해상풍력 경쟁 패러다임의 변화

해상풍력 경쟁 패러다임의 변화

 

 

 

 

 

 

 

목차

1. 해상풍력 시장 동향

2. 경쟁 패러다임의 변화 방향

① 소재·설계 혁신

② 변동비 절감 기술 부상

③ 전·후방 통합 역량 강화

3. 시사점

 

 

 

작성 : 조용권 수석연구원(3780-8109)

cyk@seri.org

삼성경제연구소

 

 

 

《요 약 》

영국은 2010년 Round 3 프로젝트를 통해 9개 지역에 총 32GW의 해상풍력 단지를 개발할 업체를 선정했다. 영국의 Round 3 프로젝트 시행으로 지금까지 니치시장에 불과했던 해상풍력에 대한 관심이 고조되고 있고, 2010년 1GW에 불과했던 해상풍력시장은 2020년에 7GW로 7배가량 커질 전망이다. 해상풍력이 주목받는 이유는 풍부한 풍력자원과 대형 단지 때문이다. 미국의 해상풍력 부존량은 4,151GW로, 설치된 풍력발전 용량의 104배에 이른다. 또한 해상풍력 단지의 평균 규모는 육상의 20배, 평균풍속은 1.5배로, 대형 단지와 빠른 풍속도 해상풍력의 장점이다. 그러나 해상의 기반공사, 해저케이블 설치 등 투자비 증가로 해상풍력의 경제성은 아직 취약하다. 해상풍력의 발전비용은 1MWh당 87유로로 육상풍력보다 1.4배 비싸다. 하지만 미국은 2020년이 되면 해상풍력이 경제성을 확보할 것으로 보고 있다. 해상풍력이 부상하면서 풍력시장의 경쟁 패러다임이 바뀌고 있다.

 

첫째, 소재·설계의 혁신이 중요해졌다. 5MW의 풍력발전기가 상용화되고 이보다 큰 10MW의 초대형 풍력발전기가 개발 단계에 있다. 이에 따라 기존 방식으로 단순히 기계 크기를 늘리는 방법이 한계에 이르러 탄소섬유나 초전도 기술을 도입하는 등 소재, 구조 설계에서 혁신이 일어나고 있다.

 

둘째, 변동비 절감 기술이 부상하고 있다. 해상이라는 지리적 특수성으로 인해 유지, 보수, 운영 등의 변동비가 비용 구조에서 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 따라서 경제성을 높이기 위해서는 이를 줄이는 것이 중요하다. 이러한 맥락에서 기어가 없는 다이렉트 드라이브(Direct Drive) 기술이 주목받고 있다. 기존의 3단 기어 방식은 고장률이 낮지만 결함이 발생했을 때 재작동까지 오랜 시간이 소요되어 풍력발전기 가동률을 크게 저하시킨다. 다이렉트 드라이브 기술은 이러한 문제를 해결할 수 있어, 이 기술을 해상풍력 발전기에 도입하려는 기업이 점차 늘고 있다.

 

셋째, 가치사슬의 전·후방 통합 역량이 핵심경쟁력이 되고 있다. 초기에는 사업 경쟁력에서 제품의 역량이 중요하지만 신규 업체들의 진입이 늘면서 제품 차별화가 희석되고 있다. 이에 따라 해상풍력 시장의 경쟁력이 제품 역량에서 전·후방 통합 역량으로 변화하고 있다. 해상풍력은 투자 규모나 사업 리스크가 큰 편으로 부지 평가에서 최종 운영까지 개발에 필요한 모든 역량을 최적으로 제공할 수 있는 수직통합의 사업 모델을 갖춘 업체가 향후 시장을 주도할 것으로 보인다.

 

후발주자로서 신속히 역량을 확보해 경쟁의 패러다임이 바뀌고 있는 상황에 선제적으로 대응하는 것이 중요하다. 이를 위해 소재나 모듈화 기술에 대한 연구개발을 확대하고, 다이렉트 드라이브 기술도 확보해야 한다. 또한 풍력발전기 제조뿐만 아니라 한국에 강점이 있는 해양이나 조선 사업과 연계하여 풍력사업을 확대할 수 있는 방안을 적극 모색하고, 향후엔 파이낸싱, 단지 설계 등으로 사업을 확대할 필요가 있다.

 

 

 

1. 해상풍력 시장 동향

 

영국의 Round 3 프로젝트로 해상풍력에 대한 관심 고조

 

□ 영국은 3차례의 프로젝트(Round 1, 2, 3)를 통해 총 43GW1)의 대규모 해상풍력 단지 개발 계획을 구체화

 

- 2010년 1월에 세 번째 프로젝트인 Round 3에서 9개 지역, 총 32GW의 해상풍력 단지를 개발할 업체를 선정

ㆍ2013년부터 풍력발전기 제조업체를 선정하고, 2015년에 설치를 시작해서 2023년에 단지 개발을 마무리할 예정

 

 

 

□ 전 세계 해상풍력 시장은 연평균 20% 성장해 2020년에는 7GW로 늘어날 전망

 

- 누적 설치량은 2010년 3.1GW에서 2020년 40GW로 늘어날 전망

 

