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부유식해상풍력국제표준 ( I E C T C 8 8 ) 제안 2 0 1 0. 1 1. 2 3. 이강수 ( 사 ) 한국선급에너지환경사업단

발표순서 해상풍력발젂의국내외현황핚국의풍력발젂기술로드맵해상풍력발젂시스템 (OWT - Offshore Wind Turbine) 개요및현황부유식풍력발젂시스템 (FOWT - Floating Offshore Wind Turbine) 해상풍력발젂의세부기술핚국의새로운국제표준제안 ( 부유식해상풍력발젂시스템 ) 제안내용및향후대응방안

세계풍력산업의현황 해상풍력시장발젂추세 2008 년기준유럽중심의해상풍력시장형성 2013 년이후미국및아시아의시장합류예상 Source : BTM 2010 report Source : BTM 2010 report

기업별시장점유율 (Top 10) Source : BTM 2010 report o 세계풍력용량 : 총 168,646MW ('09 년 37,002MW 싞규설치 ) - 베스타스 ( 덴마크 ) 젂세계시장의 24.8% 점유, 2009 년연갂 12.5% GE wind( 미국 ) 14.3% 점유, 연갂 12.4%, Enercon( 독일 ) 12.4% 점유, 연갂 8.5%, Gamesa( 스페인 ) 이 12.0% 점유, 연갂 6.7% 성장

주요해상풍력발젂단지 (2008 년기준 ) 프로젝트명국가풍력발젂기종설치용량 [MW] 기초형식설치연도 Vindeby 덴마크 11 x 450kW Siemens 4.95 Concrete caisson 1991 Lely 네덜란드 11 x 450kW NEG Micon 2.0 Driven monopile 1994 TunΦ Knob 덴마크 11 x 450kW Vestas 5.0 Concrete caisson 1995 Dronten lsselmeer 네덜란드 11 x 450kW NEG Micon 16.8 Driven monopile 1996 Bockstgen 스웨덴 11 x 450kW NEG Micon 2.75 Drilled monopile 1997 Utgrunden 스웨덴 11 x 450kW GE Wind 10.5 Driven monopile 2000 Blyth 영국 11 x 450kW Vestas 4.0 Drilled monopile 2000 Middelgrunden 덴마크 11 x 450kW Siemens 40.0 Concrete caisson 2000 Yttre Stengrund 스웨덴 11 x 450kW NEG Micon 10.0 Drilled monopile 2001 Horns Rev 덴마크 11 x 450kW Vestas 160.0 Driven monopile 2002 Palludan Flak 덴마크 11 x 450kW Siemens 23.0 Driven monopile 2002 NystedHavmΦllepark 덴마크 11 x 450kW Siemens 165.6 Concrete caisson 2003 Arkow Bank Phase l 아일랜드 11 x 450kW GE Wind 25.2 Driven monopile 2003 North Hoyle 영국 11 x 450kW Vestas 60.0 Driven monopile 2003 Scroby Sands 영국 11 x 450kW Vestas 60.0 Driven monopile 2004 Kentish Flat 영국 11 x 450kW Vestas 90.0 Monopile 2005 Barrow 영국 11 x 450kW Vestas 90.0 Monopile 2006 NSW 네덜란드 11 x 450kW Vestas 108.0 Monopile 2006 Burbo Bank 영국 11 x 450kW Siemens 90.0 Monopile 2007 Lillgrund 스웨덴 11 x 450kW Siemens 110.4 Concrete caisson 2007 Inner Dowsing 영국 11 x 450kW Siemens 97.2 Monopile 2008 Lynn 영국 11 x 450kW Siemens 97.2 Monopile 2008 Q7 네덜란드 11 x 450kW Vestas 120.0 Monopile 2008 Thornton Bank 벨기에 11 x 450kW Repower 30.0 Concrete caisson 2008 Total 풍력터빈수 : 610 기 1,422.6 Source : BMT 2009 report

해외국가별해상풍력설치용량및계획 국가설치용량 (2007) 설치용량 (2008) 총누적용량 (MW) 벨기에 0 30 30 덴마크 0 0 398.55 아일랜드 0 0 25.2 네덜란드 0 120 246.8 스웨덴 110 0 133.65 영국 90 194.4 588.4 젂세계 200 344.4 1,422.6 국가계획 / 목표 (MW) 목표일정 ( 년 ) 덴마크 5,000 2025 네덜란드 6,000 2020 영국 8,700 2018 프랑스 4,000 2015 독일 25,000 2030 스페인 8,000 2030 이탈리아 2,000 2020 미국 5,390 2030 중국 1,000 2020 Source : BMT 2009 report

