‘다중 격벽식 중공형 수중기초 기술’
울퉁불퉁 해저 바닥 ‘형상대로 양생’ 가능 ‘다중 격벽식 중공형 수중기초 기술’ 선봬
해상풍력단지 조성 시 구조물의 기초 설치비용과 시간을 혁신적으로 절감시킬 수 있는 혁신적인 신기술이 선보여 화제다.
해상풍력발전 단지 건설 시 핵심 난제를 극복했다는 평가를 받고 있는 이 기술은 울퉁불퉁한 해저 바닥면 형상대로 양생이 가능해 바닥 고르기 등 기초 공사에 투입되는 막대한 비용 절감에 크게 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.
격벽 6개 등 바닥면 설치 고탄성 멤브레인으로 구성
바닥 5개 유압식조절 장치 이용 ‘완벽한 평형’ 유지
거치 완료되면 주입구로 구조물 하단 콘크리트 타설
현재 전 세계적으로 저탄소 에너지 보급 확대를 위한 에너지 전환 정책에 따라 태양광과 해상풍력 발전 용량이 크게 확대되고 있다.
이 같은 환경 변화에 부응하기 위해 국내에서도 ‘재생에너지 3020 이행계획’과 ‘3차 에너지기본계획’에 에너지전환을 위한 목표를 설정하고, 이를 위해 태양광 보급과 때를 맞춰 해상풍력 보급 확대를 추진하고 있다.
정부의 ‘재생에너지 3020 이행계획’은 2019년 기준, 98MW 규모의 국내 해상풍력 설비용량을 오는 2030년 12GW로 확대 설치하는 내용을 담고 있다.
‘3차 에너지기본계획’에서도 2040년까지 재생에너지 발전 비중을 30%~35% 목표로 설정하고 있다. 하지만, 아직 국내 해상풍력발전 실적은 125MW 규모로 매우 낮은 수준으로 알려지고 있다.
따라서 장기적인 관점에서 해상풍력 발전의 보급 확대를 위한 기술개발과 경쟁력 확보 전략이 필요하고, 국내외 환경을 두루 고려한 경제성 분석도 필요하다는 의견이 대두되고 있다.
이에 이 연구에서는 국내 해상풍력 발전설비의 기술별, 항목별, 요소별 국내외 환경과 기술력을 고려한 발전 단가 추정과 신형식 기초개발 연구를 진행하고, ‘격벽식 중공형 신형식 수중기초’를 개발하는데 성공했다.
한편, 최근 전 세계는 해상풍력발전단지 건설에 주목하고 있다. 하지만, 해상풍력발전단지의 경우 엄청난 하중을 지탱하며, 조류와 바람의 힘을 견뎌야 하는 지지구조물이 필수적으로 수반된다.
특히, 수중에 설치되는 지지구조물은 풍력발전기 건설을 위한 전체 비용의 40%를 차지하는 매우 중요한 부분이다.
현재 가장 많이 사용되고 있는 수중기초 구조물은 대구경 모노파일(mono-pile)로, 대구경 모노파일을 해저 지반에 고정시킨 후 풍력타워와 터빈을 설치하는 방식이다.
이와 함께 사용되고 있는 다른 지지형식인 재킷(Jacket)과 트라이포드(Tripod) 역시 형태는 다르지만, 말뚝(pile)을 통해 해저에 고정하는 방식이다.
반면, 중력식 기초는 구조물 자중을 이용해 외력을 지지하는 방식으로, 대구경 말뚝을 사용하는 경우가 없어 시공이 간단하지만, 해저면이 평평하지 않은 경우에는 지지기반이 불안정해진다.
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특히, 규모가 거대한 구조물을 육상에서 해상까지 운송하고 설치하기 위해서는 엄청난 비용과 노력이 수반되는 단점이 있다.
이에 한국해양과학기술원에서는 혁신적인 아이디어를 바탕으로 국내 해상풍력산업을 한 단계 향상시킬 수 있는 ‘다중 격벽식 중공형 수중기초’ 기술을 개발했다.
격벽식 중공형 신형식 수중기초
일반 콘크리트로 제작되는 ‘다중 격벽식 중공형 기초 구조물’의 핵심기술은 구조물 내부를 구성하고 있는 6개의 격벽과 바닥면에 설치되는 고탄성의 멤브레인이다.
이 기술의 설치 단계를 살펴보면, 구조물 내부에 마련된 6개의 격벽에 들어 있는 공기를 통해 수중에서 부력이 발생, 해상운반 시 대형 바지선에 옮겨 실을 필요 없이 구조물 자체의 부력으로 바다에 띄어 예인선으로 운반할 수 있는 장점이 있다.