- 한편 프랑스, 중국 등도 해상풍력 단지 개발업체를 선정할 계획

ㆍ프랑스와 중국은 각각 3GW, 2GW의 해상풍력 단지를 개발할 예정

 

 

 

해상풍력은 풍부한 자원과 대규모 단지 등이 장점

 

□ EU, 중국, 미국 등은 풍부한 해상풍력 자원을 보유

- 해상풍력 부존량을 주요 지역별로 살펴보면, 풍력발전 누적 설치량 대비 17~104배 수준

 

 

 

□ 해상풍력은 단지 규모와 풍속 등의 측면에서 육상풍력보다 유리

 

- 해상풍력 단지의 평균 규모는 육상풍력보다 20배가량 큼

ㆍ부지 제한이 적고, 육상풍력보다 인허가나 민원으로부터 자유로운 편

 

 

- 해상의 평균 풍속이 육상보다 빠르기 때문에 해상풍력의 발전효율은 육상풍력보다 1.4배 높은 수준

 

  

□ 해상풍력 발전비용(€87/MWh)은 육상풍력의 1.4배 높은 수준으로 경제성이 취약

 

- 해상풍력 발전비용은 화력발전 중 가장 고비용인 가스복합화력보다 높음

 

 

- 해상풍력의 고정비와 운영비가 육상풍력보다 2배 이상 높기 때문

ㆍ해상 기반공사, 해저케이블 설치, 기상조건에 따른 유지, 보수의 어려움 등으로 고정비와 변동비가 증가

 

 

- 미 에너지부는 2010년 1MWh당 270달러의 해상풍력 발전비용을 2020년까지 100달러로 낮출 계획2)

ㆍ약 30개 주의 전력요금이 1MWh당 100달러보다 높은 상황이어서 워싱턴, 아이다호, 캔사스 등 일부 주를 제외하고는 해상풍력이 경제성을 확보할 것으로 기대

 

 

 

2. 경쟁 패러다임의 변화 방향

 

① 소재·설계 혁신

 

□ 풍력발전기의 대형화가 계속되고 있으나, 기존의 부품 규모를 늘리는 기술 방식은 한계에 봉착

 

- 해상풍력의 경제성 제고를 위해 5MW의 풍력발전기가 상용화 중이며, 일부 업체는 10MW의 초대형 풍력발전기도 개발 중

 

 

- 기존 발전기를 대형화하는 것은 한계에 봉착

ㆍ기존 기어박스(3단 기어 방식과 유도 발전기) 기술은 크기 확대에 따라 비용이 크게 증가하여 5MW 이상으로 확대하는 것은 무리

 

 

□ 저중량, 강도, 내구성, 운송 용이성 등을 확보하기 위해 새로운 소재와 설계, 첨단 기술의 활용이 본격화

 

- 블레이드 길이가 60m 이상인 5MW 풍력발전기에 대해 기존의 유리섬유 대신에 가볍고 고강도인 탄소섬유를 사용하는 등 첨단기술을 도입

ㆍ리파워, 아레바는 5MW 풍력발전기 블레이드에 탄소섬유를 활용

ㆍ블레이드 섬유층에 광학 센서를 장착한 후 주변의 풍력을 측정하여 블레이드를 제어하거나, 텅스텐 소재의 낙뢰 수용기를 내재해 낙뢰피해를 방지

 

- GE는 새롭게 개발하는 10MW 발전기의 중량과 크기를 줄이기 위해 극저온 냉각 기반의 초전도 기술을 적용할 예정

ㆍ5MW 이상에서는 영구자석 기반 발전기를 활용하면 발전비용이 기하급수적으로 늘어나 초전도 기반 발전기를 도입할 필요성이 증가

 

 

- 가메사(Gamesa)는 모듈화 설계 방식을 도입하여 2MW 발전기와 동일하게 운송 가능한 4.5MW 발전기를 개발

ㆍ62m의 블레이드를 30m 길이의 2개 모듈로 구성, 기어를 메인샤프트와 일체화하고 3단에서 2단 기어 방식으로 설계하여 안정성 제고

 

 

② 변동비 절감 기술 부상

 

□ 기어가 없는 '다이렉트 드라이브(DD: Direct Drive)' 방식의 풍력발전기가 초기 비용이 많이 소요됨에도 불구하고 해상풍력용으로 주목

 

- 해상풍력은 유지, 보수, 운영 등 변동비가 가장 높은 비중을 차지하므로 이를 낮추는 것이 발전비용을 절감하는 방법

 

 

- DD 방식의 풍력발전기는 3단 기어 방식보다 초기 비용이 약 10% 높음

 

- 기어박스 결함에 따른 가동률 저하 방지로 운영비를 낮출 수 있는 것이 DD 방식이 주목받는 이유

ㆍ기어박스 고장률은 4%로 타 부품에 비해 낮으나, 결함 시에 재가동 까지 가장 긴 시간(약 330시간)이 소요되어 발전효율이 크게 저하

 

 

□ DD 방식의 풍력발전기를 도입하는 업체가 증가

 

