요즘 초록이의 관심을 한 몸에 받고 있는 건 바로 ‘그린뉴딜’입니다. 화석에너지 중심의 에너지 정책을 신재생에너지로 전환하면서 지속 가능한 발전을 도모하는 그린뉴딜. 친환경을 사랑하는 초록이가 그냥 지나칠 리 없겠죠?

그린뉴딜의 주요 움직임 중, 우리나라는 물론이고 전 세계에서 각광받는 것이 단연 풍력발전이군요. 초록이도 언젠가 비행기에서 내려다본 바닷가에 거대한 바람개비들이 서있었던 기억이 나네요. 오늘은 해상풍력발전과 그 안에 숨은 포스코의 솔루션에 대해 공부를 해보려고 합니다.

l 지금도, 앞으로도 해상풍력발전이 대세다

어디 보자. Global Wind Energy Council 보고서에 따르면 글로벌 풍력 시장이 2013년 이후 연평균 24%씩 크게 성장했구나. 2019년 새롭게 설치된 용량만 해도 60.4GW라니. 앞으로는 어떨까? 2024년에는 신규 설치량이 총 73.4GW고, 눈에 띄는 건 해상풍력의 비중이 25% 이상으로 크게 늘어난다는 거네. 바다는 육지보다 바람도 일정한데다 세기도 센 편이고, 일조권과 소음 문제도 해결할 수 있으니까 해상풍력 인기가 높아지고 있구나.

이렇게 풍력발전이 확대되면 석탄화력발전이나 LNG보다도 훨씬 친환경적인 에너지 소비를 기대해도 되겠지. 그런데 풍력발전기는 바람이 강하게 부는 곳에 설치를 해야 할 텐데, 역으로 그 바람 때문에 구조물의 안전과 내구성에 문제는 없을지 걱정인데? 특히 해상풍력은 바닷물을 어떻게 견디는 걸까. 풍력발전기에도 분명 스틸이 들어갈 테니, 철석이한테 한번 물어봐야겠다!

l 풍력발전기 메인 소재, 대체불가능한 ‘스틸’

철석아! 요즘 해상풍력발전 프로젝트가 엄청나게 늘어나더라. 바닷가에 그렇게 거대한 구조물이 서있는 게 안전한 거야?

걱정 마 초록아. 안전한 풍력발전기를 만들기 위해서 포스코가 풍력발전기 제작사들과 오랫동안 협업해오고 있으니까. 네 말대로 풍력발전기는 거대한 구조물인데다가 가혹한 자연환경에 항상 노출되어 있고, 구조물 꼭대기에 설치된 터빈은 아주 긴 시간 반복적으로 회전해야 하기 때문에 파손되거나 결함이 생길 위험이 크지. 그래서 포스코에는 풍력발전기를 위한 여러 가지 강재가 준비되어 있어. 먼저, 터빈 속 모터의 전력 손실을 줄여서 에너지 효율을 높이는 △무방향성 전기강판 Hyper NO, 터빈 회전체의 마찰을 적게 만들기 위해 내구성을 극대화한 △베어링용 선재 PosWIND(POSCO Windpower), 타워와 하부구조물이 거친 환경을 견딜 수 있도록 강한 강도, 내구성을 지닌 후판 △풍력용강이 등이 있지. 특히 풍력발전 산업이 발전해오면서 풍력타워와 하부구조물만 전문적으로 제작하는 업체들이 많이 생겼거든? 근데 이 업체 모두가 스틸로 만든 원형 모양의 강관을 전문적으로 다루는 회사라고 해. 스틸은 그만큼 해상풍력기에 없어서는 안되는 소재고, 안전한 풍력발전기 제작을 위해 소재 연구를 계속하고 있어.

▲ 풍력발전기는 지지대 역할인 ‘타워’와 바람을 맞고 회전하는 ‘블레이드’, 겉으로는 보이지 않지만 에너지를 생성해내는 ‘발전기’와 타워를 해저에 단단히 고정하는 역할을 하는 ‘하부구조물’로 구성되어 있다.

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스틸의 어떤 점 때문에 풍력발전기의 메인 소재로 쓰이는거야?

