풍력발전기술의 메카 ‘덴마크’

[산업일보]
세계적인 환경규제 강화와 유가급등으로 인해 화석연료에 대한 대체에너지 개발이 본격화되고 있다. 특히 태양광, 바이오 등과 함께 풍력발전에 대한 관심 및 투자가 급증하고 있어 주목된다. 풍력발전은 1990년대 초부터 기술개발이 시작됐으며, 중반 이후 유럽과 미국을 중심으로 본격적인 성장이 시작됐다.

2030년 전세계 전력수요 20% 커버

세계풍력위원회(Global Wind Energy Council)에 따르면, 신규 풍력발전 용량은 1995년 이후 10년간 연평균 23%의 성장률을 기록했으며, 2005년과 2006에는 각각 41%, 32%의 급증세를 나타냈다. 2006년말 전세계 풍력발전 용량은 74.2GW(Gigawatt=10억watt)에 달하며, 지속적인 증가세를 보여 2010년에는 2배 이상 증가한 150GW에 달할 것으로 전망된다. 더 나아가 2030년에는 전세계 전력 수요의 20% 이상을 공급하는 주요 에너지원으로 예측되고 있다.

또한, 덴마크의 풍력발전 컨설팅회사인 비티엠(BTM)에 따르면, 풍력발전산업은 2012년 세계적으로 200조원 규모까지 성장할 것으로 추산된다. 현재 전 세계 조선산업이 100조원 정도의 시장인 것으로 추산되는 만큼, 이보다 두배나 큰 시장이 되는 셈이다.

덴마크는 풍력발전의 비중이 가장 높은 나라로 유명하며, 여러 측면에서 세계 최고의 기록을 보유하고 있다. 우선, 세계에서 가장 큰 해상 풍력발전단지인 ‘혼스 레프 풍력공원(Horns Ref Windmill Park)’을 보유하고 있으며, 이곳에서의 전력 생산량은 160MW에 달한다.

특히, 덴마크는 세계 풍력발전 시장을 장악하고 있다. 현재 세계 풍력발전 분야 시장점유율을 보면, 덴마크의 베스타스(Vestas)社가 31.9%를 차지해 1위를 고수하고 있다. 이밖에 미국의 GE Wind 18%, 독일의 Enercon 14.6%, 스페인의 Gameza 11.5% 등의 순으로 시장이 형성돼 있다.

이밖에 덴마크는 풍력발전 기술개발의 메카이며, 세계에서 가장 많은 풍력발전 설비를 수출하고 있다. 실제로 스페인, 인도, 독일의 풍력발전 업체들이 기술개발을 위해 덴마크 현지에 사무실을 운영 중이며, 베스타스는 영국, 독일, 미국, 호주, 캐나다 등에 한번에 수십개의 풍력발전 설비를 수출해 세계 곳곳에 풍력발전 단지를 조성하고 있다.

덴마크 베스타스社 세계시장 33% 점유

풍력발전이란, 공기의 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시키고 이로부터 전기를 얻는 기술을 말한다. 즉, 풍력발전의 원리는 공기역학에 의해 날개처럼 생긴 로터(Rotor)가 돌아가면서 발생하는 기계적 운동에너지를 발전기를 통해 전기에너지로 변환하는 것이다.

전문가들은 풍력발전산업이 에너지산업 중 세계적으로 가장 빠르게 성장하고 있다고 평가하고 있다. 이러한 풍력발전의 급성장 요인은 ‘발전단가 하락’과 ‘기후변화 협약’이 대표적이다. 기술 발전으로 풍력발전 단가는 54유로/MWh까지 하락해 석탄화력 발전(60유로/MWh)보다 저렴한 수준에 도달했으며, 발전소 면적도 타 발전에 비해 현저히 적게 소요되는 등 제조 비용상 이점을 갖고 있다.

또한, 풍력발전은 바람을 에너지원으로 이용하는 기술로, 온실가스 배출이나 방사능 누출 등 환경오염 문제가 없고 국토의 효율적 이용이 가능하다. 지난 2005년 교토의정서가 공식 발효됨에 따라 선진 38개국과 EU 해당 국가는 2008년부터 2012년까지 전체 온실가스 배출량을 1990년보다 평균 5.2% 줄일 것을 의무화했다. 이에 따라 UN은 풍력발전에 의한 온실가스 감축실적 거래를 승인했다. 향후 풍력발전으로 얻어진 온실가스 감축실적은 탄소배출권 매매를 가능하게 해, 풍력발전의 경제성은 더욱 제고될 전망이다.

풍력발전기 시장은 2005년 140억달러에서 2006년 230억달러로 64.3% 성장했으며, 이는 2005년 이후 풍력발전 시장의 급성장에 따른 수요의 급증으로 공급부족이 발생, 풍력발전기 가격이 급상승한데 기인한다.

풍력발전기 시장은 덴마크, 독일, 미국 등 풍력발전산업이 발달한 선진국 상위 6개 업체에 의해 과점화 돼있다. 덴마크 Vestas, 미국 GE Wind, 독일 Enercon, 스페인 Gamesa, 독일 Siemens 등 상위 6개 업체가 전체 시장의 86%을 차지하고 있으며, 특히 덴마크의 Vestas가 2005년 기준 전세계 풍력발전설비 시장의 약 33%를 점유하면서 풍력발전시스템 시장을 선도하고 있다. 업계 전문가들은 설비의 공급부족과 가격상승은 2008년 이후까지 지속될 것으로 전망하고 있으며, 2010년 시장규모는 380~390억달러에 달할 것으로 예측하고 있다.