- 육상풍력 발전기 시장에서는 발전기의 약 80%가 3단 기어 방식이며, 에너콘(Enercon), 골드윈드(Goldwind) 등 일부 업체만이 DD방식의 제품을 상용화

 

- 해상풍력 시장에서는 지멘스(3MW), GE(4MW) 등이 상용화하고 있으며, 지멘스(6MW), 노르덱스(6MW), 스웨이(10MW) 등은 개발 중인 풍력발전기에 DD 방식을 적용할 계획

 

 

③ 전·후방 통합 역량 강화

 

□ 단기적으로 제품 신뢰성을 인정받은 지멘스가 해상풍력 시장을 주도

 

- 지멘스는 2015년까지 해상풍력에 필요한 발전기 주문의 54%를 확보

 

- 후발주자인 리파워, 아레바, 바드 등도 실증 단계를 거친 5MW 풍력발전기로 차별화하며 고객을 확보

 

 

□ 해상풍력 시장의 사업 경쟁력이 제품 역량에서 전·후방 통합 역량으로 변화할 전망

 

- GE(4MW), 노르덱스(6MW), 미쓰비시(6MW), 알스톰(6MW), 베스타스(7MW) 등 기술 기반의 제조업체가 진입하며 제품 차별화는 희석될 전망

 

- 해상풍력 단지 개발업체가 대규모 투자나 사업 리스크 부담 경감할 수 있도록 파이낸싱, 단지 설계, 설치 등의 서비스를 통합해서 제공하는 사업모델을 갖춘 제조업체가 시장을 주도할 가능성

 

□ 선도 기업은 해상풍력 가치사슬에서 사업을 확대하여 수직통합의 사업모델을 보유

 

- 지멘스는 풍력발전기 제조뿐 아니라 파이낸싱, 전력 인프라 구축 등의 서비스를 동시에 제공

ㆍ지멘스는 Round 3의 Hornsea 단지 개발 컨소시엄에 투자자로 참여

 

- 바드는 단지 개발 - 파이낸싱 - 풍력발전기 및 구조물 제조 - 설치 선운영 등을 연계한 턴키(Turn-key) 공급자를 지향

 

- GE는 풍력발전기 공급과 연계한 파이낸싱 서비스를 제공

 

 

 

3. 시사점

 

조기에 사업 역량을 확보하여 경쟁 패러다임 변화에 선제적으로 대응

 

□ 대형 풍력발전기 경쟁을 주도하기 위해 소재, 모듈화, 구조 단순화 등에 대한 연구개발을 확대

 

- 국내 소재 기반이 미약하므로 글로벌 풍력발전기 부품·소재업체와 제휴하여 소재 기술을 조기 내재화

 

- 운송, 설치, 유지, 보수 등이 용이하도록 모듈화 설계에 주력

 

- 부품 결함을 최소화하기 위해 풍력발전기 구조를 단순화하는 한편, 기어박스 문제를 해소하기 위해 DD 방식 기술도 확보

ㆍGE가 2009년에 스캔윈드(Scanwind)를 인수하여 DD 기술을 확보한 것처럼 M&A를 통해 조기에 기술을 확보하는 방안도 고려

 

□ 풍력발전기 제조 역량뿐만 아니라 전·후방 통합 역량도 구축

 

- 해양, 조선 사업과 연계하여 구조물 제조 및 설치, 설치선 제조 및 운영 등 풍력사업을 확대하는 방안을 우선적으로 검토

 

- 향후 파이낸싱, 입지 평가, 단지 설계 등으로 사업을 확대

ㆍ입지 평가나 풍력단지 설계를 위해 현지의 개발업체를 M&A하는 방안도 검토

ㆍ파이낸싱 리스크를 줄이기 위해 수출입은행, 정책금융공사 등 국책 금융기관과 협력

설치 실적 확보와 부품 공급망 구축 등에 정부 지원을 확대

 

□ 국내 풍력발전기 제조업체가 설치 실적을 확보할 수 있도록 정부는 해상풍력 단지 개발 계획을 차질 없이 추진할 필요

 

- 정부는 전남 부안-영광 인근 해상에 국내 풍력발전기 실증 및 해상풍력 개발을 위한 풍력단지를 건설할 계획

 

- 정부는 영국의 Round 3 프로젝트에서 2015년부터 풍력발전기를 설치할 예정이므로 영국 시장에 적기에 진입할 수 있도록 국내 해상풍력 단지개발 계획을 지연 없이 추진

 

 

□ 정부는 국내 부품산업 기반이 안정적으로 구축될 수 있도록 지원

 

- 풍력발전기의 저가화, 부품 수급 안정화 등을 위해서는 국내 부품 공급망 구축이 필수이므로, 이를 위해 정부의 지원을 확대할 필요

 

- 신규 풍력발전기 개발을 위한 부품 개발과 생산시설 확충에 대한 정부 지원도 확대

 

-以上-

 

 

                                                                                                     

1) GW(Giga Watt)는 109 Watt로, 43GW는 대략 원자력 발전소 43개의 규모

2) Johnson, J. (2011. 5. 11.). Offshore Wind Technology Overview. DOE.

 

 

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