<메인> 드윈드사 풍력발전기
출처. 대우조선해양

녹색바람으로 뜨거워진 지구를 식히는 ‘해상풍력’
현실적인 대체에너지원으로 급부상!

<편집자 주>
풍력발전은 현재 가장 발전가능성이 있는 신재생에너지자원 중 하나로 꼽히고 있으며, 많은 국가에서 대체에너지 자원으로 선택되고 있다. 특히, 해상풍력발전은 해상기초 및 전력선 공사 등 비용증가 요인이 있으나, 민원과 환경문제를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 육상에 비해 바람이 강하고 대용량 건설이 가능하다는 장점을 가지고 있어 현재까지 신재생에너지원 중 가장 현실적인 에너지원으로 급부상하고 있다. 이러한 점을 반영하듯 최근 10년간 영국, 덴마크, 독일 등 북유럽을 중심으로 크게 성장하고 있다.
지구온난화 문제를 해결하기 위해 세계 각국에서 전심전력을 다하는 최근, 본지에서는 국내외 해상풍력사업의 현황과 우리가 나아가야 할 방향에 대해 재조명해봤다.

글 이명규 기자(press6@engnews.co.kr) 

1. 국내외 해상풍력산업, 그 진행현황은?

2. 국내 해상풍력 관련 업체, 어디까지 왔나?

3. 해상풍력 전망과 기대효과

4. 국내 해상풍력, 어떻게 나아가야 하나?

5. 마무리

1. 국내외 해상풍력산업, 그 진행현황은?

(1) 해외 해상풍력산업 현황
2012년 전 세계 해상풍력은 1.9GW가 새로 설치되어(영국이 1.4GW 설치) 누적 발전용량이 5.4GW로 전년 대비 54% 증가했다. 그러나 전체 풍력발전에서 점하는 비중은 아직도 1.9%에 불과하다.

<그림1> 해상풍력발전 신규설치(MW)
출처. WWEA, World Wind Energy Association, 2012 Annual Report, 16 May 2013

해상풍력은 유럽의 풍력발전산업 선진국들의 기술과 경험 축적에 의해 발전되어 오고 있는데, 최근 터빈 시스템의 대형화, 단지의 대규모화를 통해 용량 증대를 가속화하고 있다. 특히 Supergrid라는 계획을 통해 2050년까지 유럽 전체 소비 전력의 50%를 풍력에서 감당하겠다는 야심찬 계획을 추진하고 있으며, 그 중 풍력은 대부분 해상풍력으로 대체하려 한다고 밝혔다. 바람자원이 우수한 북해나 발틱해가 수심이 낮아 해상풍력을 건설하는데 유리하다는 점 때문으로, 이것은 유럽의 해상풍력개발에 대한 전망을 매우 밝게 하고 있다.

<그림2> 유럽의 Supergrid 해상풍력 추진 조감도
■ 출처. www.offshoreWind.biz

하지만 해상풍력은 주로 30m 이내의 수심을 기준으로 바다에 설치해 운영하고 있지만 강한 바람과 파도, 염해로 인한 부식 등으로 해상풍력발전기의 잦은 고장과 운전 유지비용이 문제가 되고 있다. 그럼에도 불구하고 영국, 독일, 덴마크 그리고 스웨덴을 중심으로 북해와 발틱해에서 불어오는 바람을 이용해 해상풍력을 대규모로 추진하고 있다. 그 이유는 육상풍력에서 갖는 여러 가지의 단점을 보완할 수 있고, 또한 대규모 단지를 조성해 경제성을 확보하는데 유리한 점을 가지고 있기 때문이다.
최근에 와서는 유럽뿐만 아니라 미국, 중국 등 전 세계가 해상풍력에 많은 투자를 하고 있다. 국가별 해상풍력 설치계획 및 목표를 보면 2030년 전후로 해서 전 세계에 해상풍력 설비용량이 약 65GW가 설치될 것으로 예상하고 있고, 향후 2020년까지 연간 평균 28%의 성장이 지속될 것으로 보고 있다.

표. 국가별 해상풍력 설치계획 및 목표
출처. BTM Consult Aps-report 2009

(2) 국내 해상풍력산업 현황
WWEA 자료에 의하면 한국은 2012년 76MW를 신규로 설치해 전 세계 신규설치에서 점하는 비중이 0.17%에 불과했다고 한다. 누적설치 용량 역시 2012년 483MW로 전 세계에서 0.17%를 점하는데 그쳐 한국의 풍력발전이 아주 완만하게 성장함을 보여줬으며, 풍력발전 설치 100개국 중 누적 발전총량으로 따진 우리나라는 30위에 이름을 올렸다.