스틸의 막강한 항복강도(Yield Strength)와 피로강도(Fatigue Strength) 때문이지. 용어는 어렵지만 개념은 간단해. 일반적으로 풍력발전기는 20~25년의 수명을 갖도록 설계되는데, 수명 기간 동안 반복적이고 다양한 방향과 크기의 바람, 파도에 노출되잖아. 우선 항복강도는 소재가 외부의 힘을 받아도 변형을 일으키지 않고 견디는 힘이야. 항복강도 355MPa이라 하면, 소재에 355Mpa의 응력이 발생해도 이 소재는 구부러지거나 변형이 생기지 않는다는 뜻이지. 그런데 355MPa의 응력이 바로 가해질 수도 있지만, 이보다는 약한 응력이 반복적으로 가해져서 결국 소재를 망가뜨릴 수도 있잖아? 그걸 버티는 게 피로강도야. 피로강도가 90MPa이라고 하면, 응력의 변화량(최댓값-최솟값 차이) 90MPa를 2백만 번 견딜 수 있다는 뜻이지. 풍력발전기 하부구조용에는 주로 항복강도 355MPa, 피로강도 90MPa의 후판이 사용돼. 이런 후판을 우리는 ‘풍력용강’이라고 부르지.

그러니까 풍력용강은 반복되는 하중에도 쉽게 파괴되거나 구부러지지 않는 특성을 가진 두꺼운 강재라는 거군.

맞아. 풍력발전기에서도 가장 많은 하중을 받는 하부구조물에는 위와 같은 강도를 지닌 두께 70~100mm의 풍력용강이 주로 사용돼. 엄청 두껍지? 각종 강도에, 바닷물을 견디기 위한 내식성도 갖춰야 하고 두께도 두껍다 보니 생산하기도 힘들지만 고객사 입장에서는 원가부담이 큰 소재야. 그래서 필요한 게 뭘까? 바로 포스코의 솔루션이지~ 고객이 원하는 품질은 보증하면서 원가경쟁력은 올리고, 최적의 설계를 만들 수 있도록 이용기술을 제공하는 것! 특히 요즘 풍력발전시장의 트렌드인 ‘대형화’를 앞당기기 위해 포스코가 꽤나 힘쓰고 있거든. 한 번 들어볼래?

l 세계 최대 해상풍력발전 단지, 포스코 솔루션과 함께 커졌다!

– 대형 모노파일 풍력타워 339대 심은 세계 최대 해상풍력발전 단지 Hornsea

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대형화가 트렌드라. 풍력발전기가 커지는 게 어떤 의미가 있어?

터빈을 대형화하고, 타워를 더 높이 올려서 우수한 풍질(風質)을 얻고 발전 효율을 증대시키기 위해서야. 1991년 덴마크에 설치된 세계 최초의 해상풍력발전 단지 빈데비(Vindeby)의 발전기는 높이 54m에 발전용량 0.45MW에 불과했지만, 최근에는 높이 190m 이상에 발전용량 8MW를 갖춘 발전기들이 바다에 세워지고 있거든. 자연히 타워와 하부구조물도 더 커지겠지? 타워는 직경 5m하던 것이 6m 이상으로 커지고 있고, 하부구조물 역시 예전에는 직경이 주로 7m였는데 요즘은 8m 이상으로 대형화되는 추세야.

타워는 바닷물 위로 나와있어서 본 적이 있는데, 하부구조물은 어떻게 생긴 거야?

하부구조물은 여러 가지 타입이 있는데, 크게 고정식과 부유식으로 나눌 수 있어. 이중 현재까지 가장 인기 있는 방식은 고정식인 ‘모노파일(Monopile)’이라는 건데 경제성이 가장 좋아서 글로벌 에너지기업들이 많이 채택하고 있지. 모노파일의 하부구조물은 바닷물 속에서 반복되는 진동, 부유체와의 충돌, 거친 파도 등과 같은 극한의 환경에서 타워를 지켜주는 버팀목이야.

이 모노파일이란 거에도 스틸이 핵심 소재라는 거지?

맞아. 모노파일 형식으로 지어진 대표적인 곳이 바로 영국 Hornsea 해상풍력발전 단지야. Hornsea는 1, 2차 단지를 합쳐서 총 339대(1차 174, 2차 165)의 발전기가 총 2.6GW의 발전 용량을 갖춘 세계 최대의 해상풍력 단지거든. 발전기 1대당 기존 5~6MW급인 터빈 능력을 1차에서는 7MW, 2차에서는 8MW까지 늘리면서 구조물이 대형화됐어. 그래서 모노파일도 직경이 8m에 이른데. 이렇게 Hornsea 단지가 발전기 규모를 획기적으로 대형화할 수 있었던 데는 포스코의 솔루션이 함께 했어.

