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[김해창 교수의 에너지전환 이야기] <51>풍력에너지의 실태와 과제를 말한다

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  •  |  입력 : 2018-07-09 10:40:55
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인류는 언제부터 바람을 동력으로 이용했을까? 기원전 5000년에 나일강에서는 바람을 이용해 배를 움직였고, 기원전 200년경에 페르시아와 중동에서는 수직축 풍차로 곡식을 제분한 반면, 중국에서는 풍차로 물을 길어 올렸다고 한다.

풍력발전기는 1887년 영국에서 글래스고 J. 브라이스가 수직풍차를 설치해 출력 3㎾의 발전을 한 것이 시초이다. 1903년 덴마크의 에디슨이라 불리는 폴 라코르가 발전회사를 설립해 본격적으로 가정용·산업용 전기를 생산했다. 1940년대에는 미국 버몬트주 언덕 정상에 ‘Grandpa’s Knob(할아버지의 손잡이)’라는 대형 풍력터빈을 설치했는데 1.25㎿ 출력으로 제2차 세계대전 중 수개월 동안 지역 전기공급망에 전기를 공급했다.

풍력발전은 1940년대 들어 보다 편리한 화석에너지에 밀려 한 때 쇠퇴 경향을 보였으나 1970년대 오일쇼크를 겪으면서 재생에너지 보급에 힘입어 1980년대 초 미국 캘리포니아주에 윈드팜(Wind Farm)이 등장했고, 1990년대 중반부터 전 세계적으로 풍력발전이 크게 늘어나고 있다. 2000년대 들어서는 ㎿급 풍력발전소가 들어서고 있다.

우리나라도 동해지역, 제주도 등 도서지역에 풍력발전이 늘어나고 있다. 문재인 정부가 지난해 연말 발표한 ‘재생에너지 3020 이행계획’에는 현재 38㎿ 수준인 해상풍력발전 설비를 2030년까지 12GW로 늘릴 목표를 제시하고 있다. 우리나라는 2007년에 자체 생산한 750㎾와 1.5㎿급 풍력터빈이 국내시장에 출시됐고, 2007년 당시 우리나라에 설치된 풍력발전 전체 용량은 193㎿, 풍력을 이용한 전체 전기출력은 399GWh로 국가 전기수요의 0.1%를 풍력이 담당했다.

풍력발전은 바람에 의해 발생하는 에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지변환기술로 바람이 가지는 운동에너지에서 로터 블레이드가 기계적 에너지를 추출하고 이 회전력으로 발전기의 로터를 회전시켜 전력을 생산한다. 발전기에서 생산된 전력은 축전지에 저장해 사용하거나 전력계통에 연계해 송전한다. 풍차의 효율은 풍속으로부터 얻어지는 동력과 풍차를 통과할 때 풍속이 갖는 힘의 비로 나타낼 수 있다.

   
풍력발전소의 형태도 집합형 풍력발전소, 해상풍력발전소, 공중풍력발전기 등 다양하다. 집합형 풍력발전소는 다수의 풍력터빈을 한 곳에 설치해 발전하는 시설로 ‘윈드팜(wind farm)’이라고도 부른다. 해상풍력발전 또는 해양풍력발전은 입지 확보나 경관, 소음 문제를 상대적으로 완화할 수 있다. 영국 정부는 2020년까지 해상풍력발전 설치용량을 33GW나 잡고 있다. 미국, 유럽에서 차세대 풍력발전으로 상공에 풍선 등으로 풍력터빈을 들어 올려 설치하는 공중풍력발전기(AWT)의 상용화 연구도 진행되고 있다. 헬륨을 가득 채운 직경 약 10m의 풍동형 기구 중심에 풍차가 있는 구조로 상공의 바람을 받아 풍차가 발전을 하는 것인데 1기당 발전능력은 30㎾로 비나 눈이 내려도 가동이 가능해 알래스카에서는 상업운영이 결정됐다고 한다.

풍력은 발전소의 입지 선정이 매우 중요하다. 미국의 경우 연평균 풍속이 7㎧ 이상인 서부지역을 중심으로 전국에 골고루 풍력발전소가 건설돼 있고, 유럽의 경우 연평균 풍속이 8~9㎧ 또는 9㎧ 이상인 북해 연안과 지중해 일부지역의 고도 50m 지대에 많이 건설되고 있다. 우리나라에서는 대관령의 경우 연평균 풍속이 6.5㎧, 여수의 경우 6.1㎧로 풍력발전소를 설치하기에 적합한 것으로 나타났다. 우리나라에서 7㎧ 이상의 풍속이 나오는 지역으로 향로봉 7.8㎧, 미시령 8.5㎧, 백령도 7.1㎧, 백운산 8.3㎧, 무등봉 7.7㎧, 홍도 7.3㎧, 흑산도 7.4㎧, 진도 7.6㎧, 부산 가덕도 7.6㎧가 풍력발전에 효과적인 곳으로 나타났다.

풍력발전은 2010년에는 세계 전력수요량의 2.3%를 차지했으나 2020년에는 4.5~11.5%에 이를 것으로 전망하고 있다. 중국의 풍력발전 신장이 현저한데 신규도입량이 16.1GW이며, 해양풍력발전은 영국이 주도하고 있다. 풍력발전기 제작시장 점유율은 2009년 현재 덴마크의 베스타스가 12.5%로 1위, 미국의 GE에너지가 12.4%, 중국의 화예풍전이 9.2%, 독일의 에네르콘이 8.5%, 중국의 골드윈드(Goldwind)가 7.2%, 스페인의 가메사(Gamesa)가 6.7%를 차지하고 있다.
GWEC(세계풍력발전협회)에 따르면 2013년말 현재 풍력발전의 세계누계설치용량과 세계 신규설치용량은 <표 1>과 같다.