표. 한국의 풍력산업 현황(단위: MW)
출처. WWEA, World Wind Energy Association, 2012 Annual Report, 16 May 2013

이처럼 한국의 풍력발전 신규설치가 느린 것은 환경규제에 기인하고 있다. 육상풍력은 각종 환경규제로 인허가가 더디고 해상풍력도 국방부가 레이더 간섭 문제를 제기하는 등 사업여건이 어려워지는 상황이다. 육상풍력의 경우 총 54개 사업, 1.8GW가 인허가 단계에 묶여 있는 것으로 알려졌다.
또한, 우리나라의 해상풍력에 대한 기반 기술은 미약한 수준이고 또한 단지를 조성해 운용하는 곳이 한 군데도 없는 실정이다. 이는 우리나라가 해상풍력에 있어서 기술개발국에 속해 있다는 것을 나타내고 있는 것이다.
정부에서는 협소한 국토여건 감안시 육상풍력보다 환경문제나 민원발생이 적고, 대규모 단지 개발이 가능한 해상풍력이 유망한 것으로 간주하고 있다. 뿐만 아니라 우리나라가 경쟁력을 가지고 있는 조선, 중공업, 해양플랜트, 건설, 전기, IT 등 연관 산업과 접목 시 조기에 세계 시장 선점이 가능해 국가 신성장동력 분야로 삼을 수 있다고 보고 있다.
이에 정부에서는 2008년 10월부터 2년 동안 우리나라 전체 해상을 대상으로 바람, 수심, 계통연계조건, 해안 및 변전소와의 이격 거리, 확장성 등을 조사해 서남 해안권중 부안-영광지역 해상을 최적지로 선정해 국가 해상풍력실증단지 조성 계획을 2010년 11월에 지식경제부에서 발표했다.
이 계획에 따르면 부안-영광지역 해상에 실증단지 조성을 시작으로 2019년까지 3단계로 나눠 총 2,500MW 규모의 대규모 해상풍력발전단지를 건설할 예정이며, 총 투자 규모는 민자를 포함한 9조 2천 5백억 원을 예상하고 있다.

- 1단계: 2013년까지 100MW(5MW급 20기) 실증단지를 건설해 Track Record 확보에 중점(민·관 합동으로 6,036억 원 투자)
- 2단계: 2016년까지 900MW(5MW급 180기) 시범단지 건설(민·관 합동으로 3조 254억 원 투자)
- 3단계: 2019년까지 1,500MW(5MW급 300기) 해상풍력발전단지 추가 건설(민간에서 5조 6,300억 원 투자)

<사진1> 해상풍력발전단지 조감도
출처. 삼성중공업

2. 국내 해상풍력 관련 업체, 어디까지 왔나?
우리나라에서는 2013년 제6차 전력수급기본계획에서 안전성 확인과 경제성, 수용성을 고려해 원자력의 허가기간만을 연장했을 뿐, 전원별 비중이 높은 원자력의 신규 반영은 유보한 것에 반해, 신재생에너지원에 대한 발전량 비중을 2012년 2.3%에서 2027년 12%까지 높이는 전원구성계획을 수립한 상태이다. 특히, 정부 주도하에 한국해상풍력(주)는 서남해안 2.5GW의 대규모 해상풍력사업을 추진중에 있고, 한구전력기술(주)에서도 2010년 12월 제주도와 업무협약을 체결해 한림읍 해상에 100MW급 해상풍력 발전단지를 개발하고 있다.

표. 국내 해상풍력단지 개발계획 및 현황
출처. KDI, ‘제주해상풍력발전사업 2012년도 공공기관 예비타당성조사 보고서’, 2012.

한편, 육상풍력은 가격과 기술경쟁력이 중요하지만, 해상풍력은 대규모 자본이 필요해 터빈 생산업체가 금융, 시공까지 제공하는 방식으로 진행된다. 우리나라는 대형 조선, 중공업 기업이 터빈을 생산해 향후 해상풍력 시장에서 경쟁력이 강화될 호조건을 갖췄다. 아주 먼 바다에서의 부유식 해상풍력발전 분야에서는 국내 업체들의 경쟁력이 강해질 것으로 전망된다.