– 에너지업계의 핫 키워드 ‘LCOE’, 포스코는 어떻게 만족시켰을까

이 발전 단지를 운영하는 글로벌 에너지기업 오스테드(Ørsted)는 단지의 운영효율을 높이기 위해 터빈 대형화를 추진했어. 장기적 관점에서 높은 발전 효율은 곧 운영사에 원가절감을 가져다주니까. 업계에서는 이런 원가절감을 포함해서, ‘LCOE(Levelized Cost of Energy, 균등화 발전비용) 저감’이 핫 키워드야. LCOE는 발전시설의 초기투자비와 연료비, 유지비 등에 환경오염, 안전비용 등 사회적 비용까지 모두 포함해 추정한 전력 생산비용을 뜻해. 요즘 지어지는 풍력발전 단지는 대부분 LCOE 저감의 논리에 의해 설계되고 있어. 그리고 LCOE 저감을 위해서는 발전기의 대형화가 필수적인 거야.

그렇구나. 발전기가 대형화된다면, 발전기를 만드는 스틸도 그에 맞춰 강해져야겠네.

상식적으로 생각하면 발전기가 커지니까, 타워나 하부구조물도 더 강한 강도의 스틸을 써야 할 거 같잖아? 그런데 여기 기막힌 아이러니가 생겨. 오히려 강도가 더 약한 강재의 주문이 들어오기 시작했거든.

응? 타워가 더 커지는데, 강도가 약한 소재를 주문한다고?

방금 네가 한 말을 곰곰이 되짚어봐. 하부구조물이 특정한 하중을 견디기 위해서는 구조물의 직경, 두께, 강도 3가지 요소가 결합되어야 하는데, 직경과 두께가 커지니까 오히려 강도는 약해질 수 있는 거야. 

그렇네! 크기를 굳이 줄이지 않아도 된다면, 크기가 커졌으니 강도를 낮춰도 되겠네.

예를 들어 강도가 아주 센 소재로 지름 1cm 짜리 기둥을 만들다가, 이번에는 지름을 2cm로 늘리게 됐다고 생각해봐. 구조적 성능이 강해지니 소재의 강도를 그보다 살짝 낮춰도 필요 하중을 충분히 버틸 수 있게 되지. 게다가 강도가 약한 강재가 더 저렴할 거 아냐. 에너지기업들은 이런 계산법으로 LCOE 관점에서 기존에 요구되던 강도보다 조금 약하고 가격은 저렴한 강재로 더 큰 하부구조물을 만들고자 했어. 원래 항복강도 355MPa의 풍력용강을 주로 사용하다가, 이제 275MPa급의 강재도 사용할 수 있게 된 거지. 근데 포스코는 항복강도 275MPa급 풍력용강을 그전까지 단 한 번도 주문받은 적이 없었거든. 어떻게 했을까?

“아 죄송합니다. 그건 만들어본 적이 없어서요” 그랬을 리는 없고..

새로운 강종은 양산하는데 최소 6개월 이상이 소요되는데, 고객은 하루빨리 275MPa의 풍력용강을 받아보길 원했어. 포스코의 묘안은 바로 355MPa급의 풍력용강과 275MPa급의 풍력용강을 동시에 생산하는 것! 무슨 소리냐고? 일단 슬라브까지는 기존에 많이 생산해봤던 355MPa급 강재와 똑같이 만들고, 압연 조건만 다르게 설정해서 항복강도 S275MPa급의 풍력용강을 만들어 고객에게 바로바로 공급한 거야.

아하, 만두를 똑같이 빚어 놓고 기름에 튀기느냐 찜기에 쪄 먹느냐 같은 거구먼!!

하하 맞아. 그리고 포스코 솔루션이 하나 더 있어. 오스테드에서는 하부구조물을 제작할 때 용접 공수를 줄이기 위해서 사이즈가 아주 큰 ‘대단중강(大單重鋼, 1장당 무게가 24톤 이상인 후판)’도 필요했는데, 이 대단중강은 전 세계에서 생산할 수 있는 곳이 손에 꼽혀서 가격이 아주 비싸거든. 포스코는 당장 대단중강을 공급하는 대신에, 일반 후판을 적용하면서도 대단중강 모노파일과 동등한 강도를 가지는 설계안을 오스테드에 역제안했어. 소재 원가는 당연히 더 저렴하게 말이야!