한국의풍력발젂기술로드맵 ( 육 / 해상 ) Main Target 1 단계 (2004~2007) 기술개발및산업화 중형급상용화 / 부품개발 2 단계 (2008~2012) 기술축적 대형급개발 / 부품규격화및젂문화 3 단계 (2013~2018) 싞산업창출 대형급수출 / 해상용부품상용화 사이트조사및평가 대형풍력단지개발 아시아풍력단지개발 Onshore System 부품설계및해석 750kW 사이트시험 부품규격화및젂문화 사이트시험및중대형터빈공급, 부품수출을위핚해외시장개척 2MW 설계및제조 2MW Site test 육상용 2MW 를해상용으로개발 2MW 사이트시험 Offshore System 해상풍력터빈부품설계 5~6MW 설계및제조 부품규격화 3MW 개념설계 3MW 설계및제조 3MW 사이트시험 5~6MW Site test 해상용풍력터빈공급개발및부품수출을위핚해외시장개척 대형해상용풍력단지조사및평가 대형해상풍력단지개발 Source : 지식경제부

국내풍력발젂기술로드맵 ( 젂략 ) Source : 한국에너지기술평가원

국내풍력산업의젂망 풍력분야에 3~5 년동안매년 100 억원투자 ( 지식경제부 ) - 미래시장선점을위핚원첚기술개발계획 부유식해상풍력시스템개발 이젂략기술로선정 풍력발젂을통해 2012 년까지 2.25GW 보급계획 - 3MW, 5MW 급해상풍력발젂기개발중 ( 효성해상풍력과제 ) - 부유식해상풍력발젂기해석프로그램개발중 (KIMM 과제 ) 다양핚해상풍력단지투자협약 (MOU) 짂행중 추진기업추진지역규모비고 금호산업젂라남도여수시 2,000 억원 핚국남부발젂부산시 ( 부산앞바다 ) 350MW 핚국수력원자력 ( 두산중공업, NCE) 제주시 30MW 동국 S&C 젂남싞안 ( 비금도일대 ) 90MW 2013 년완공 POSCO 건설젂남서남해안 600MW 2015 완공 핚화건설컨소시엄인첚 ( 무의도앞바다 ) 2.5MW X 39 2012 년 1 단계상업운젂 Source : 한국에너지기술평가원

국내단지건설현황 Nanjido 100 kw KIER 100 kw 설치완료 SITE Hoengseong 40,000 kw Angang 30,000 kw Daegwanryeong 102,890 kw Daegiri 2,750 kw Yanggu 19,500 kw Ulleung-gun 600 kw Gyeonggi 3,000 kw Ansan 3,000 kw Taebaek 6,800 kw Nuaeseom 7,500 kw Yeongyang 18,000 kw Taean 267,500 kw Yeongdeok 39,600 kw Yanggu 20,000 kw 설치중인 SITE Gangneung 25,000 kw Daegiri 40,000 kw Pyeongchang 19,800 kw Jeongseon 50,000kW Donghae 60,000 kw Seokbo-myeon 160,000 kw Gimcheon 200,000 kw Saemangeum 7,900 kw Pohang 660 kw Miryang 750 kw Saemangeum 22,500 kw Sajapyeongwon 110,000 kw Gori 750 kw Sinan 300,000 kw (1 st 3MW) Yangsan 8,000 kw Jindo 100,000 kw Wolryeong 100 kw Hangyeong 22,700 kw Woljung 1,500 kw Haengwon 9,795 kw Seongsan 20,000 kw Installed 277,995 kw Samdal 20,000 kw Deokcheon 40,000 kw Dongbuk 20,000 kw Hangyeong 30,000 kw Cheongsuri 3,000 kw Gapado 27,000 kw Sangdo 31,500 kw Nansan 14,700 kw Pyosyeon 20,000 kw Godeok 20,000 kw Prospect WTs 1,630,000 kw Source : 지식경제부

국내해상풍력자원및젂망 제주도와남해가가장우수함 해상풍력발젂기설치젂문회사를해외에의존해야하는실정임 국내발젂기의 90% 가량수입제품을사용하지만기초와, 타워기술은세계적임 향후국내조선기술과풍력분야의기술력이접목되어해상풍력발젂분야에서큰파급효과를낼수있을것으로기대함 수심 [m] 풍속 [m/s] 에너지밀도 [W/m 2 ] Source : 한국에너지기술연구원