표. 주요 풍력발전 터빈 업체
출처. 각사

3. 해상풍력의 전망과 변화요인
(1) 해상풍력 전망 - 2014년 이후 본격적인 성장세 가시화?
세계 해상풍력 시장은 정부 지원의 가속화, 기술의 발전 및 Infrastructure 구축으로 인해 2014년 이후 본격적으로 성장할 것으로 전문가들은 예상하고 있다.
일본 원전사고로 원자력 발전을 대체할 수 있는 대안으로 떠오르고 있는 해상풍력은 기술발전으로 점차 경제성이 개선되고 있으며, 유럽 및 미국 등 자국산업 육성을 위해 해상풍력에 대한 정책 지원 확대할 전망이다.
또한, 해상풍력시장은 풍력산업의 신성장동력으로 꼽히고 있다. 풍부한 자원 및 안정적인 발전이 가능한 해상풍력의 장점으로 2015년까지 매년 30% 이상의 고성장이 지속될 것으로 예상되는 가운데, 해상풍력시장 주도권 확보를 위해 풍력 선진업체간 경쟁이 치열해질 전망이다.

<그림3> 세계 해상풍력시장 동향 및 전망
출처. New Energy Finance

세계 해상풍력 시장은 유럽국가들이 주도를 하고 있으며, 전문가들은 2015년까지 선도적인 역할을 지속할 것으로 내다보고 있다. 특히, 영국을 중심으로 유럽시장이 주도함에 따라 2015년까지 전체 시장의 50% 이상 차지할 것으로 추측된다.
아시아 시장의 경우에는, 2012년부터 시장을 형성해 2014년부터 본격적인 성장을 할 전망이다. 현재 시장규모는 미미하나 중국을 중심으로 시장이 빠르게 성장할 것으로 예상된다. 반면 북미시장은 상대적으로 시장규모가 크게 형성되어 있지 않다.

<그림4> 지역별 해상풍력 시장동향 및 전망
출처. New Energy Finance

현재는 영국이 해상풍력시장을 주도하고 있으나, 원전폐쇄 및 신재생에너지 확대 정책으로 독일이 2014년 이후 시장을 주도할 것으로 전망된다. 독일은 태양광 확대 대신 발전단가가 낮은 풍력 보급을 확대할 계획이며, 이 중 성장성이 높은 해상풍력 지원을 확대할 예정이다.

(2) 해상풍력 변화요인
① 높은 투자비용 문제 해결 여부
일반적으로 해상풍력 설치비용은 $2,500~3,500/kW(발전단가는 $150~300/MWh) 수준으로, 육상풍력 $852~1,350/kW(발전단가 $50~120/MWh) 대비 40% 이상 높은 상황이다. 이렇듯 높은 설치비용은 해상풍력 가치사슬 체계 구축 및 기술개발을 통한 원가절감으로 해결 가능하다. 특히 부유식 풍력발전은 먼 바다에 대량으로 설치하고 다양한 부유체 계류장치 조합이 가능해 응용성이 높으며, 풍력발전 크기나 소음 등 제약이 적다는 장점이 있다. 또한 고정식보다 해저상태 영향을 적게 받고 설치 해체가 간편하다는 특징이 있다.

② 풍력 터빈 부품 시장은 성숙단계에 진입
전 세계 풍력터빈 부품시장은 2009년 417억 달러 규모이며, 연평균 13.4% 성장해 2015년에는 906억 달러 수준으로 성장할 것으로 전망된다. 다만, 2012년 이후 풍력부품시장은 성숙단계에 접어들어 성장률은 다소 둔화될 것으로 보인다.
주요 부품의 생산용량은 수요를 초과한 과잉공급 상태이나 베어링과 같은 일부 부품은 기술적인 난이도로 인한 높은 진입장벽으로 공급이 타이트한 상황이다. 타워, 캐스트, 나셀 등과 같은 부분은 쉽게 새로운 제조업체들에 의해 대체될 수 있는 부분이며, 단가경쟁이 치열하다. 그에 따라 상대적으로 최소한의 품질과 요구를 충족하되 운반비용을 줄일 수 있는 지역 내 공급자들을 선호하고 있다.
블레이드와 컨버터, 기어박스, 컨트롤 시스템은 높은 기술력을 요하는 제품이며, 풍력발전기 제조사와 부품공급자들의 긴밀한 협력관계를 유지하고 있다. 그 외에 원유 및 가스, 엔지니어링 산업에도 사용되는 일부 부품들은 해양풍력산업에도 적용가능성이 높아 그에 따른 가격하락도 전망된다.

