‘2050년 1000GW·17% 전력 비중’ 로드맵 마련

 유럽, 지멘스·베스타스 상당한 수익 창출

 일본, 지리적 인접…거대 시장 독과점 시도 

외교부 글로벌에너지협력센터(GECC)에 따르면 2013년 현재 누적 설비용량은 91.41GW이다. 이를 금액으로 환산하면 228조5250억원(1MW=25억원)이다. 이를 바탕으로 유지보수 시장을 추산하면 31조794억원(터빈 가격의 20%, 설비용량 중 터빈 비중 68%)에 달한다.  

중국 풍력발전시장은 앞으로도 지속적으로 성장될 예정이기 때문에 더욱 매력적이다. 

중국 정부가 ‘풍력발전 12.5계획’과 ‘중국 풍력발전로드맵 2050’을 수립해 설비용량을 2015년 100GW, 2020년 200GW, 2030년 400GW, 2050년 1000GW로 확대할 예정이기 때문이다. 따라서 자연스럽게 수리시장규모도 각각 34조, 68조, 136조, 340조원으로 확대될 예정이다. 

게다가 2020년에 중국정부는 해상풍력발전 설비용량을 30GW로 늘릴 예정이기 때문에 유지보수시장 규모는 더욱 커질 것으로 예상된다. 해상풍력 유지보수는 육상풍력보다 난이도나 비용이 더 큰 것으로 알려져 있다.  

중국에서 풍력발전의 비중은 상당하다. 현재 중국 에너지믹스에서 풍력발전이 차지하는 비중은 2.5%로 석탄발전 78.5%, 수력발전 17.09%에 이어 세 번째 주요 전원이다. 2020년에는 연간 풍력발전량을 39만GWh로 증가시켜 비중을 전체 발전량의 5%이상으로 확대될 예정이다. 2050년에는 17%의 전력수요를 풍력발전으로 충족시킬 계획이다.   

떠오르는 중국 풍력수리 시장을 차지하기 위해 각국의 경쟁이 치열하게 펼쳐지고 있다. 

유럽의 경우 지멘스와 베스타스 등 그간 풍력터빈을 개발하며 노하우를 쌓은 기업들이 앞장서고 있다. 

특히 지멘스는 각종 에너지솔루션 제공을 사업화하고 있다. 2011년에 6MW급 해상풍력터빈을 공급한데 이어 덴마크에 약 10억 덴마크 크로네(약 2050억원)을 투자해 해상풍력용 터빈 R&D 센터와 생산공장을 구축했다. 덴마크는 풍력발전의 모태국가로 베스타스의 모국이다. 

지멘스는 우리나라에도 진출해 2012년 작년 산업부와 발전엔지니어링 분야 투자유치 MOU를 맺었다. 또 서울에 지멘스에너지솔루션스 아시아지역본부를 설립하고 한차례 확장했다. 

올해 초 제주 가시리 프로젝트에 총 30MW의 풍력터빈을 공급해 올해 완공할 예정이다. 풍력사업은 지멘스의 친환경 기술 중 하나로 2013년 친환경 매출만 323억 유로(약 4390억원)에 달한다. 

덴마크 베스타스는 풍력 1위 기업이다. 풍력발전 시스템 제작, 시공, 설치, 운영, 유지보수 서비스, 풍력단지 업체에 파이낸싱까지 담당하고 있다. 특히 덴마크 본사에 세계 최대규모의 풍력발전 R&D센터를 설립해 850명의 연구원이 상주 중이다. 또 중국 풍력설비 제조업에 약 30억 위안(약 4971억원)을 투자해 중국 해상 풍력발전사업을 선도하고 있다. 

풍력수리시장에서 세계각국의 경쟁이 치열해지는 가운데 특히 일본이 주목받고 있다. 일본은 중국과 지리적으로 인접한데다가 해양성 기후로 태풍과 낙뢰 피해가 잦기 때문이다. 대규모 풍력단지를 운영하며 자연재해에 대한 내성을 키우고 있다. 

유러스에너지재팬(이하 ‘유러스’)은 대표적인 일본의 풍력수리기업이다. 유러스의 사업영역은 ▲안전성 확보와 안정적인 운영 ▲시설유지 ▲치명적 사고 조치 분야로 나뉜다. 

안전성 확보와 안정적인 운영은 무재해, 신뢰성 확보와 연관됐다. 관련 조항이 규정된 日전기사업법을 자발적으로 지키며 유러스 스스로 ‘개인용 전기시설 설치자 의무사항‘을 만들었다. 개인용 전기시설 설치자 의무사항은 안전 규제, 엔지니어 책임자, 기술 표준 확보에 환한 내용이다. 

유러스는 건설, 유지, 운영, 보고에 관해 안정 규정을 작성하는 등 안전 규정을 운용한다. 안전 규정에는 각종 의무들, 관련 조직, 교육활동, 검사 위원회와 감시, 보고, 감시 체제 등을 포함된다. 1∼2등급의 전기최고엔지니어를 66kV 시스템 볼트 이상이나 5000kW 발전을 다루는 최고 엔지니어로 선출한다. 특히 풍력발전단지의 경우 전기설비 기술표준에 준해 풍력설비기술표준이 작성됐다. 결과적으로 운영유지, 안전 작업, 재해회피, 사고보고 매뉴얼에 관한 내용으로 구성된 안전 규정이 탄생했다.        