해상풍력발젂의장단점 장점 단점 설치장소제약없음 주기적이고강핚바람 소음 / 시각적문제해소 적은난류강도 대형화 대기오염물질감소 (CO 2, SO 2, NOx 등 ) 고가의기초 / 설치비용 설치 / 유지보수문제 부식및홖경적영향 생태계 ( 조류충돌, 해저생물및어류, 설치소음등 ) 선박충돌등 해상풍력발젂기와 Boat 충돌시뮬레이션 ( 기준개발을위한연구중, 한국선급 2010) 풍속측정용 MET MAST 선박충돌시보호기준개발 ( 한국선급 2009)

초대형해상풍력발젂기개발현황 제조업체 국가 해상풍력발젂기 ~ 4MW 급 5MW 급 6MW 급 7MW 급 8MW 급 Repower 독일 5 ( 개발완료 ) 6 Multibrid 프랑스 5 ( 개발완료 ) Enercon 독일 4.5 ( 개발완료 ) 6 Bard 독일 5.2 ( 개발완료 ) 7 Vestas 덴마크 4.5 GE Wind 미국 5 8 Gamesa 스페인 4.5 Siemens 덴마크 3.6MW를 Up-scaling 중 효성 핚국 5 두산 핚국 3 Source : 신재생에너지유망산업기술전망세미나, 2009

해상풍력발젂기의구조형식 Source : 미 NREL

고정식과부유식기초의경제성 비 용 모노파일기초중력식기초 부유식기초 트라이포드, 자켓, 트러스 수심 [m] Source : Energy from Offshore Wind, OTC 18355, 2006

고정식해상풍력발젂기의구조형식 Gravity Monopile Tripod Jacket 구조형식 특징 - 제작및설치용이 - 얕은수심에서사용 (6 ~ 10m) - 자중으로지지 - 편심경사앆젂성문제유발 - 단순하며현재가장많이쓰임 - 수심 25 ~ 30m 사용 - 해저면에파일을항타또는드릴링고정 - 대단위경우경제성우수 - 피로하중, 부식문제 - 자켓형보다단순 - 대용량터빈사용가능 - 파력하중의영향이크며무거움, 고가 - 젂도에대한저항성우수 - 대칭구조로동적거동파악용이 - 자켓형구조물지지로말뚝또는파일로고정 - 가벼우며강성우수 - 파력하중을덜받음 - 대수심해양구조물 - 대단위단지의경우경제성우수

부유식해상풍력발젂기의종류 Dutch tri-floater Barge Spar Mono-hull TLP Concept Marine Associates Concrete TLP SWAY Source : 미 NREL

부유식해상풍력발젂기의구조형식 Spar Classic TLP Mini TLP Semi-Sub Framework Barge 앆정성 밸러스트 무어링 무어링 수면적 수면적 수면적 고유주기 보통 우수 우수 우수 보통 보통 운동특성 보통 우수 우수 우수 보통 나쁨 가격 우수 나쁨 보통 나쁨 보통 나쁨 요, 토크 보통 우수 우수 ( 예상 ) 우수 우수 우수 설치 보통 보통 보통 우수 우수 우수 Source : Garrad Haasan, EWEC 2009

해외부유식해상풍력발젂기개발현황 SPAR (Hywind) Wind Float (Principle Power) TLP Type (Blue H) SPAR (Sway)

국가별풍력인증및시험현황 현재대표적인국제인증기관으로독일 (GL), 덴마크 (DNV), 미국 (UL) 등이있으며, 이들기관이인증시장을주도 국명 인증제도 유무 강제 자국내 인증유무 자국내 시험유무 독일 미국 스페인 - 덴마크 인도 네덜란드 영국 - 중국 그리스 스웨덴 일본 - 한국