<그림5> 해상풍력용 부품업체 수 증가 전망(단위: 개)
출처. KEXIM

③ 고전압수송케이블 시장 - HVDC(초고압직류송전) 시스템 적용 확대
전 세계 심해 고전압수송케이블(High Voltage Export Cable)시장은 연간 2조 5천억 원 규모로 매년 30% 이상 성장해 2020년에는 70조 원 이상으로 성장할 것으로 전망되며, 영업이익률 30% 이상의 고부가가치 분야이다. 고전압수송케이블은 해상풍력 공급사슬 중 가장 공급이 부족하며, 2014년까지 2,700km의 고전압수송케이블이 필요할 것으로 전망된다.
그 동안 높은 기술장벽으로 인해 유럽 업체들이 시장을 독과점해왔으나, 최근 LS전선이 강원도, 제주-진도 HVDC 프로젝트, 인도네시아, 말레이시아, 미국 해저케이블 프로젝트를 턴키방식으로 수주하는 등 꾸준한 레퍼런스를 확보하고 있다.

<그림6> 해상풍력용 케이블 시장 현황 및 전망(단위: km)
출처. NEF

④ 해상풍력발전에 필요한 선박 수요 증가
해상풍력발전 개발을 위해서는 지형을 탐사하고, 장비와 인력 운반, 구조물과 터빈 설치, 케이블 연결 등 최소 6종류의 각기 다른 선박이 필요하다. 전 세계적으로 풍력터빈을 설치하고 하부구조물을 운송 및 설치하는데 필요한 선박이 크게 부족한 상황이어서 선박 공급이 해상풍력단지 개발에 필수 선행조건이다.
선박 수요가 견조함에도 불구하고 공급이 따라가지 못하는 이유는 해상풍력발전사업의 리스크 때문이다. 선박제작을 발주하기 위해서는 자체자금조달이나 파이낸싱을 받아야 하는데 금융권이 리스크를 회피하고 있기 때문이다. 또한 풍력터빈의 대형화 추세에 맞춰 10MW급 이상의 초대형 풍력발전기도 설치할 수 있어 향후 해상풍력 선박 시장 확대 시 국내 조선소의 기술경쟁력을 통한 시장 점유율 확대를 기대해 볼 만하다.

<사진2> 해상풍력발전기 설치선 ‘PACIFIC ORCA’호
출처. 삼성중공업

⑤ 해상풍력단지 개발을 위한 프로젝트 파이낸싱 비중 확대
해상풍력단지 개발을 위한 자금조달은 상업금융에서는 여전히 풍력발전 기술을 위험한 것으로 인식하고 육상풍력과 태양광과 같은 다른 에너지 기술과 비교했을 때 더 높은 지분을 요구하고 있기 때문에 사업자 위주의 기업금융이 주를 이루고 있다. 그에 따라 관련 프로젝트 파이낸싱은 ECA, 프로젝트 개발업체, 관련 공급업체들이 리스크를 분담하는 방식이 선호된다. 2020년까지 유럽지역에서만 해상풍력 건설 및 그리드 연결을 위해 1,270억 유로가 투자되어 약 40GW의 해상풍력단지가 건설될 예정이다. 해상풍력 프로젝트 파이낸싱은 자본금 비중이 30~60%로 화석발전보다 높지만, 기술이 검증될수록 자본금 비중이 낮아지고, 상업금융 기관들의 참여가 확대될 것으로 예상된다.

4. 국내 해상풍력, 어떻게 나아가야 하나?
(1) 공급과잉 문제 - 초기시장 상대적으로 약해져 국내 업체 진입 수월
세계 풍력수요는 풍력발전의 매력적인 발전단가로 꾸준히 증가할 전망이다. 풍력이 신재생에너지원 중 가장 현실적인 에너지원으로 꼽히고 있으며, 독일의 경우 태양광 산업의 지원을 줄이는 대신 해상풍력에 대한 지원을 확대할 전망이다. 최근 중남미 및 아시아 등의 신흥시장이 지속적으로 확대되고 있다.
하지만 공급과잉문제는 풍력업체들의 경영환경을 어렵게 하고 있다. 선두권 업체들의 영업이익률도 5%이며, 일부 업체는 마이너스를 기록중이다. 그러므로 해상풍력 시장 개척이 필요한 시점이라고 할 수 있다. 해상풍력시장은 초기시장으로 상대적으로 약한 상황이며, 국내 풍력터빈 업체들은 단계 생략형 진입 전략을 고려해 볼 필요가 있다.

(2) 풍력 프로젝트 사업 개발 부분 역량 확대 요구
풍력 제품들의 EBIT margin은 하락 추세이다. 현재 풍력산업 경쟁구도로는 당분간 하락 추세가 지속될 것으로 예상된다. 풍력 운영분야는 상대적으로 양호한 수익률을 나타내고 있다. 화석연료 상승에 따른 화석발전 단가 상승으로 풍황이 좋은 Site의 경우 양호한 수익률을 기록중이다.
해외 풍력단지 개발에 눈을 돌릴 필요성이 증대되고 있다. 국내의 경우 풍력발전에 적합한 입지가 제한적인 상황이다. Track Record 부족으로 인한 풍력터빈 수출이 쉽지만은 않은 상황이므로 해외발전단지 개발을 위해 정부지원과 더불어 기업-공공기관의 컨소시움 형태의 진출이 필요하다.