▲ 해상풍력타워 하부구조물 (모노파일뱡식). 대형 타워의 하부구조물은 외경이 최대 12m에 달한다. (이미지출처=EEW그룹)

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LCOE 관점에서 경쟁력 있는 모노파일 설계안이었겠네!

그리고 포스코 강재의 이용기술도 빼놓지 않았지. 하부구조물뿐 아니라 타워에 들어간 강재 역시 최적으로 이용될 수 있도록, 고객사와는 몇 개월에 걸쳐 구조해석과 Mock-up 테스트를 함께 실시하고 용접 기술을 정립했어. 그렇게 포스코 스틸로 제작된 하부구조물과 타워가 Hornsea 1 풍력 단지의 대형 발전기에 쓰이게 된 거야.

세계 최대 에너지 기업이 포스코를 선택한 데는 다 이유가 있구나.

포스코의 솔루션을 직접 경험한 오스테드는 2차 프로젝트에도 포스코에 강재 공급을 맡겼고, 1, 2차 통틀어 약 17만 톤의 포스코 스틸이 Hornsea의 풍력발전기 제작에 사용되었지. 세계에서 가장 큰 해상 풍력 단지에 포스코의 솔루션이 숨어있는 거야.

l 스틸과 함께 더 커지는 풍력발전, 얼마나 친환경적일까?

실제로 진행 중인 해상풍력 프로젝트의 규모나, 각종 예측 데이터를 봐도 해상풍력은 앞으로 수많은 기업들이 매진할 분야인 것 같네. 특히 스틸은 발전기의 타워, 하부구조용으로 대체 소재가 없다시피 하니, 해상풍력산업과 철강은 계속 기술협력이 이뤄질 수밖에 없겠구나. 포스코의 어깨가 또 무겁겠는걸. 그럼 이렇게 점점 대형화되는 풍력발전기가 실제로 우리 지구에 얼마나 도움이 될까?

포스코 스틸이 들어간 Hornsea 1 프로젝트를 기준으로 이야기할게. 풍력발전기 1대는 연간 24.5GWh의 청정 전력을 공급할 수 있고, 이는 우리가 현재 사용하고 있는 전기- 즉 화석연료를 포함해 발전하는 전기보다 11,400톤의 이산화탄소 배출을 저감할 수 있어. 풍력발전기가 주로 20년 정도 운영되니까 수명 동안 약 490GWh의 전기를 생산하고 이산화탄소는 약 23만 톤 저감할 수 있지. 이는 매년 346만 그루의 소나무가 흡수하는 탄소를 줄이는 효과야.

이렇게 들으니까 하루빨리 풍력발전이 우리의 제1 에너지원으로 자리매김하면 좋겠다~

포스코는 풍력발전기 대형화라는 트렌트에 맞춰 대단중강 공급을 위한 설비 투자나 다양한 LCOE 저감 솔루션을 고민하고 있어. 글로벌 풍력 시장이 빠르게 확대되는 만큼, 포스코도 이 기세에 발맞춰 친환경 솔루션을 전략적으로 제공하려고 해.

찬바람이 솔솔 불어오는데, 초록이는 왠지 이 바람이 싫지 않네요. 어디선가 이 바람이 우리의 에너지가 되고 있을 테니까요. 그리고 포스코의 GPS는 지금도 더 크고 강해지는 풍력발전이 우리 일상으로 다가오는 길에 함께 하고 있습니다.

l 바다 한 가운데서 얻는 자연의 에너지, 해상풍력발전

해상풍력은 바다에 풍력발전기를 설치하고 그곳에서 부는 바람의 운동에너지를 변환해 전기를 얻는 발전 방식이다. 초대형 풍력발전기의 경우, 블레이드(날개)가 한 바퀴 회전하는 것으로 일반 가정에서 29시간 동안 사용할 수 있는 전력을 생산해낸다. 특히 해상풍력은 육상풍력에 비해 입지 제약으로부터 자유롭고 높은 효율로 에너지를 생산할 수 있어 전 세계적으로 확대되는 추세. 우리나라도 전남 신안 앞바다에 2028년까지 11조 원을 투입하는 해상풍력 단지를 조성 중이다.

