해상풍력발전

왜 배우는가: 해상풍력은 육상풍력의 입지·소음·운반 한계를 넘는 대안으로, 재생에너지 확대와 계통연계 문제가 함께 얽혀 있어 발송배전기술사 시험에서 반복해 출제되는 개념이다. 출력 변동성과 계통 영향을 함께 이해해야 답안이 완성된다.

출제 이력: 제132회 4교시 2번, 제128회 3교시 3번, 제96회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

해상풍력발전은 해역에 풍력발전기를 설치해 바람의 운동에너지를 기계에너지로 바꾸고 전기를 얻는 발전방식이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 해상풍력발전(Offshore Wind Power)
• 이용률(Capacity Factor)
• 고정식·부유식 기초
• 출력 변동성
• 계통연계
• 출력제한(Curtailment)
• 대형화
• 해저 케이블

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 바다 위에 풍차를 세워 바람으로 전기를 만드는 것이다. 육지보다 바람이 강하고 일정하게 불어 발전량을 키울 수 있다는 것이 핵심이다.

정식으로는 해안이나 호수, 피오르드 같은 수역에 풍력터빈을 설치하여 수역에서 부는 바람의 운동에너지를 회전날개의 기계에너지로 변환하고, 이를 발전기에서 전기에너지로 바꾸는 발전방식이다. 발전기에서 나온 전력은 해저 케이블로 육상 변전소까지 보내진다.

풍력터빈(Wind Turbine)은 블레이드, 나셀, 타워로 구성된다. 블레이드는 바람의 운동에너지를 회전력으로 바꾸고, 나셀 안의 발전기가 이를 전기로 바꾼다. 풍력 발전량은 바람 속도의 세제곱에 비례하므로 풍속 확보가 가장 중요하다.

기초(Foundation)는 터빈을 해저에 고정하는 구조물이다. 수심이 얕은 곳은 고정식 기초를, 깊은 곳은 부유식 기초를 쓴다. 고정식에는 콘크리트 케이슨, 모노파일, 재킷 등이 있다.

계통연계(Grid Connection)는 생산된 전력을 전력계통에 접속하는 것을 뜻한다. 해상풍력은 해저 케이블과 해상변전소를 거쳐 육상 계통에 연결되므로 해저 케이블 송전 기술이 함께 필요하다.

3. 등장 배경과 필요성

육상풍력은 발달하면서 풍력터빈이 대형화되었다. 터빈이 커지자 설치 장소의 한계, 소음, 운반 문제, 시각적 위압감 같은 문제가 드러났다. 이를 해소하기 위한 대안으로 해상풍력이 고안되었다.

바다는 육지와 온도 차이로 강한 바람이 발생하고, 이를 막는 장애물도 적다. 그래서 해상은 육상보다 풍속이 높고 풍황이 안정적이다. 같은 설비라도 이용률이 높아 단위 설비당 발전량을 늘릴 수 있다.

국내에서는 탄소중립 목표와 재생에너지 비중 확대가 배경이다. 우리나라는 서남해안과 제주 연안에 풍황상 이점이 있어 해상풍력 확대가 추진되고 있다. 정책 목표로는 해상풍력 설비용량을 대폭 확대하는 계획이 제시되어 있다.

그러나 해상풍력은 출력이 바람에 따라 변한다. 원자력이나 화력과 달리 수요에 맞춰 발전량을 늘릴 수 없으므로 계통 운영에 부담을 준다. 따라서 해상풍력의 필요성은 발전량 확보와 함께 출력 변동을 관리하는 체계와 함께 논의해야 한다. 이 점이 이후 문제점과 출력조정 방법으로 이어진다.

해상풍력 발전설비 용량 확대 목표

4. 구성요소·원리·절차

해상풍력발전시스템은 해상에 설치된 풍력터빈이 바람의 운동에너지를 기계에너지로 바꾸고, 발전기가 이를 전기에너지로 바꾼 뒤 해저케이블로 육상 계통에 연계하는 구조다. 육상 풍력과 달리 기초구조물, 해저 송전설비, 해상 변전설비가 추가로 필요하다.

구성요소를 표로 정리하면 다음과 같다.

표의 구성은 수직축 풍력터빈과 수평축 풍력터빈 모두에 공통으로 적용된다. 발전기 형식은 풍력발전기 형식 항목과 연계해 이해한다.

발전 원리는 바람 에너지가 블레이드를 회전시키고, 회전력이 증속기를 거쳐 발전기 회전자를 돌려 전기를 만드는 과정이다. 풍력에너지는 공기 밀도와 로터 면적, 풍속의 세제곱에 비례한다.

$P = \frac{1}{2}\rho A v^3 C_p$

여기서 P는 출력(W), \rho는 공기 밀도(kg/m³, 해상 기준 값은 조건에 따라 달라짐), A는 로터 회전면적(m²), v는 풍속(m/s), C_p는 출력계수이다. 출력계수의 이론적 상한은 베츠 한계이며, 그 값은 공기 흐름 조건에 따라 달라진다. 해상은 풍속이 육상보다 높고 난류가 적어 같은 로터에서 설비이용률이 높아진다.

해상풍력 발전의 기본 흐름은 다음 절차를 따른다.

• 풍황 조사와 입지 선정: 해상 풍속, 수심, 해저지반, 어업권 등을 조사한다.
• 기초 설치: 수심과 지반에 따라 고정식 또는 부유식 기초를 설치한다.
• 풍력터빈 설치: 타워, 나셀, 블레이드를 해상에서 조립하거나 설치한다.
• 인터어레이 케이블 설치: 터빈 간을 묶어 해상변전소로 전력을 모은다.
• 해상변전소 승압: 집전 전압을 해저 송전 전압으로 승압한다.
• 해저케이블 포설과 육상 연계: 육상 변전소에 연결하고 계통 연계 시험을 한다.
• 운전·유지보수: 원격감시와 해상 정비선으로 상태를 관리한다.

도식으로 전체 구성을 보면 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

해상풍력은 발전사업 인허가, 해상 점용, 계획입지, 전기설비 기준이 함께 적용된다. 국내 해상풍력은 2026년 3월 26일부터 시행된 해상풍력 관련 제도에 따라 국가 주도 계획입지 방식으로 개발을 진행한다. 이 제도는 정부가 입지를 먼저 지정하고 사업자를 선정하는 방식이다.

발전 설비 측면의 기준은 다음과 같다.

이 표의 목표치와 집전 전압은 발표 자료와 일반 설계 관행에 따른 값이다. 세부 적용 조건은 해당 사업의 계통 연계 조건에 따라 달라진다.

계획입지와 해상 점용 허가는 해상풍력 인허가의 핵심 절차다. 전기사업 허가와 계통연계 협의도 함께 거친다.

해상풍력은 기초·해저케이블·해상변전소가 추가되어 육상풍력보다 구성이 복잡하다.

정책 목표 수치는 시기에 따라 바뀔 수 있으므로 계획 발표 연도와 함께 기억한다.

6. 유형과 비교

해상풍력은 기초 구조와 설치 수심에 따라 크게 고정식과 부유식으로 나뉜다. 고정식은 해저면에 기초를 세워 터빈을 지지하고, 부유식은 부유체와 계류선으로 터빈을 해상에 띄워 설치한다. 두 방식은 적용 수심과 설치 비용에서 차이가 뚜렷하므로 비교로 이해한다.

표는 두 방식의 지지 구조와 수심 적용 범위를 비교한다. 고정식은 기초 시공이 비용의 큰 부분을 차지하고, 부유식은 수심 제약이 적은 대신 계류와 동적 해석이 추가된다.