(3) 중장기적 해상풍력 확대보급 계획 수립
해상풍력이 국내에 안정적으로 보급되기 위해서는 유럽에서와 같이 향후 10년 이상의 국가적 계획이 수립되어야 한다. 정부에서 추진하고 있는 풍력사업 ROUND 1 이후에는 증가하는 RPS 요구량을 대처하기 위한 후속사업이 반드시 필요하게 되는데, ROUND 2에서는 기 개발된 기술을 근간으로 300MW 규모의 해상풍력단지 3개 정도가 충분히 국내 해역에 매년 설치될 수 있을 것으로 예상된다. 이 시나리오에 의하면 2030년 총 설치량은 11.5GW 정도로 전체 계통용량대비 20% 이하의 설비용량이므로 계통에 대한 배후 보강 등을 통해 주 계통에서 안정되게 받아들일 수 있을 것으로 판단된다. 또한 3조 원 정도의 국내 풍력시장이 안정되게 형성되어 내수시장을 기반으로 해외시장 진출을 도모하고 있는 국내 제작사들에게 안정된 수요처를 제공하는 역할을 할 것으로 예상된다.

(4) 육상풍력에 견줄 수 있는 경제성 확보가 시급!
현재 해상풍력은 지지구조물을 포함한 해상설치 및 유지보수비에 의해 육상풍력에 비해 2배 정도 경제성이 뒤떨어져 있는 것이 현실이다. 하지만 해상풍력기기의 대형화를 주도할 수 있으며, 설치기술 및 유지보수 기술이 점점 발전함에 따라 향후 풍력발전분야의 주축이 될 전망이다.
우리나라가 해상풍력분야에 주도권을 확보하여 새로운 성장동력을 창출하기 위해서는 단 시일 내로 육상풍력에 견줄 수 있는 경제성을 확보하는 것이 최우선이라 생각한다. 따라서 앞으로의 해상풍력 기술개발 방향은 안정적인 계통연계를 바탕으로 하는 경제성 향상에 있다 해도 과언은 아닐 것이다. 경제성 확보를 위한 연구방향 이외에 후속부지 발굴, 해양에너지 및 연료전지 등의 에너지원과의 하이브리드 시스템 구축, 나아가 스마트그리드와의 연계 등도 앞으로 기술개발을 해야 할 방향으로 판단된다.

5. 마무리
세계 각국은 에너지 환경, 안보 및 경제에 능동적으로 대처하기 위해 신재생에너지 개발에 국가적 역량을 경쟁적으로 집중하고 있다. 그 중 기술의 완성도 및 경제성이 가장 앞서 있는 풍력발전분야의 참여 비중을 점점 확대하고 있는 추세이다. GWEC(Global Wind Energy Council)의 2010년 보고서에 의하면, 2010년 전세계 전기에너지 소비량 중 2.4%가 풍력에너지로 공급되고 있으며, 정상적이라면 이 비중은 2020년에 8.9%와 2030년에는 15.1%의 비율로 확대될 것으로 전망하고 있다. 또한, 유럽의 풍력선진국인 독일, 스페인, 덴마크, 영국에서는 신재생에너지 총발전량 중 풍력에너지의 발전 비중이 80% 이상을 차지하고 있다.
세계적으로 육상풍력은 양호한 입지의 고갈과 민원의 증가로 인한 추가적인 입지확보에 어려움이 있어 최근 해상풍력 개발이 급신장하고 있다. 해상은 육상에 비해 대형터빈 설치가 가능하며 대단위 풍력단지를 조성하기가 용이한 반면 설치 및 유지보수 비용이 많이 소요되어 육상풍력단지보다 경제성이 뒤떨어져 있는 것이 현실이다. 하지만 해상풍력기기의 설치기술 및 유지보수 기술이 점점 발전함에 따라 향후 해상풍력발전 분야가 풍력발전분야의 주축이 될 것으로 전망되며 육상 풍력 입지가 상대적으로 적은 우리나라에 시사하는 바가 크다고 할 수 있다.

<사진3> DSME7.0MW 조감도
출처. 대우조선해양

<사진4> 리틀프링글사의 풍력단지
출처. 대우조선해양

<월간 엔지니어링 플러스 2014년 5월호에 게재된 내용입니다.>