현재 국가온실감축(NDC) 상향, 2050 탄소중립 실현 등 에너지 및 산업 부문에서 큰 환경변화가 탈탄소 친환경 에너지 전환을 빠르게 진행됨에 따라, 재생 에너지 보급 증대와 산업부문별 전전화(화석연료를 전기로 대체) 확대 등, 안정적 전력공급에 있어 큰 도전에 직면하고 있기 때문에, 기후위기 대응을 위한 탄소중립 사회로의 대전화에 대한 세계적인 흐름에 능동적이고 유연하게 대체하고자 한국의 정부 및 산 학 연 모두가 선도하고자 노력하고 있는 것으로 알고 있다.
현재 진행되고 있는 탈탄소 친환경 핵심기술을 2030년까지 에너지 전망관점에서 서술하면 다음과 같이 구분할 수 있다. △1.2025년 이전에 시행될 핵심 기술: Battery Storage, Wind (onshore and offshore), Electrical Vehicles △2.저탄소 에너지 시스템 전환을 위한 핵심 기술: Enhanced and Improved Oil Recovery, All-Electric Subsea Technology, Solar PV, Synthetic Fuels/Gas and Blue Hydrogen Technologies, Carbon Capture and Storage △3.에너지 관련 주요 디지털 핵심 기술: Autonomy, Additive Manufacturing, ARTIFICIAL INTELLIGENCE and Machine learning △4.마지막으로 2030년까지 획기적 잠재적인 핵심 기술: Green Hydrogen, Battery Storage Chemistries, Blockchain, IOT, Small Scale Nuclear, Ultra-Efficient Heat Pump / Geothermal technologies이다.
본 기고에서는, 위에서 언급된 많은 핵심기술 중에서 현재 한국을 포함하여 전 세계적으로 탈탄소 친환경 기술로 가장 많이 부각되고 있는 ‘부유식 해상풍력 기술’에 대해서 좀 더 깊이 애기하고자 한다.
파리 협정으로 기후 변화에 대한 세계적인 대응이 강화되면서, 세계 각국은 청정 에너지를 선호하며 탄소 집약적인 연료를 단계적으로 폐기해야 한다는 압력을 받고 있다.
육상 및 해상 풍력 발전, 특히 대규모 부유식 터빈은 청정 에너지 혁명에 주도적인 역할을 할 수 있으며, 전 셰계 설치 용량은 한 세대에 걸쳐 10배 정도 증가할 것으로 예상되고 있다.
하드웨어 가격 하락과 투자자들의 신뢰도 증가로 육상 풍력 발전이 인기 있고 비용 효율적인 솔루션이 되었고, 고정식 해상 풍력 기술도 상당한 속도로 성숙하고 있으며 새로운 에너지 믹스에서 중요한 부분이 될 것이다. 그러나 고정식 해상풍력 터빈은 상대적으로 얕은 물(최대 수심 60m)에 자리를 잡아야 하기 때문에 범위가 제한적이라고 할 수 있다.
육상풍력이나 태양광에 비해 높은 용량을 가진 해상풍력은 전력 수요가 증가하고 있는 신흥 시장에 더 큰 에너지 신뢰성을 제공할 것으로 생각된다.
전세계적으로 해상 바람의 거대한 잠재력에 접근하기 위해서는 대규모의 부유 시설이 필요할 것이며, 이 기술은 더 큰 해양 깊이에서 풍력을 이용할 수 있는 잠재력을 가지고 있고 국가의 야심찬 탈탄소 정책에 도움이 되는 대규모 신재생 에너지 전력을 제공하게 된다.
새로운 버전의 부유식 풍력 터빈과 해저 계류장은 50m 이상의 수심에서 풍력을 이용할 수 있으며, 대규모 태양이나 바람을 위한 육상 지역의 한계를 가지고 있는 국가들을 위해 재생에너지 발전을 바다 깊은 지역으로 넓힐 수 있다.
예를 들어, 깊은 바다와 강한 바람은 일본을 부유식 해상풍력 에너지 상업화를 위한 세계에서 가장 매력적인 나라 중 하나로 만들고 있다. 일본은 부유식 해상 기술이 시연 단계를 지나 상용화되면 최대 2040년까지 연간 1GW 이상의 부유식 해상 풍력이 추가될 것으로 기대하고 있다.

◆성장잠재력

세계풍력에너지협의회(GWEC)에 따르면 기술혁신과 규모의 경제를 통해 세계 풍력 발전 시장은 지난 10년간 규모가 4배 가까이 증가했으며, 세계에서 가장 비용경쟁력이 높고 탄력성이 높으며 탄소 배출량이 적은 에너지 전력원 중 하나로 자리매김했다.