▲ 영국 Hornsea2 해상풍력발전 단지 (이미지출처=Ørsted)

풍력발전기는 크게 보면 지지대 역할인 ‘타워’와 바람을 맞고 회전하는 ‘블레이드’, 겉으로는 보이지 않지만 에너지를 생성해내는 ‘발전기’와 타워를 해저에 단단히 고정하는 역할을 하는 ‘하부구조물’로 구성되어 있다. 이중 타워와 하부구조물은 바다 한가운데서 바람을 맞는 가혹한 환경과 저온 충격에도 20년 이상 변형 없이 버틸 수 있는 소재로 제작되어야 한다. 그래서 구조물용 ‘저온인성보증강’ 등 스틸은 풍력발전기에 가장 많이 쓰이는 소재. 최근 발전기가 대형화되면서부터 타워와 하부구조물에 ‘대단중(大單重)강’*도 많이 쓰이고 있다. 해상풍력기 1기당 약 1,500톤에서 2,300톤(8~9MW급 기준)의 강재가 쓰이며, 2020년 기준 세계적으로 연간 100만 톤이 넘는 해상풍력발전용 철강 수요가 발생할 전망이라고.

포스코는 풍력발전기에 특화된 고급 강종의 생산능력을 꾸준히 확대하면서 시장 수요에 대비해왔다. 현재 육상, 해상을 통틀어 전 세계 풍력발전기 10대 중 1대는 포스코 스틸로 만들어진다.

l 포스코 스틸이 지탱하는 세계 최대 해상풍력단지 Hornsea

이 시각 세계 최대 규모로 조성 중인 해상풍력발전 단지는 영국의 Hornsea 프로젝트다. 요크셔 해안에서 100km 가량 떨어진 북해에 건설하는 Hornsea 프로젝트는 총 3차에 걸쳐 진행 중인데, 1차는 407 km²의 면적에 174개의 발전기를, 2차는 462km²의 면적에 165개의 발전기를 세운다. 1, 2차 발전단지를 모두 합치면 면적은 서울의 약 1.4배인 869km², 발전 용량은 2.6GW다. (3차는 2.4GW 규모로 현재 개발 추진 중이다.)

▲ 영국의 Hornsea 프로젝트는 세계 최대의 풍력발전단지 건설 프로젝트다.

풍력에너지 시장 자체가 워낙 유럽 위주이다 보니, 풍력기용 강재 역시 유럽 철강사들이 특화하여 생산, 공급하는 것이 일반적이었다. 포스코가 본격적으로 이 시장에 뛰어든 것은 2015년. 기술연구원과 마케팅실이 합심하여 해상풍력발전기 구조용 강재를 개발하기 시작했다. 터빈의 회전운동에 의한 진동, 그리고 조류와 파도에 의한 반복적인 외부 압력을 버티는 피로강도와 좌굴강도*를 확보하면서도 원가는 낮춘 시장친화적인 모노파일(monopile) 형식**의 하부구조용 후판을 만드는 것이 미션. 특히 Hornsea 프로젝트의 발전기는 기존 5~6MW급인 터빈 능력을 8MW까지 획기적으로 늘리면서 구조물이 대형화되었고, 그러다 보니 후판 1장만으로는 직경이 큰 모노파일용 강관을 조관할 수 없어 구조물 설계부터 새로운 솔루션이 필요했다.

포스코 연구원들은 1년간의 연구 결과를 가지고 직접 덴마크와 독일의 풍력 구조물 설계사들을 방문했다. 근거리에 쟁쟁한 유럽 철강사들을 제치고, 운송하는 데만 두 달 넘게 걸리는 포스코의 강재가 선택받기 위해서는 그만한 이점이 있어야 할 터. 기존 EN(유럽) 규격이 명시한 열처리를 생략하는 대신 압연 조건을 변경하여, 필요한 강재 성능은 그대로 유지하면서 제조원가는 낮춘 새로운 강종과 그에 맞는 구조물 설계법을 고안해 제시했다. 고객이 얻을 수 있는 비용 절감 효과까지 정량적으로 계산해 보여주니, 그들의 이목을 끌 수밖에. 같은 시각, 마케팅본부에서는 당시 에너지조선마케팅실장이 풍력에너지 시장의 최대 기업인 덴마크 오스테드(Ørsted)의 경영층을 만나 포스코의 기술력과 의지를 전하고 협력 분위기를 다졌다. 동시에 본사 실무진과 유럽사무소 직원들은 유럽의 풍력 구조물 제작사들을 샅샅이 찾아다니며 기존에 포스코가 해양플랜트 시장에서 보여준 기술력과 솔루션 마케팅 능력을 적극 어필했다.

