해상 풍력발전용 '수직형 역회전 부유식 터빈'으로 대박난다

최근 해상 풍력발전 비용을 절반으로 줄일 수 있는 매우 혁신적인 터빈 시스템이 노르웨이에서 개발되어 시험 운전을 앞두고 있다. 이번에 개발된 이 신재생 터빈은 전례 없는 크기와 출력으로 확장이 가능한데, 우선 1차로 19m 길이의 30kW급 역회전 수직축을 갖도록 설계한 터빈으로 알려졌다.

대부분의 풍력 터빈은 기둥에 프로펠러를 장착한 것처럼 보이지만, 이 개념 그대로를 세계 최고의 풍력 자원 대부분이 있는 심해까지 범위를 확대하면 점점 더 의미가 없는 디자인이 된다. 무거운 부품이 모두 위쪽에 있기 때문에 바람에 뒤집히지 않고 물 위에 떠있도록 부유식으로 제작하고 유지보수도 가능해야 하는데, 이는 쉽지 않고 비용도 많이 들게 된다.

이 때문에 최근 노르웨이의 '월드와이드윈드(World Wide Windㆍ이하 WWW)'사가 개발한 역회전 '수직축 풍력 터빈(VAWT: vertical-axis wind turbine)'이 매력적인 대안으로 주목받고 있다. 이 새로운 장치는 중량이 무거운 모든 발전기가 물속에 일부 잠긴 터빈의 부유식 철주(鐵舟ㆍpontoon) 내부 바닥에 설치된다. 이렇게 하면 바닥에 충분한 무게가 더해져 전체가 물 위로 떠오르는 것을 방지할 수 있으며, 계류용 앵커 세트만 있으면 된다

그런 다음 발전기의 로터(rotorㆍ회전자)와 고정자(stator)는 한 쌍의 수직축 터빈에 연결되며, 각 터빈은 메인 타워 샤프트에서 45도 각도로 3개의 블레이드(bladeㆍ날개)를 구동한다. 아래쪽 터빈은 한 방향으로 회전하도록 설정되어 있고, 아래쪽 터빈의 중앙을 가로지르는 기둥에 장착된 위쪽 터빈은 다른 방향으로 회전하도록 설정되어 있다.

블레이드는 간단히 고정되어 있으며, 요트처럼 바람을 맞으며 유용한 토크(torqueㆍ회전력)를 얻게 된다.

WWW사의 최고 기술경영자(CTO)인 한스 베른호프(Hans Bernhoff)는 "속도를 잡지 못하는 유일한 경우는 바로 맞바람이 불거나 바로 역풍이 불 때 뿐"이라며 "수직축 블레이드가 회전하면서 360도 가운데 300도까지 각도를 이룰 때 토크를 얻게 된다"고 설명한다.

발전기 저항은 터빈의 속도를 제어하기 위해 마이크로초 단위로 관리할 수가 있으며, 따라서 바람이 부는 방향에 관계없이 이중으로 만들어진 부유식 VAWT는 수동적으로 최적의 각도로 기울어지고 두 개의 터빈이 서로 반대 방향으로 회전하기 시작하면 고정자에서 로터가 효과적으로 회전하여 속도를 두 배로 늘릴 수 있게 된다.

이 회사 CEO를 역임했던 트론드 루트달(Trond Lutdal)은 "이와 같은 설계로 발전량은 두 배로 늘리면서 비용을 절반으로 줄일 수 있었다"며 "따라서 저렴한 비용에 확장성이 훨씬 뛰어날 뿐만 아니라 유지보수가 수십 미터 상공이 아닌 바닥에서 이루어진다"고 장점을 강조했다.

그는 "바람에 의해 구조물에 가해지는 토크는 두 개의 반대 회전에 의해 효과적으로 균형을 잡으며 중화가 이뤄진다"면서, "또한 각 로터의 원뿔형 비질장치(sweep)는 날개 끝의 속도를 줄이고, 뒤쪽에서 발생하는 '웨이크 효과(wake effect)'를 줄여줌으로써 실제 풍력발전 단지와 같은 상황에서는 서로 더 가깝게 배치하여 주어진 영역에서 더 많은 에너지를 생성하고 연결 케이블을 줄일 수 있다"고 효율성을 말했다.

'웨이크 효과'는 풍력발전에 있어 터빈끼리 서로 미치는 영향으로 풍속 변화가 생기면서 결과적으로 전체 에너지 생산에 주는 영향을 말한다. 

아울러 그는 "우리 회사는 몇 가지 흥미로운 재료 선택을 통해 이러한 장치를 400m의 거대한 높이까지 확장할 수 있을 것으로 보고 있으며, 이 시점에서 단일 타워로 세계 최대 풍력 터빈의 거의 두 배에 달하는 40메가와트(MW)의 엄청난 전력을 생산할 수 있다"면서, "더 중요한 것은 해상 풍력의 '균등화 발전비용(LCoE)'을 2027년까지 일반 수평축 타워의 절반 이하인 메가와트시(MWh) 당 50달러 미만으로 크게 낮출 수 있다"고 주장한다.

한편 WWW사는 이를 토대로 노르웨이 최대 건설사 중 하나인 AF그루펜(AF Gruppen)과 파트너십을 맺고 소규모 시작품(prototype) 테스트를 시작하기로 합의했다고 알려지고 있다.

19미터 길이의 이 시작품은 가슴이 벅찰 정도로 아름다운 노르웨이 남동부 해안의 빙하로 만들어진 좁고 깊은 피오르드(fjord) 협곡이 줄지어 선 바츠(Vats) 지역에 위치한 AF그루펜사의 환경 기지에서 시험이 이루어질 예정이다. 

정확한 일정은 정해져 있지 않지만, 다음 시작품은 2025년 초에 시험할 예정인데 훨씬 더 큰 1.5MW 파일럿이 될 것으로, 2030년 이전에는 상용화된 24MW 터빈을 출시할 계획이다. 이렇게 되면 세계 최대 규모의 해상 터빈이 될 것으로 보인다.

WWW사의 신임 CEO인 비욘 시몬슨(Bjørn Simonsen)은 "AF 그루펜과 협력하여 첫 번째 프로토타입을 테스트하게 되어 매우 자랑스럽다"며 "출시와 후속 테스트 프로그램을 기대하며 더 많은 협업 기회를 모색할 것"이라고 말했다.

이제 이 거대한 신재생 풍력발전 장치 개발이 계획대로 진행되기만 하면 전 세계로부터 대박날 것이 분명하다.