총 풍력 발전 용량의 733 GW 이상이 2020년 말 현재 전세계에 설치되었으며, 이 중 95%는 육지풍력이고 나머지 5%는 해상풍력이다. 전체 설치 용량의 대부분은 아시아(322GW)에 있으며, 유럽(208GW), 북미(139GW), 나머지 국가(54GW)가 그 뒤를 잇고 있다.
2020년 말 기준으로 중국이 282GW로 전체 설비에서 선두를 달리고 있으며, 미국(118GW), 독일(62GW), 인도(39GW)가 그 뒤를 잇고 있다.
블룸버그NEF에 따르면 해상풍력은 2020년 재생에너지 용량 경매 급증, 중국 등 국가의 유리한 공급관세(FIT) 및 거대한 해상풍력 터빈 덕분에 고성능의 평준화 비용 67% 감소에 힘입어 세계적으로 호황을 누렸다. 2020년 상반기에만 350억 달러가 연안 풍력에 할당되었으며, 이는 전년 대비 319% 증가했으며 2019년 전체 규모인 319억 달러를 훨씬 웃돌았다.
COVID-19 대유행으로 전력 수요가 위축되고 있음에도 불구하고 중국과 미국의 설비 급증으로 인해 2020년 전 세계적으로 약 100GW의 신규 풍력발전 용량이 설치(2020년 세계 신규설비의 75%)되었으며, 현재 전 세계의 총 풍력 발전 용량의 50%를 차지하고 있다.
올해는 또 다른 기록적인 해가 될 것으로 보인다. 2021년 상반기에는 전 세계적으로 약 7GW의 풍력 발전 용량이 경매에 부쳐졌는데, 이는 2020년 1분기에 비해 160% 증가한 수치이다. 2021년 1분기에는 3.9GW의 해상풍력이 허가된 풍력용량의 대부분을 차지했다.
IEA는 올해와 내년에 전 세계 해상풍력 추가가 10GW 이상으로 60% 증가할 것으로 전망하고 있는데, 개발자들이 2021년 말 만료 전에 FIT를 서둘러 활용함에 따라 중국이 이 중 60%에 육박할 것으로 예상된다.
아시아에서도 일본과 한국이 2022년 처음으로 소규모 프로젝트를 상용화했다. 일본과 한국 모두 부유식 해상풍력 지원을 목적으로 하는 지원정책을 시행하고 있다. 일본에서는 부유식 해상풍력 프로젝트에 대해 발전차액지원제도(feed-in-tariff)가 부과되며 고정식 해상풍력 프로젝트에 대해서는 경매 방식이 채택되고 있다.
지난 6월 나가사키현 고토시 앞바다에 16.8㎿급 부유식 해상풍력 발전소를 건설하자는 제안이 일본 부유식 해상풍력 경매에서 확정되었다. 건설되면, 이것은 그 나라 최초의 상업용 해상 풍력 발전소가 될 것이다. 고토시 해안은 수심이 100m~150m에 달해 고정식 하부구조물이 경제성이 없어 부유식이 솔루션이 되었다.
한국에서는 해상 발전의 모든 MWh에 대해 추가 신재생에너지공급인증서(REC)가 부여되고 있다. 한국에서는 태양광 및 육상 풍력과 같은 육상 신재생 에너지에 비해 해상 풍력 발전의 모든 MWh에 대해 추가 REC가 공급되고 있다.
한국의 울산지역 부유식 해상풍력은 해외 투자자들과 국내 개발자들 사이에 수많은 협업을 통해서 부유식 해상풍력 허브로 많은 관심을 받고 있다. 대만에서는 현재 부유풍 해상풍력 사업에 대한 추가 보조금이 지급되지 않고 있다. 이에 오는 2026년 이후 프로젝트에 초점을 맞춘 3라운드 발전 경매의 초기 신청서 대부분은 고정식 해상풍력 기술 기반일 것으로 예상된다. 3라운드 발전경매는 경쟁이 치열해 청약자 수가 초과될 가능성이 높다. 대만의 2026-2035년 해상 풍력 할당 계획은 총 15 GW의 새로운 용량을 추가할 것을 제안하고 있다.
중국 입장에선 여전히 대부분의 해상풍력 프로젝트가 고정식 해상풍력 설치가 적합한 얕은 물에 집중돼 있다. 부유식 해상풍력 터빈은 지난 7월 광둥성 앞바다에 설치되었지만, 주로 시연 목적으로 배치되었다. 부유식 해상풍력(>1GW)의 상업적 배치는 2030년 이후에나 예상된다. 이러한 프로젝트의 초기 계획은 칭다오 지역에서 고려되고 있다.
2050년에는 아시아 태평양 국가에서 최대 50%의 부유식 해상풍력 수요가 발생할 것으로 예상된다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 해상 풍력에너지 시장은 비용경쟁력 상승에 힘입어 육상 풍력 분야보다 빠르게 성장할 것으로 예상되며 평균 균등화발전비용(LCOE)는 MWh당 50달러가 도달할 수 있다.