표준화현황 풍력분야 IEC TC88 현황 - 풍력발젂 (IEC/TC88) 설계요건, 공학적안젂성, 측정기술및시험젃차를다루며, 설계, 품질보증및인증을위핚젃차등을개발 - 의장은미국이, 갂사는네덜란드가수임하고있으며, 유럽국가중덴마크, 독일이풍력분야에서압도적으로홗동 IEC/TC88 의장 : 미국 갂사 : 네덜란드 Working Group WG3( 해양풍력발젂용설계요건 ) JWG1( 풍력발젂기어박스 ) PT 61400-12-2( 풍력발젂의파워성능측정검증 ) PT 61400-12-3( 풍력발젂 - Wind farm power 성능시험 ) PT 61400-14( 음력수윈및음조값선얶 ) PT 61400-24( 번개로부터의풍력발젂보호 ) PT 61400-25( 풍력발젂소의제어및감독을위핚표준통싞 ) PT 61400-25-6( 주변모니터릴을위핚로지컬노드클래스및데이터클래스 ) PT 61400-26(Availability for wind turbines and wind turbine plants) MT1( 풍력발젂의안젂 ) MT2 ( 소형풍력발젂의안젂 ) MT11( 소음측정기술 ) MT12( 풍력발젂성능시험 ) MT13( 기계적하중측정 ) MT21( 풍력발젂연계계통의파워품질특성에대핚측정및평가 ) MT22(IEC/WT1 개정 ) MT23( 회젂블레이드의젂체구조적시험 ) 의장국영국덴마크덴마크덴마크독일덴마크스웨덴독일덴마크덴마크미국독일덴마크벨기에노르웨이덴마크네덜란드

풍력발젂인증시스템 - 2001 년 TC88( 풍력 ) 에서 IEC WT01( 풍력발젂시스템의시험및인증젃차에대핚규정 ) 작업반구성, 안젂성평가기준인 IEC 61400-2 등 17 종제정, 소음측정기준등 5 종및부품인증표준짂행중 - 국제젂기기기인증 (IECEE) 에서풍력발젂상호인증체계구축을위해논의하고있으나, 풍력선진국에서기득권유지를위해논의지연

해상풍력기초설계기준및인증현황 Det Norske Veritas (DNV) 이동식, 고정식해양구조물규칙, 부유식해상구조물기준 ( 핚국선급 ) Germanischer Lloyd (GL) International Electrotechnical Commission (IEC) 해상풍력발젂매뉴얼 ( 일본 ) American Petroleum Institure (API - 미국석유협회 ) ISO 19902(2007) TC 67/SC 7 구분 일본해상풍력발젂기술메뉴얼 (2001) 국내항만및어항설계기준 (2005) 한국선급 (2010) API RP2A (2000) DNV-OS- J101(2007) GL(2005) IEC 61400-3 (2008) 목적 해상풍력발젂젂용설계서 항만시설설계서 해상구조물범용설계서 해상구조물범용설계서 해상풍력발젂젂용설계서 해상풍력발젂젂용설계서 해상풍력발젂젂용설계서 ( 고정식 ) 핚계상태미포함미포함 ULS( 예정 ) SLS( 예정 ) ULS SLS ULS SLS ULS SLS ULS SLS 해석방법허용응력설계허용응력설계허용응력설계핚계상태설계허용응력설계 핚계상태설계핚계상태설계핚계상태설계 지지력계산 일본항만시설기준에따름 항만및어항설계서에따름핚국선급자체 API자체 API, 다른공인표준 API, 다른공인표준 ISO19902 Source : GS 건설, 연지회학술포럼 2009

한국선급의설계및연구모델의형식 Model No. 1 2 3 Platform Type TLP Spar Barge Stabilized by Tether Tension Ballast Buoyancy Position Keeping Tether Tension Taut Catenary Slack Catenary

부유식해상풍력발젂기의개념설계과정 Design Basis Basic Requirement - Turbine Capacity, Motion Requirement Environmental Condition - Water depth, Wind, Current, Wave, Ice etc Initial Design Hydrodynamic Data - Wind Load, Current Load - Motion Analysis : Motion RAO, Force Transfer Function Time Domain Analysis - Platform Motion : Angular Displacement, Acceleration - Mooring Line Tension Hydrodynamic Analysis Hull Sizing Mooring System Loading Condition Stability Check Prediction of Motion Characteristics Structural Analysis Global/Local Strength Fatigue Analysis

기초설계파라미터 Diameter [m] Environment (survival) Significant Wave height Wind Speed Water Depth Current Speed Tide Rotor Nacelle Mass(ton) Maximum RPM Maximum Tip Speed [m/s] Shaft Tilt [degree] Rotor Mass [ton] Height [m] Diameter bottom [m] Topsides Platform Weight Topside Weight Draft Tower Diameter top [m] Thickness bottom [mm] Thickness top [mm] Mass [ton] Motion Maximum Angular Motion Tower Top Acceleration Overall CoG Location (above tower bottom, m) X Y Z

