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[기고] 새만금 해상태양광발전 안전성 확보를 위한 고내구성 복합소재 활용
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[기고] 새만금 해상태양광발전 안전성 확보를 위한 고내구성 복합소재 활용
  • KNS뉴스통신
  • 승인 2020.10.08 11:07
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이성우 전 대한토목학회장(전 국민대학교 총장, 4IR건설응용연구센터 대표)
이성우 전 대한토목학회장(전 국민대학교 총장, 4IR건설응용연구센터 대표)
이성우 전 대한토목학회장(전 국민대학교 총장, 4IR건설응용연구센터 대표)

현 정부는 전체 에너지 중 신재생 에너지 비율을 2030년까지 20%로 비약적으로 확대하여, 단기간 내에 저탄소·고효율의 친환경 에너지구조로 전환함으로써 에너지 신산업 선도국가로 도약하겠다는 세계 어떤 나라도 추진하지 못한 강도 높은 혁신적 계획을 추진하고 있다. 이 계획에 따르면 전체 신재생에너지 중 태양광 발전의 비중을 지금부터 10년 후인 2030년에 57%(36.5GW)까지 획기적으로 확대할 계획이다. 1GW의 발전설비 용량이 고리원전 1호기 수준(태양광인 경우 실제 발전량은 야간, 흐린 날, 눈비오는 날 등을 고려하면 원전의 20~30% 정도로 추산) 임을 감안할 때 어느 정도 규모인지 짐작이 갈 것이다.

태양광발전시설은 2019년 기준으로 약 9.3GW 정도가 설치되어 가동되고 있는데 최근 댐, 저수지 등 담수호에 설치되는 수상태양광 발전시설이 태양광발전 산업의 한 축을 담당하고 있다. 2030년에 계획된 36.5GW의 높은 목표치를 달성하려면 향후 10년 내에 추가로 약 25GW 이상의 태양광 발전시설을 설치해야 한다. 그러나 육상태양광의 입지적 제한성과 환경파괴 문제로 인해 육상설치의 확장에는 한계가 있을 수밖에 없다.

이에 따라 수상태양광이 그 대안으로 크게 부각 되고 있다. 전국의 저수지 10%와 담수호 20% 정도를 활용한다고 보면 전체적으로 대략 6.0GW의 추가적인 전력생산 잠재력이 있는 것으로 추정되고 있지만 각종 민원 등 지역사회와의 갈등으로 접근이 쉽지 않아 보이는 가운데 수상태양광발전 사업 부지를 추가적으로 확보하기 위해서는 대규모 발전단지의 실현에 유리한 해상 및 방조제 해수면을 적극 활용할 방안을 모색해 보지 않을 수 없다.

그러나 해상태양광발전 시스템에서는 기존 담수호의 설치조건보다 열악한 자연조건을 가지고 있기 때문에 부유체와 계류장치, 부유체 위에 설치된 고정용 프레임과 태양전지판이 태풍이나 강풍, 높은 파도에 대해 구조적인 안전성이 보장되어야 하고, 이러한 모든 발전설비는 구조체에 대한 염분 내구성이 확보되어야 하며, 태양전지판을 수차례 교체설치 할 수 있는 구조체의 긴 내구수명이 담보되면서 운영 및 유지관리비가 저렴해야 하는 등의 기술적, 경제적 도전과제를 단기간 내에 선제적으로 극복해야 한다.

세계은행의 통계에 의하면 수상태양광 설치가 가능한 인공저수지 면적은 40만㎢ 이상으로 해당 저수지의 1%만 활용해도 400GW규모의 잠재력을 가지고 있다고 예측한 가운데, 2018년 기준 전세계의 수상태양광 누적 설치용량이 아직 1.1GW 정도로 초기 단계임을 감안한다면, 세계시장에 진출하기 위해서는 국내에서 해상을 포함한 수상환경 대규모 태양광 발전설비를 건설 및 실증 하는 등 단기간 내에 세계를 선도하는 기술적 역량을 갖추지 않으면 안된다. 특히, 해상 태양광발전 기술은 설계, 해석, 시험(구조시험, 수리시험, 풍동시험 등)과 실증단지 현장 검증을 거쳐 산업적으로 설치되어야 할 것이다.

최근, 새만금 방조제에 대규모 부유식 해상태양광발전을 추진하고 있다. 이러한 방조제 환경에서 해상태양광설비는 광활한 수면적으로 인한 강도 높은 파랑이나 태풍, 강풍 등을 고려하여야 하고, 특히, 담수호에서 간과되었던 염분에 의한 부식 내구성을 확보해야 한다.

보통 태양전지판의 내구수명은 20년이므로 태양전지판이 설치된 구조체는 내구수명은 이보다 커야 할 것이다.

이 뿐만 아니라 태양전지판 표면에 침착되는 염분, 염분이 혼입된 미세먼지, 새똥 등으로 인한 태양광 발전효율의 저하문제를 해결하기 위한 태양전지판 자동 청소시스템도 필수적으로 고려되어야 하며, 전지판의 교체와 유지관리를 위한 편의성도 제고되어야 한다. 이와 같이 해상태양광 발전시설은 담수호의 수상발전시설보다 훨씬 더 많은 요소가 고려되어야 한다.