국제 재생 에너지 기구(IRENA)는 2050년까지 육상 풍력의 세계 용량은 32-58%로 증가하고 해상 풍력의 경우 2050년까지 43-60%로 증가할 것으로 예측하고 있다.
DNV의 에너지 전환 전망은 대규모 해상 풍력에 대한 잠재적 수요와 증가하는 수요로 인해 2050년까지 전체 해상 풍력 자원의 20%를 차지할 것으로 예측하고 있다. 이는 현재의 34GW에 불과했던 용량이 금세기 중반에는 250GW에 달한다는 것을 의미한다.
설치된 용량이 두 배로 증가할 때마다 해상 풍력 비용은 약 16% 감소하는데, 이는 기술 개선 보다 효과적인 제조, 규모의 경제, 광범위한 공급망 효율성 및 경쟁에 의해 주도되는 비용 학습 곡선에 기인한다고 할 수있다.
DNV는 부유식 해상 풍력에 대해 현재와 2050년 사이에 9배의 용량 증가를 예상하고 있으며, 비용은 MWh당 약 40유로(미화 47달러)까지 감소할 것으로 예상된다. 이러한 용량 증대는 향후 10년 동안 가장 많은 비용 편익이 실현될 것으로 예상됩니다. 10년 안에 DNV는 부유식 해상풍력이 오늘날의 비용 수준의 절반에 근접할 것으로 예상하고 있다.

◆시연부터 상용화까지

대규모 부유식 해상풍력 투자를 위해서는 정부, 규제 기관, 투자자, 개발자, 조선소 및 고객의 공동 노력이 필요하다.
그것은 또한 해수면 위에 있는 기초구조를 포함한 다양한 구성 요소에 필요한 복잡한 기술의 통합과 심화가 필요로 할 것이다. 심해환경에서 부유식으로 타워와 터빈을 장착할 수 있는 방법을 찾는 것에 현재 대부분의 연구개발이 집중되고 있다. 또한 콘크리트 대 강철 기초 구조물, 파동 및 풍동 및 하중 변수, 육지 계통에 전력 공급과 관련된 네트워크 안정성 및 전력 수송 문제와 관련된 엔지니어링 및 모델링 과제가 있다.
약 40개의 다양한 플로터 설계가 상용 또는 상용화 단계에서 4가지 기본 기술, 즉 스파(spar), 반잠수정(semi-submersibles), 바지선 장착 터빈(barge-mounted turbines) 및 텐션 레그 플랫폼(tension-leg platforms)을 갖춘 플로터 기술을 사용하여 조사되고 있다. 어떤 기술이 지배적인 기술이 될 것인지 결정하는 것은 이 분야를 상업 단계로 발전시키는 데 매우 중요할 것이다.
이후, 기술에 대한 이해관계자의 신뢰를 구축하고 대량 생산으로 이동하기 위해 설계 개념의 표준화와 합의된 표준에 대한 인증이 요구될 것이다. 효과적인 공급망을 구축하고 터빈 제조업체, 조선소, 케이블 제조업체 및 변전소 제공업체가 참여하는 확장된 산업을 창출하기 위해서 산업간 협업과 통합이 필요하다. 스파(Spar)와 반잔수정(Semi-Submersible)은 아시아에서 인기 있는 구조(Architecture)이며 이러한 기술을 선호하는 많은 국제 개발자들에 의해 채택하는 것이 고려되고 있다.
해양공간에서는 석유?가스 부문의 해양플랜트 사업에 대한 오랜 심해환경 경험이 적정 재정를 고려한 명확한 사업모델로 전환이 가능하다는 것은 큰 장점이 된다. 에너지 메이저들이 부유물, 기질 구조, 앵커링 및 해상전력 상호커넥터에 대한 이해를 활용하여 부유식 해상풍력 분야에 석유 및 가스 공간을 용도변경하는 방안을 모색하고 있다는 초기 징후가 나타나고 있다.
부유풍력은 에너지 패러다임을 화석연료 중심의 에너지 시스템에서 재생에너지로 바꾸는 원동력이 돼 2050년까지 해상풍이 전 세계 에너지 믹스에서 상당한 비중을 차지할 수 있을 것으로 기대된다.
수소 주도의 에너지 변환에 대한 추진 속도가 가속화 되면서, 대규모 부유식 해상풍력은 전기를 생산하면서, 이를 다시 수출용 수소를 생산하는데 사용될 수 있다. 이와 관련해 호주 배스해협과 같은 지역의 해양석유?가스 플랫폼 용도 변경은 수소수출 인프라 시스템의 일부가 될 수 있다.