▲ 해상풍력타워 하부구조물 (모노파일뱡식). 대형 타워의 하부구조물은 외경이 최대 12m에 달한다. (이미지출처=EEW그룹)

그 결과, 포스코는 2017년 Hornsea 1 프로젝트에 이어 2019년 Hornsea 2 프로젝트까지 수입재로는 이례적으로 전체 수요의 30%에 달하는 철강재를 공급하는데 성공했다. 약 15만 톤의 후판은 지난 1월까지 공급 완료되어 유럽 그린에너지의 새로운 이정표를 세우는데 쓰인다. 포스코는 Hornsea 프로젝트에서의 성과를 토대로 영국 Hohe see, 네덜란드 Fryslan 프로젝트 등 유럽 지역의 대형 해상풍력 프로젝트에도 강재를 공급 중이다.

l 이제 아시아도 해상풍력의 시대, 포스코가 스틸한다

해상풍력시장의 중심축이 최근 아시아로 이동 중이다. 특히 대만의 경우 2025년까지 230억 달러를 투자해 무려 20여 개에 달하는 해상풍력 프로젝트를 진행한다. 이로써 예상되는 강재 수요는 최대 160만 톤. 대만 정부는 해상풍력기 구조물과 부품 등의 자국 생산 비중을 높이고 수입을 최소화하고자 했지만, 자국 업체들은 풍력 구조물을 제작한 경험이 부족해 초기에 많은 시행착오를 거칠 수밖에 없었다. 포스코는 앞선 Hornsea 프로젝트 등 유럽의 해상풍력 시장에서 쌓은 경험을 바탕으로 새롭게 떠오르는 대만 시장을 집중 공략해오고 있다.

▲ 대만에서 진행 중인 주요 해상풍력발전 프로젝트. 이중 7개의 프로젝트에 포스코 스틸 약 16만 톤이 사용된다.

대만의 풍력 구조물 제작사들은 대부분 기존에 조선, 건설업을 영위하다가 풍력발전까지 비즈니스를 확장한 경우가 많다. 때문에 강관 형태의 구조물 제작 경험이 부족한 것이 공통된 특징인데, 이에 포스코는 2019년 초부터 대만의 주요 제작사들을 방문해 그들이 겪고 있는 기술적 문제점을 찾아냈다. 포스코의 안정적인 강재 품질과 공급 능력 외에도, 각 제작사들의 가려운 부분을 긁어주는 노하우를 패키지로 제공하는 솔루션 마케팅을 펼친 것. 실제 조관시 시행착오를 최소화하기 위한 조관시뮬레이션, 항복강도 460MPa 이상의 고강도강에 대한 용접 조건 등 고객마다 필요한 솔루션을 제공하고, 즉각 해결이 어려운 문제는 TFT를 구성해 공동으로 솔루션을 도출해냈다. 내부적으로는 생산능력을 증대시켜 유럽과 아시아에서 동시에 진행되는 프로젝트들의 공급 납기를 모두 완벽하게 맞추는 노력도 병행했다.

▲ 이미지출쳐=Ørsted

포스코는 현재까지 진행된 대만의 Formosa 2(福摩萨2), Yunlin 1&2(雲林 1&2), Greater Changhua(大彰化) 프로젝트 등에 약 16만 톤의 강재 공급 계약을 마쳤다. 강재는 작년 1월부터 순조롭게 공급 중이다. Formosa 2 프로젝트의 경우, 올해부터 상업 가동에 들어가며 Yunlin 1&2, Greater Changhua는 내년까지 건설을 마치고 가동을 시작할 예정이다. 이렇게 해상풍력발전 단지가 모두 자리를 잡으면, 대만의 신재생에너지 발전 비중이 2018년 5%에서 2025년 20%까지 커진다고 한다.