현재까지 담수호에 설치된 태양광 발전설비의 부유체 및 구조체의 건설재료는 상당부분 강재(Steel)가 사용되고 있고, 일부는 복합소재(Fiber Reinforced Polymeric Plastic, FRP)나 콘크리트가 사용되었다. 그러나 해상이나 방조제 환경은 담수호와는 달리 해안가로서 염해가 있다는 요소를 반드시 고려하여야 한다. 잘 알다시피, 강재는 염분으로 인해 부식이 가속되어 내부식 처리나 전기음극 방식처리(cathodic protection)를 하더라도 궁극에는 구조적으로 취약해지며 구조체의 내구수명이 저하된다.

강재(Steel)는 부식을 최소화하기 위해 표면에 도금을 하는 것이 일반적인 방법이다. 그러나 강재를 구조재로 활용하기 위해서는 천공, 절곡 등의 가공 공정이 필요하게 되는데 이러한 경우 천공부 및 절곡부에서 도금층은 취약해질 수밖에 없고, 가공 부위부터 부식이 일어나기 시작한다. 또한, 해상태양광발전은 파랑 및 풍하중 등에 의해 상시 움직임이 발생하므로 피로 및 마모 환경에 노출되어 있어 도금층의 손상이 빈번히 발생하고, 응력부식과 연결부 접촉부식이 발생하기 쉽다.

특히, 해상태양광발전은 부식 속도가 가장 빠른 비말대(Splash zone)에 속하게 되어 연간 약 0.1~0.3mm씩 부식이 발생하게 되며, 결국 20년의 상용기간 동안에 4mm의 부식이 발생할 수 있다. 이러한 이유로 건설 관련 기준에서는 구조물의 사용기간을 고려하여 희생 두께의 여유를 두고 설계하는 것이 일반적이다.

그러나 지금까지 수상/해상태양광에 사용한 도금 강재는 약 1.2mm~2.3mm의 두께를 가지고 있어 내구성 측면에서 보완 대책이 필요하다. 문제는 단기간내 응력부식 및 접촉 부식 등의 국부적인 손상으로도 발전소가 붕괴될 수 있기 때문이다. 특히, 해상/수상 환경에서 재도장 등의 유지관리가 불가능하므로 부식두께를 고려하여 강재의 두께를 두껍게 하거나 대채재를 활용하는 등의 근본적인 대책 절실히 요구된다.

콘크리트 역시 염해로 열화되어 강도를 잃게되며 더욱이 철근콘크리트는 철근이 부식되면서 부풀어 올라 콘크리트가 균열, 파손되면서 구조적인 기능을 상실하게 되어 구조체의 내구수명이 저하될 수밖에 없다.

복합소재(FRP)는 염해가 있는 지역에서 이러한 강재나 콘크리트의 취약점을 극복할 수 있는 건설 신소재이다. 그러나 지금까지 복합소재가 수상태양광발전시장에서 성장하지 못한 가장 큰 이유는 태양광산업이 민간 주도로 성장해왔고 복합소재는 강재나 콘크리트에 비해 고가이기 때문에 사업주의 입장에서 선호하지 않는 이유에서 비롯된 것이며, 대규모 해상태양광발전에서는 염해 등에 의한 강도 높은 내구성이 보장되어야 하므로 무엇보다도 구조적 안전성 측면에서 접근해야 할 것이다.

해상태양광 발전설비의 부유체나 태양전지판을 고정시켜주는 프레임에 경량, 고강도, 내부식 특성의 복합소재를 활용하면 염분에 대한 내구성이 보장되어 유지관리비가 현저히 감소하는 등 운영비용이 절감된다.

아울러 복합소재는 염분이 있음에도 불구하고 강재에 버금가는 고강도를 지속적으로 유지하므로 발전소 운영기간 동안 구조적인 안전성이 확보되며, 경량으로 인해 현저하게 자중이 감소되고, 작업장비의 경량화와 취급이 간편하여 공사비가 줄어들게 된다.

또한, 구조체를 착탈이 간편한 조립식으로 건설하면 태양전지판의 교체나 보수유지관리가 훨씬 간편해지면서 관리운영비용도 감소된다. 복합소재는 마치 대나무가 탄성회복하는 것처럼 탄성회복력 또한 매우 우수하여 태풍, 강풍, 강한 파도 등에도 파손 없이 회복되어 강재 구조체보다 더욱 유리한 점이 있다. 이러한 이점으로 인해 이미 복합소재는 요트 등의 선박이나 염해와 부식이 우려되는 해양, 해안 구조물에 다양하게 활용되고 있다.

전통적인 구조재료에 비해 다양한 장점이 있는 건설 신소재인 복합소재를 활용하여 우리나라가 단기간인 10여 년 만에 세계를 선도하면서 20GW가 넘는 세계 최대의 해상 및 간척지 호소의 수상태양광 발전시설을 구축하여 친환경 에너지 국가로 도약 발전할 것을 염원해 본다.

KNS뉴스통신 kns@kns.tv


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