이후 설치장소로 운반한 구조물을 수중으로 침설시키기 위해 내부 격벽에 해수 주입이 이뤄진다
구조물 상단에 위치한 6개의 주입구를 통해 주입되는 해수는 구조물의 중량을 증가시키는 역할을 하며, 구조물을 가라앉힌다.
주입 시 각각의 격실 주입량을 조절하며 침설 시 균형을 유지하게 된다.
또한, 하부 바닥부위에 설치된 5개의 유압식 평형조절 장치를 이용해 울퉁불퉁한 해저 바닥면에서도 완벽한 평형을 유지할 수 있다.
1차로 해저바닥면에 거치가 완료되면, 수중기초 상단 중앙에 있는 주입구에 콘크리트 모르타르를 주입해 구조물 하단에 콘크리트를 타설한다.
기초하부에 설치되는 고탄성 멤브레인은 콘크리트 타설시 울퉁불퉁한 해저 지면에 잘 부착되도록 순응하며, 양생 시 밀착되도록 형태를 잡아준다.
한편, 이 같은 기술적 특징을 갖는 격벽식 중공형 수중기초는 해상풍력단지 조성비용과 설치시간의 혁신적 절감에 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.
대부분 기존 기초 구조물의 경우 3,000톤 이상의 육중한 구조물로 운반 시 특수 선박이 필요하지만, 신형식 기초는 거대 바지선은 물론 고가의 바닥 정지작업도 필요치 않아 신속하고 정확한 설치가 가능하다.
특히, 유연한 특수 멤브레인을 이용한 바닥면 콘크리트 양생을 통해 고정핀 설치 없이도 미끌림이나 회전현상이 없는 완벽한 지지력과 고정력을 자랑한다.
또한, 하부 공간에 돌기를 설치해 구조물과 콘크리트의 결속력을 강화시켜 콘크리트와 구조물이 분리되는 현상도 방지할 수 있다.
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구조물 설치비 시간 단축 ‘획기적’
해상풍력발전단지 건설에 큰 기여
윤길림 박사
한국해양과학기술원 윤길림 박사는 “최근 해상풍력발전이 미래 에너지로 주목받으며 성장세를 거듭하고 있는 해상풍력발전단지는 오는 2030년까지 대규모 투자가 계획하고 있다”며, “향후 제주도와 서·남해안을 중심으로 해상풍력단지가 들어설 것으로 예상된다”고 밝혔다.
실제로 육상풍력단지의 경우 소음·진동은 물론 미관상에도 많은 문제를 안고 있어 최근 전 세계적으로 해상풍력발전단지로 눈길을 돌리고 있으며, 풍력 관련 업체들이 경쟁적으로 기술개발에 나서고 있다.
이어 “따라서 이 연구에서는 현재 해상풍력발전단지 건설 시 핵심 난제들을 극복하는 한편, 건설공기를 비약적으로 단축시켜 국내는 물론 전 세계 해상풍력발전단지 확산에 크게 기여할 수 있는 제주도 암반지반에 적합한 중공형 신형식 기초를 개발했다”고 소개했다.
제주도에는 향후 2030년까지 800MW 규모의 해상풍력단지가 설치될 예정으로, 총 3조 이상이 투입될 것으로 예상되고 있다.
특히, 투입 예산 중 지지구조물만 1조 이상의 예산이 소요될 것으로 예측되고 있다.
따라서 제주암반에 자켓 대신 신형식기초가 적용될 경우 약 25%의 비용 절감이 가능할 것으로 전망된다.
하부에 돌기 설치 구조물과 콘크리트 결속력 강화
윤 박사는 “일반 콘크리트로 제작되는 이 기술은 하부 바닥면에는 특수한 고탄성 멤브레인이 장착된다”며, “특히, 구조물 내에 마련된 여섯 개의 내부 격벽의 공기에 의한 부력이 발생해 대형 바지선 없이 예인선만으로도 운반이 가능해 예산 절감 효과를 톡톡히 거둘 수 있다”고 소개했다.
이 구조물의 가장 큰 특징은 바닥면에 설치되는 고탄성의 특수 멤브레인이다.
윤 박사는 “멤브레인은 구조물 상단 중앙 입구에 주입된 콘크리트 모르타르가 비정형의 해저 지면에 순응하며 밀착된 상태로 양생될 수 있도록 형태를 잡아주는 역할을 담당해 고가의 바닥고르기 작업이 필요 없다”며, “또한, 하부 공간에 돌기를 설치해 구조물과 콘크리트의 결속력 강화는 물론 멤브레인 손상 시에도 콘크리트와 구조물 분리 현상을 방지할 수 있다”고 강조했다.
오성덕 기자 건설기술
http://www.ctman.kr/news/20964