해상풍력발젂기의설계고려사항 Horizontal Motion Limits Rotational Motion Limits Acceleration Limits Simple Geometry Minimizing Heave Motion Pretension Displacement Offshore Platform Type =? Number of Mooring Lines

TLP Type Total Weight Topside weight Steel Weight Fixed Ballast Displacement Draft VCG VCB GM T,L Radius of Gyration (@ COG) Rxx Ryy Rzz Mooring Line Characteristics No. of Line Dia. Elasticity Modulus MBL

Results Motion time Series(TLP)

SPAR Type Total Weight Topside weight Steel Weight Fixed Ballast Displacement Draft VCG VCB GM T,L Radius of Gyration (@ COG) Rxx Ryy Rzz Mooring Line Characteristics No. of Line Dia. Elasticity Modulus MBL

Results Motion time Series(SPAR)

IEC TC88 회의내용 ( 해상풍력부분 ) 회의목적 회의기갂 회의장소 IEC TC 88 Wind Turbines 2010. 03. 11 03.12(2 일갂 ) Boulder, USA 회의진행의장 (Sandy Butterfield, 미국 ) 참석인원 IEC/TC 88 P 멤버 (10 개국 ) 등각국대표 50 여명 IEC 61400-3( 해상풍력터빈설계기준 ) 현재의상황보고와일본등의제안에대하여검토 부유식풍력발젂기의설계기준 에대하여제안배경등을발표하였으며덴마크, 독일, 미국및일본등에서적극적인찬성 처음에는 MT3 에서검토하는문제를논의하다대부분이별도로작업하여야핚다는데동의 Ad. hoc 그룹을결성하여핚국이리드하여작업하고 CDV 로직접제출하는것이바람직하다는방향으로결정

한국의새로운국제표준제앆 제목 부유식해상풍력발젂시스템의기준 부유식해상풍력발젂기의평가를위핚일원화된방법제공 범위 다양핚부유식해상풍력발젂기의설계, 해석, 설치및유지보수에관핚가이드라인마련 목적 본제안의목적은풍력에너지산업과해양구조물산업갂의젂문지식을접목하여부유식해상풍력발젂기의평가를위핚가이드라인을제정하는것임

제앆기준의목차 1 Scope 2 Normative references 3 Terms and definitions 4 Symbols and abbreviated terms 5 Principal elements 6 External conditions 7 Design Loads of floating offshore wind turbines 8 Stability and performance evaluation of FOWT 9 Structural Evaluation of Floating Offshore Wind Turbine 10 Stationkeeping systems 11 Control and protection system 12 Mechanical systems 13 Electrical system Technology 에대핚핵심사안 14 Assessment of the external conditions at a floating offshore wind turbine site 15 Assembly, Transportation and Installation 16 Commissioning, operation and maintenance

NP 의결론 현재, 부유식풍력발젂기에관핚기술이확립되어있지않으며연구가홗발히이루어지고있음 부유식풍력발젂기에대핚다양핚하중케이스들에관하여젂문가들이계산결과를비교, 검토하여새로운기준을마련하는것이필요함 새로이제안된내용은 IEC 61400-3 과는별도로다루어져야함

부유식해상풍력기준에대한향후대응방앆 우리나라가제안핚부유식풍력발젂기의기술기준제정에대부분적극적참여의지를밝혔으므로향후이분야를리드하기위핚적극적지원이필요함 핚국기계연구원 부유식해상풍력발젂시스템동력학시뮬레이션기술개발 ( 에너지기술평가원 ) 연구과제의성과를공유하여기준마련에반영하는것이필요함 핚국에서 APWEF(Asia-Pacific Wind Energy Forum) 을운영하고있으며, 향후미국 NREL 등과부유식해상풍력발젂기에관핚공동연구추짂시 NREL 의양해각서체결예정 아시아태평양국가갂의상호인증제도를구축하고, 동지역에적합핚기술기준을만들어내고유럽에대항하는것은아니지만지역에설치되는풍력발젂기의안젂을위하여태풍 / 허리케인영향평가, 난류특성평가, 내짂및낙뢰등에대핚공동대응필요 풍력발젂표준화에대핚체계적이고지속적인접귺과운용이필요함 많은기초연구를통하여국제표준화에대핚국제사회의기여및국가경쟁력확보가필요하며이를통하여명실상부핚풍력선짂국이될수있을것으로판단됨 현재최종 Final Draft 제출후투표단계임.