   
‘투자의 귀재’ 워렌 버핏의 에너지회사인 미드아메리칸에너지(MidAmerican Energy)이 2016년 4월 미국 아이오와주에 풍력발전시설 건설을 위해 36억 달러(약 4조1270억 원)를 투자할 계획이라고 밝혔다. ‘윈드11(Wind XI)’로 명명된 이 풍력발전소가 완공될 경우 총 2GW의 전기를 생산해 현재 미국은 물론 세계 풍력발전소인 캘리포니아의 알타윈드에너지센터(1548㎿)를 넘어서게 된다는 것이다(중앙, 2016.4.15). 일본도 2004년부터 풍력발전 도입이 본격화되고 있는데 2014년 현재 전국에 약 2000개, 발전능력의 합계는 약 2.5GW이다. 일본의 전력회사는 풍력발전사업에 소극적이지만, 지자체 차원에서 ‘지차제 풍차’나 시민단체에 의한 ‘시민풍차’ 설치운동이 활발하다.

풍력발전은 기존의 중앙집중식 전원과는 달리 다음과 같은 장점을 갖고 있다. 주로 환경부하가 적고, 온실가스 배출량을 줄일 수 있고, 비교적 발전 비용이 낮고, 사업화가 비교적 쉬워 에너지 자급률을 높이는데 도움이 된다. 소규모 분산전원이기에 사고나 재해 등의 영향을 최소화하고 전체 가동률을 높일 수 있다. 또한 공사기간이 짧아 수요총량의 변화에 대응하기 쉽다. 운전용 연료를 필요로 하지 않기 때문에 가격변동으로 인한 사업위험을 줄일 수 있고, 대규모 중앙집중식 발전소에 비해 유지 보수 및 수리에 드는 기간을 단축할 수 있다. 외진 섬과 같이 연료를 확보하기 어렵거나 송전비용이 많이 드는 지역에서는 독립전원으로 활용할 수 있다. 설비가 비교적 소규모여서 개인이 발전사업에 참여하기도 쉽다.

그러나 풍력발전은 단점 또한 많다.

   
첫째, 출력 전력이 불안정 또는 불확실하다는 것이다. 풍속의 변화에 따라 출력이 수요와 무관하게 변동하고 전압 및 역률의 변동을 초래한다. 이 변화는 일반적으로 태양광 발전에 비해 크다. 그러나 대규모 설치의 경우 변동은 크게 완화되고 계통측의 부담은 작아진다고 한다.

둘째, 주변 환경에 미치는 영향의 문제가 있다. 그 중 하나가 저주파문제로인근 주민들이 현기증·이명 등의 현상을 호소하는 사례가 나오고 있다. 블레이드와 터빈부가 내는 바람소리가 소음과 저주파진동이 원인으로 지적되고 있다. 그러나 최근 회전날개를 섬유강화수지를 사용해 전파에 유의한 영향을 미치지 않을 것으로 보고 있다. 영국에서는 이런 문제 해소를 위해 민가에서 5㎞ 정도 거리를 두는 것이 규정화돼 있다고 한다.

셋째, 발전중 블레이드에 새가 휘말려 들어가 문제가 되는 ‘버트 스트라이크’나 태풍과 같은 강풍으로 정격을 크게 초과하는 속도로 운전하면 풍력발전기의 손상을 초래하거나 대형 풍력발전의 경우 낙뢰 등으로 고장·사고의 원인이 될 수가 있다. 미국에서의 연간 평균 버드 스트라이크 수는 대형풍차 1기당 2.19마리(2001년), 독일은 동 0.5마리인데 미국의 버드 스트라이크 총수가 연간 약 10억 마리이지만, 풍차에 의한 것은 0.01%로 미미하다는 견해도 있다. 풍력발전기의 설치는 아름다운 관광지 주변지역의 경우 경관 훼손 우려도 있으며, 반면에 지역에 따라서는 대형풍차가 즐비한 장엄한 광경이 새로운 관광자원이 되는 경우도 있다.

셋째, 현재로는 비용면에서 법적인 지원조치가 필요로 한 경우가 많고, 계통의 확장과 관련해서 추가 비용을 필요로 한다는 점이다. 풍력터빈 로터의 직경이 대형화함에 따라 효율성이 향상되고 수익성도 향상되는데 이에 따라 타워는 높아지고 블레이드는 길어져 점검이나 보수에 어려움이 발생하고 비용이 높아질 수 있다.

풍력발전의 과제로는 용지확보나 발전량의 예측, 강풍 등에 대한 대처를 들 수 있다. 용지확보와 관련해 풍력발전은 육상설치의 경우 1㎿p(1000㎾p)당 50에이커(약 20만 ㎡) 정도의 면적이 필요하다. 그러나 풍차 자체가 차지하는 면적은 주로 지주이기 때문에 5% 이하로 밭과 목초지 등 높이를 필요로 하지 않는 장소에 설치하면 문제를 어느 정도는 해결할 수 있다.

우리나라의 경우 풍력발전의 보급 속도가 낮은데 이를 높이기 위해 걸림돌이 되는 것이 규제를 완화해야 하는 것이라고 한다. 가령 육상풍력 환경성평가 기준을 완화하거나 환경보호대책을 검토해 입지를 허용하고, 주요 산정상부·능선부 외에 설치를 허용하는 등 개선방안이 필요하다는 것이다. 관계부처가 협의하고, 국무조정실의 규제 정비 트랙 등을 통해 규제를 개선할 필요가 있다. 특히 지자체 개발행위허가 운영지침을 개정해 도로·주거지역과 이격거리 제한 완화 등 풍력발전 건설을 가로막는 규제를 줄이는 것이 과제라고 하겠다. 김해창 경성대 환경공학과 교수

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