포스코는 대만뿐 아니라 수년 내 큰 성장이 예상되는 미국, 베트남 등의 시장에서도 메인 공급사 자리를 꿰차기 위해 선제적인 마케팅 활동을 활발히 전개 중이다. 그린에너지 시대, 바다 한가운데 부는 바람 속에도 포스코 스틸이 있다.

※ 관련기사 : STEEL Talk 저렇게 큰 바람개비는 어떻게 돌아가나요? 쓰러질까 걱정돼요 ㅠㅠ

STEEL Talk에서는 STEEL(철강)은 물론 Science, Technology, Energy, Environment and Life에 대한 궁금증과 호기심을 재미있는 이야기로 풀어드립니다.

가족들과 제주도 여행을 다녀왔군요~! 맛있는 것도 많이 먹고, 경치 좋은 곳에 가서 구경도 많이 했나요? 부러워요!! >_< 제주도는 흔히 바람, 돌, 여자가 많다고 해서 ‘삼다도(三多島)’라 부르는데요. 바람이 많이 부는 특성을 활용해서 곳곳에 풍력발전기가 설치되어 있어요. 질문을 보내준 어린이가 본 커다란 바람개비는 풍력발전기입니다.

풍력발전기는 바람의 힘으로 발전기를 돌려 전기를 만들어내는 건데요. 청정 에너지 생산 방법으로 요즘에는 그 사용 범위가 넓어지고 있어요. 그 원리와 숨겨진 과학 이야기를 포스코 뉴스룸이 설명해드릴게요.

l 바람아~ 멈추지 마오~ 전기로 만들어 줄게!

풍력발전기는 어떻게 전기를 만들어낼까요?

풍력발전기 위에 달린 거대한 날개를 블레이드라고 부르는데요. 이 블레이드가 바람을 받아 바람개비처럼 회전하면 회전 운동 에너지가 만들어져요. 이 회전 운동 에너지는 증속기로 전해져서 회전 운동의 속도가 높아지고, 고속으로 바뀐 이 회전력은 발전기에서 전기 에너지가 돼요. 생각보다 간단하죠? 이렇게 만들어진 전기 에너지는 소비자에게 적절한 전압과 전류로 보내지기 위해, 변전소를 거친 후 우리가 살고 있는 집까지 오게 됩니다. 한국풍력산업협회에 따르면 풍력발전기는 1대 당 평균적으로 2MW(메가와트)의 전기를 만들어내는데요. 약 700가구가 1년 동안 사용할 수 있는 양이에요.

l 바람에 쓰러질 걱정은 NO NO! 풍력발전기 타워에 숨은 비밀!

양떼 목장이 있는 대관령에 가본 적 있나요? 제주도 바다 위에서 봤던 풍력발전기를 강원도 대관령에서도 볼 수 있어요. 산은 고도가 높아질수록 바람이 빠르고 강하게 불기 때문에, 산 꼭대기에 풍력발전기를 만드는 거랍니다. 그런데, 이렇게 산이나 바다에 만든 커다란 풍력발전기가 강한 바람에 휘청거리거나 쓰러지면 어떡하냐구요? 걱정하지 않아도 돼요! 풍력발전기는 스틸로 만들어진 원형 기둥의 타워 덕분에 튼튼하거든요! 그 이유에 대해 지금부터 살펴볼게요.

▲ 바람 많기로 유명한 ‘삼다도’ 제주의 해상풍력발전기! 다양한 크기의 바람과 조류 및 파도의 영향을 받기 때문에 여러 외부 압력으로부터 견딜 수 있어야 해요.

일반적으로 풍력발전기는 20~25년의 수명을 갖도록 설계되는데, 그 특성상 수명 기간 동안 반복적으로 다양한 방향으로, 다양한 크기의 바람과 조류 및 파도에 노출돼요. 그렇기 때문에 반복적인 외부 압력으로 파괴되지 않도록 적절한 피로강도(Fatigue Strength)*와 좌굴강도(Buckling Strength)**를 가지고 있어야 합니다.

스틸은 높은 피로강도를 가지고 있어서 풍력발전기는 대부분 스틸로 만들어져요. 같은 힘을 스틸과 콘크리트에 반복해서 가한다고 가정했을 때, 스틸은 콘크리트보다 힘을 5배 더 반복해서 가할 때까지 버텨내거든요.