유러스는 또한 기술기반 시설유지도 진행한다.  시설 유지는 예방적 유지(PM, Preventive Maintenance), 수리 유지(BM, Breakdown Maintenance), 교정 유지(CM, Corrective Maintenance), 유지 예방(MP, Main Prevention)이 있다. 

PM은 시설 점검을 통해 예방 기술 적용 지점을 찾아낸다. BM은 고장 발생 후 수리 지점을 찾아낸다. CM은 사고 후 유사한 일이 반복되지 않도록 시설을 개량, 강화하며 MP는 유지 활동 경험을 시설 계획, 연구, 설계 반영해 처음부터 신뢰성을 확보한다.

 

치명적 사고 조치는 2013년 9월 5일 日토마매에서 발생한 풍력 로터 허브 사고에서 비롯됐다. 사고 풍력발전기는 출력이 1000kW, 200kW이며 블레이드(풍력 날개) 직경 54.2m, 허브에서 지상까지 거리가 45m에 달한다. 세 개의 블레이드 중 하나가 메인샤프트(중심축)에서 떨어져 나갔으며 낫셀(메인샤프트와 기어박스가 내재된 발전실) 내부에서 메인샤프트가 파손됐다. 

메인샤프트를 수리하며 설계 부품을 쓰지 않은 것이 사고원인이었다. 메인샤프트 디스크가 마모됐고 베어링 화재로 이어졌다. 

이 사고를 통해 ▲메인샤프트의 적합한 수리 ▲베어링 화재 방지  연구가 시작됐다.

메인샤프트의 적합한 수리는 블레이드, 허브, 메인샤프트, 타워 수리정책과 부품 전반이 수정됐다. 또 주요부품(블레이드, 허브, 메인샤프트, 타워, 기어박스, 발전기, 트랜스포머, 기초부품)이 제작된 시간이나 순서, 검수방법 등이 기록에 남게 됐다.

메인샤프트 베어링 화재방지를 위해서 메인샤프트 베어링에 센서가 부착됐으며 관리과정 재검증 절차가 마련됐다. 

유러스는 한발 더 나아가 풍력발전설비 상태를 한눈에 볼 수 있도록 시각화했으며 관리자의 기술을 한단계 더 발전시켰다. 일본, 한국, 미국, 영국, 스페인, 노르웨이 출신 기술자와 함께 글로벌 엔지니어링 미팅 2013을 개최해 경험을 공유하고 교육훈련을 통해 기술인력을 했다. 또 한국이 제시한 기술개선안을 받아들여 풍력유지보수 기술을 한단계 높였다. 

풍력유지보수 기술은 철저히 경험에서 축적됐다. 일본, 인도, 유럽 등은 태풍이나 허리케인, 뇌우 등 손상 입은 풍력발전터빈을 수리하며 노하우를 익혔다. 

2003년 9월 제14호 태풍은 日오키나와의 미와코지마섬을 강타해 96명이 사망하고 1900대의 전신주가 유실되며 건물이 붕괴되는 피해를 입혔다. 최대순간 풍속이 초당 74.1m로 일본 기상관측 사상 7번째 강력한 태풍이었다. 이때 풍력발전기도 7기 손상을 입었다.

이보다 앞서 인디아에서는 1998년에 허리케인이 강타해 315기 풍력발전기 중 129기가 붕괴해 손실이 41%에 달했다. 이유는 풍력발전기 설계 기준이 허리케인에 대비하지 못했기 때문이다. 초당 60m의 강풍에 견딜 수 있었는데 허리케인은 70m였다. 

일본 신에너지개발기구(NEDO)는 2007∼2010년간 실패(Failure)와 사고(Accident) 개념을 발전시켰다. 그 이전 2005∼2007년간에는 풍력발전기(WTGS) 가이드라인 개발 사업을 진행했으며 2008∼2012년에는 낙뢰로부터 풍력발전기 보호방안과 조치가 연구됐다. 

日GHG&에너지솔루션은 F/A(Failure & Accident) 분석을 더욱 발전시켰다. 풍력발전기에서 벌어지는 각종 사고들에 적용됐다. 가령 풍력탑 기반이 부실해지거나 허브가 태풍에 손상되거나 블레이드가 낙뢰에 맞아 구멍이 나는 일등이 그렇다. 메인 베어링이 심하게 손상되는 일은 대표적인 일이었다. 

태풍으로 인해 낫셀 자체가 파괴되는 드문 예도 발생했다. 2004년 日사가현에서는 1000kW 풍력발전기가 제16호 태풍에서 발생한 뇌우로 반파됐다. 한쪽 블레이드는 완전히 떨어져 나갔으며 타워 윗부분은 화재로 시커멓게 타버렸다.   

2006년에는 낙뢰로 인한 화재로 니가타현에 위치한 600kW 풍력발전기 블레이드가 손상입었다. 전장 7.8m 블레이드의 끝부분이 꺾인 사례였다. 

NEDO는 사가현 사례에서 태풍이 부는 날씨에도 운행과정을 기록할 필요성을 절감했다. 태풍의 피해를 최소화하기 위해 로터 브레이크의 강도를 높이고 피치기어가 다양한 풍속에서도 정상작동하도록 조정하기 시작했다. 

니가타현의 사례는 풍력발전기의 낙뢰대비책 마련을 촉구했고 관련 기술과 노하우를 쌓기 시작했다.