 달성하고자 합니다:

1. 실제 해저 조건, 앵커 강도, 동적 전력 케이블 모델을 NREL의 기존 설계 도구에 통합
2. 새로 개발된 모델과 기존 모델을 통합해 대규모 부유식 해상 풍력 단지 배열 설계를 위한 다분야 분석 도구 개발
3. 배열 배치, 계류 시스템, 전력 케이블 설계를 통합적으로 최적화할 수 있는 설계 프레임워크 구축
4. 미국 내 다양한 지리적 지역을 대상으로 기준 부유식 풍력 배열 설계 개발

세부 작업(Task)

작업 1: 해저, 앵커, 전력 케이블 모델 개발 및 검증
현재 오픈소스 설계 도구는 해저 토양 특성, 앵커 강도, 동적 전력 케이블을 충분히 고려하지 못하고 있습니다.
이 작업에서는 다음을 수행합니다.

• 해저 토양 특성과 다양한 앵커 기술의 강도를 모델링할 수 있는 기능 추가
• NREL의 효율적인 계류 설계 도구인 MoorPy에 해저 특성과 동적 전력 케이블 평가 기능을 통합
• 실험 데이터를 활용해 새로 개발된 모델의 정확성을 검증

작업 2: 통합 부유식 풍력 배열 분석 역량 구축
부유식 해상 풍력 터빈 배열 설계를 위해 발전량, 동적 반응, 비용 및 신뢰성을 포함한 다양한 요소를 모델링해야 합니다.
NREL은 기존 중간 정밀도 모델링 도구인 FAST.Farm을 기반으로, 설계를 더 빠르게 평가할 수 있는 통합 모델링 도구를 개발할 계획입니다.

 

작업 3: 부유식 해상 풍력 배열 설계 방법 개발 및 응용
부유식 풍력 배열 설계 문제는 다양한 설계 요소 간의 상호 의존성과 복잡성을 포함하고 있습니다.
NREL은 이러한 문제를 해결하기 위해 최적화 프레임워크를 개발하고, 이를 기반으로 기준 설계를 개발합니다.

성과물 및 기대 효과

본 프로젝트는 2022년 8월부터 2025년 9월까지 진행되며, 다음과 같은 성과물을 제공합니다.

1. 계류 시스템, 동적 전력 케이블, 부유식 플랫폼 배열에 대한 실험 데이터를 포함한 공개 데이터 저장소
2. 부유식 해상 풍력 단지 설계를 위한 오픈소스 소프트웨어 및 문서
3. 기준 부유식 풍력 배열 설계 데이터 저장소

이를 통해 부유식 해상 풍력 기술의 발전과 연구를 촉진하고, 미국 내 재생에너지 배치를 가속화하는 데 기여할 것입니다.

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NREL: National Renewable Energy Laboratory (미국 국립재생에너지연구소)

IEA: International Energy Agency (국제에너지기구)

FAST.Farm: Farm-level wind turbine modeling tool (풍력 단지 수준의 풍력 터빈 모델링 도구)

MoorPy: Mooring system design tool (계류 시스템 설계 도구)

Task 49: Integrated Design of Floating Wind Arrays (부유식 풍력 배열 통합 설계 연구 과제)

DOE: U.S. Department of Energy (미국 에너지부)