한국 동해 환경조건 기반의 5-MW급 부유식 해상풍력발전기 스파형 하부구조의 내구성 연구

Abstract

최근 국제사회는 지구온난화 문제를 해결하기 위한 방안으로 재생에너지 활용의 중요성을 인식하고 기술개발의 가속화를 통해 “탄소배출량 제로(Net-Zero)” 목표 달성을 위해 노력하고 있다. 다양한 재생에너지 시스템 중에서 부유식 해상풍력발전기는(FOWT) 연안으로부터 원거리에 떨어진 심해에도 설치 가능하며, 육상 또는 고정식 해상풍력발전시스템에 비해 더 우수한 풍황 자원을 이용할 수 있으므로 에너지생산 능력을 더 향상시킬 수 있다. 또한, 소음에 의한 민원문제 및 대규모 풍력단지 설치를 위한 공간의 제약 문제를 동시에 해결할 수 있는 장점이 있다. 국내 부유식 해상풍력발전 산업은 2030년까지 발전용량 12-GW 목표 달성과 더불어 대규모 풍력단지 구성을 위해 대한민국이 보유한 세계적 수준의 조선소 설비 인프라를 활용하여 다양한 해상풍력발전기 하부구조의 개발 필요성이 더욱 부각되고 있다. 하지만, FOWT 시스템의 설계는 바람의 공기역학과 파도의 유체역학 사이의 상호 작용으로 인해 기존의 고정식 풍력발전시스템에 비해 구조가 복잡하다. 안정적인 FOWT 시스템 개발을 위해서는 상부의 발전시스템과 하부의 부유식 구조물 전체를 컨트롤할 수 있는 시뮬레이션 기법을 통해 부유체의 안정성과 운동 성능을 평가할 수 있어야 하며, 설치해역의 파도, 바람, 조류, 수심 등 부유체의 거동에 작용하는 복합해상환경조건의 분석이 충분히 이루어져 설계에 반영되어야 한다. 수치해석의 경우, 상부의 발전시스템과 하부의 부유식 구조물 사이의 복합적인 상호작용을 통합연성해석을 통해 검증해야 하며, 수치해석만을 통한 부유체의 설계는 실제 해상환경에서 시스템 운용의 불확실성을 내포하고 있기 때문에 모형시험과 통합연성해석의 비교 분석을 통해 해석기법에 대한 신뢰성이 확보되어야 한다. 또한, 부유체의 구조설계는 극한의 해상환경 조건에서도 외부하중에 대한 구조적 저항성을 충분히 가질 수 있도록 다양한 설계하중 인자를 구조해석에 적용한 구조건전성 평가가 필요하다. 이러한 과정을 통해 극한의 환경 조건에서도 견딜 수 있도록 허용응력 범위 내에서 설계된 시스템이라 하더라도, 예기치 못한 사고로 인한 구조물의 손상을 고려하지 않고 정적해석만을 통해 구조 손상을 억제하기 위해 안전계수만 높여가는 설계 방법에는 분명 한계가 존재한다. 따라서, FOWT 시스템 운용 중에 발생할 수 있는 손상시나리오를 예상하고 손상시에도 구조물의 유지보수를 판단할 수 있는 손상 잔류강도 평가가 필요하다. 선박의 경우 항해 중 충돌 및 좌초 손상 발생시 손상 잔류강도를 평가하는 국내 기준이 있으나, 부유식 해상풍력시스템의 내구성을 평가할 수 있는 잔류강도 평가 기법 및 기준이 없으며 IEC 국제표준 및 DNV-GL 등의 해외 가이드라인에서 권유하는 한계상태설계법을 등을 인용하여 내구성이 평가되고 있다. 본 연구는 한국 동해안의 150 m 수심 해역에서 운용 가능한 5-MW급 스파형(Spar-Type) 부유식 해상풍력발기의 구조형상을 구성하고, 극한의 해양환경 하중 및 운용 중 사고로 인한 하부구조의 손상 상태에서도 잔류강도 평가를 통해 구조적 신뢰성이 검증된 5-MW급 부유식 해상풍력발전기의 스파형 하부구조의 내구성 평가기법의 제안을 목표로 한다. 먼저 FOWT 전체시스템 구성을 위한 통합연성해석 프로그램으로 NREL의 FAST를 사용하였으며, IEA 국제공동연구 및 반잠수식 수조모형시험의 선행연구 경험을 바탕으로 FAST 통합연성해석에 대한 신뢰도를 검증하였다. 또한, 부유식 해상풍력발전기에 적합한 제어로직을 구성하고 정상상태해석을 통하여 스파형 FOWT의 작동 및 운동성능 검증 그리고 초기 형상을 결정하였다. 동해가스전 인근해역의 해양환경분석을 위해서 해양기상부이의 실측데이터를 활용하여 극한환경하중을 도출하였다. 도출된 극한하중 및 통합연성해석의 동적응답을 유한요소해석의 하중인자로 적용하기 위하여 상세 구조설계를 진행하고 부유체의 유한요소 모델링을 통해 다양한 설계하중조건을 구조해석에 적용하였다. 유한요소 모델링과 정적해석을 위해 MSC PATRAN/NASTRAN을 사용하였으며, 정적 및 동적 설계하중을 적용한 유한요소해석을 통해 부유식 하부구조의 구조적 안전성을 먼저 검증하였다. 또한, 풍력발전 단지내에서 선박의 통항 및 유지보수 시 선박과 의도하지 않은 충돌 가능성을 바탕으로 충돌해석을 수행하였고 하부구조의 소성변형을 확인하였다. 그리고, 충돌해석법의 신뢰성을 검증하기 위하여 종보강 실린더 모델에 대한 충돌시험과 상용 소프트웨어인 ABAQUS를 활용해 충돌해석 결과 비교를 통해 충돌해석기법을 검증하였다. 최종적으로 FOWT 전체시스템 모델에 대한 선박과의 충돌해석을 수행하고 구조물의 영구손상이 굽힘 모멘트로 인한 외력 발생시 FOWT 전체시스템의 잔류 종강도의 감소에 얼마나 영향을 미치는지 평가하였다. 본 연구를 통해 부유식 해상풍력발전기 스파형 하부구조에 적용할 수 있는 극한 해양환경조건 산출방법과 정적하중 및 동적하중 조합을 통한 유한요소 해석기법, 그리고 충돌해석을 통해 잔류강도 평가기법에 관한 연구들을 수행하였다. 특히, 잔류강도는 구조물이 충돌로 인해 손상되었을 때 유지보수를 위한 최소한의 강도로 정의될 수 있다. 본 연구 결과를 초석으로 부유식 해상풍력발전기에 적용할 수 있는 충돌손상 및 잔류강도 평가지침 제정되어 손상허용 설계 적용이 가능한 부유식 하부구조물 설계 및 내구성 평가가 수행될 수 있기를 기대해 본다.