풍력발전기는 꼭대기에 큰 날개 모양의 블레이드와 발전기가 달려 있는데, 그 무게 때문에 위에서 아래로 수직방향의 압력을 받아요. 그리고 풍력발전기를 향해 부는 바람이나 블레이드 회전 때문에 가로방향에서도 압력을 받죠. 이렇게 외부에서 다양한 압력을 받으면 모양이 변형될 수 있는데, 특히 단면 크기에 비해 길이가 길면 물체가 압력에 의해 꺾이는 현상(좌굴)이 일어나기 쉬워요. 마치 나무젓가락을 세워놓고 위에서 누르거나 옆에서 강한 충격을 주면 쉽게 휘고 부러지는 것처럼요. 그래서 풍력발전기의 타워는 좌굴강도가 높은, 원형 모양으로 생겼답니다. 원형이 삼각형, 사각형, 다각형보다 압력에 효율적이고, 유선형으로 바람의 영향을 가장 적게 받기 때문이에요!

가장 적절한 피로강도와 좌굴강도를 갖도록 설계된 ‘원형’ 모양의 ‘스틸’ 타워 덕분에, 풍력발전기는 강한 바람에도 굳건히 서있을 수 있어요. 지난 수십 년 간 풍력발전 산업이 발전해오면서 풍력타워 및 하부구조물만을 전문적으로 제작하는 업체가 생겨났는데, 이들 업체 모두 스틸로 만든 원형 모양의 강관을 전문적으로 다루는 회사라는 것도 이를 뒷받침합니다.

일반적으로 육상 풍력발전기는 높이가 100미터, 타워 하단부의 둘레는 13미터에 달하는 어마어마한 크기인데요. 타워에는 무려 200톤의 스틸이 들어가 있어 풍력발전기를 튼튼하게 지켜준답니다. 이제 쓰러질까 걱정 안 해도 되겠죠?

l 1,400만 그루의 소나무를 심는 것과 같다고요? 포스코그룹이 만드는 친환경 에너지

포스코는 풍력발전기가 거센 바람에도 버틸 수 있도록 타워에 쓰이는 고강도 풍력용강을 만들고 있는데요. 포스코의 풍력용강은 육지 또는 바다 위의 풍력 타워에 사용되며, 바람이나 파도에 의한 진동, 충돌, 낮은 온도 등 거친 환경에서도 견딜 수 있도록 만들어졌어요. 특히, 초대형 해상 풍력 타워는 더욱 두껍고 강한 강재로 만들어서 태풍이 불어도 끄떡없죠.

뿐만 아니라, 포스코의 스틸은 모터에도 쓰여요. 블레이더의 회전 속도를 높이는 증속기에 PosWIND가, 회전력을 전기로 바꾸는 발전기에 포스코의 무방향성 전기강판인 Hyper NO가 사용되는데요. PosWIND는 오랜 시간 회전해도 마모, 균열, 변형이 일어나지 않고, Hyper NO는 모터의 전력 손실을 감소시켜 에너지 효율을 높이는 장점이 있답니다.

▲포스코에너지에서 3월 준공 예정인 전남 신안군 육상풍력 발전단지의 모습

포스코가 풍력발전기에 사용되는 스틸을 생산해낸다면, 포스코에너지는 풍력발전을 활용해 직접 신재생에너지를 만들어내고 있어요. 포스코에너지가 전남 신안군 자은면 일대에 육상풍력 발전단지를 조성 중인데요. 총 62.7MW 규모로, 연간 12만 MWh의 전력을 생산해 지역사회에 공급할 수 있어요. 연간 4만 9,000톤의 이산화탄소를 저감하고 1,400만 그루의 소나무를 심은 것과 같은 효과를 기대할 수 있다니, 정말 대단하죠?

풍력 발전은 청정 에너지원으로, 환경오염을 유발하는 화석 연료를 대신하여 자원 고갈에 대비할 수 있는 아주 고마운 기술이에요. 청정에너지를 만드는 데에도 스틸은 꼭 필요하다는 점! 포스코그룹도 풍력 발전과 같은 친환경 에너지를 얻기 위해 많은 노력을 기울이고 있답니다. 오늘의 궁금증이 해결되었기를 바라면서, 다음에 다시 돌아올게요~!

* 도움말 주신 분: 포스코 기술연구원 김종민 수석연구원, 포스코에너지 고승현 과장