풍력발전 용량 기준으로는 독일, 스페인, 미국, 인도, 덴마크, 중국, 이탈리아, 영국, 포르투갈, 프랑스 등 상위 10개국이 6만3,218MW로 전체의 85.2%를 차지하고 있다.

대형화 해상 풍력기술 개발이 관건

풍력발전산업은 부품·기자재 부문, 발전기 부문, 설치·시공 부문, 발전서비스 부문 등의 구조로 이루어졌다.

부품·기자재 부문은 발전기 제작에 필요한 구성품 및 부품의 생산, 발전소 건립에 필요한 기자재를 생산하는 분야다. 발전기 부문은 발전기의 구성품을 조립해 발전기를 제작하는 것으로 가장 핵심적인 분야다. 설치·시공 부문은 발전소 건립을 위한 엔지니어링, 건설 등을 수행하는 분야이며, 발전서비스는 발전소를 운영·발전해 전력을 제공하는 부문이다.

현재 풍력발전 관련 세계적 선도 기업은 발전서비스 부문을 제외한 부품·기자재부터 발전기, 설치·시공까지의 전 부문을 대형화·통합화를 추진하는 추세다. 실제로 대부분의 기업은 발전기 제조업체로서 기본적으로 설치·시공 역량을 보유하고 있다.

최근 풍력발전과 관련한 주요 이슈는 대용량화와 해상 풍력기술 개발이다.

이에 따라, 세계 주요 업체들은 발전단가를 낮추기 위해 풍력발전기의 규모를 늘리는 데에 총력을 다하고 있다. 그 결과, 로터 직경이 124m인 5MW급 풍력발전기가 개발돼 테스트 중에 있으며, 발전효율을 높이기 위해 날개 재질이나 회전구조 등이 연구가 진행 중이다. 또한, 전세계 5개 국가 15개소에 총 600MW 정도 규모의 단지가 조성돼 있으나, 시스템 상용화에 성공한 나라는 덴마크 뿐이다. 덴마크는 2030년까지 해상 풍력으로 전력의 20%(4,000MW)를 생산한다는 목표를 세우고 있다.

아울러, 해상 풍력발전의 성장 가능성과 관련해 발전기 개발에 주력하고 있다. 해상 풍력발전은 최적조건의 입지 선정에 따른 효율적인 발전, 소음문제 해소 등의 측면에서 육상 풍력발전보다 유리하다는 평을 받고 있다.

베스타스社 발전기 한국시장 90% 점유

덴마크는 1980년대 처음으로 풍력발전을 도입한 이래 기술적으로나 부가가치 생산에 있어 놀라운 발전을 거듭해 세계 1위 ‘풍력대국’으로 성장했다. 덴마크 해안은 난기류의 영향이 적고 양질의 바람을 얻을 수 있는 지리적인 이점 때문에 오래 전부터 풍력발전 프로젝트에 대한 연구와 개발이 진행되고 있다.

덴마크 풍력 터빈산업은 2007년 현재 약 2만명을 고용하고 연간 55억유로를 판매하는 산업으로 성장했으며, 전세계 풍력 터빈의 절반을 공급하며 전세계 5천만명에게 전기를 공급하고 있다. 덴마크의 베스타스社는 전세계 풍력 터빈의 약 1/3(63개국 3만5천여기)을 공급하고 있으며, 한국에 설치된 풍력발전기의 90% 이상이 동사의 제품이다.

지난 2001년 덴마크에는 이미 6천기 이상의 풍력발전기가 설치돼 있었다. 총 발전용량은 2,500MW 정도였으나 풍력발전기를 대용량으로 교체하고 강한 풍력 발생지로 위치를 이동함에 따라, 2003년 이후에는 보다 작은 수의 풍력발전기로 3,000MW 이상의 전력 생산에 성공했다. 2006년에는 총 5천266개의 풍력 터빈이 설치돼 3,135MW의 전력을 생산했다.

특히, 세계 최대 해상 풍력발전단지는 덴마크의 호른스 레우(Horns Rev)에 자리잡고 있으며, 80여기의 2MW급 풍력발전기가 20㎢에 걸쳐 설치돼있다. 이 시설의 건설을 위해 투자된 비용은 약 3억3천만달러로, 이를 통해 얻을 수 있는 전력량은 160GWh, 15만 가구가쓸 수 있는 규모다. 덴마크 정부는 2030년까지 해상풍력 발전량을 4000MW로 늘리고 이를 통해 신재생에너지의 비중을 2025년까지 33%로 끌어올릴 계획이다. 이 해상 풍력발전단지 건설과 유지는 세계 1위의 풍력발전기 업체인 베스타스가 맡았으며 운영은 덴마크 전력회사가 담당하고 있다.

향후 덴마크 정부는 노후된 육상 풍력발전기를 교체하고, 신규 해상 풍력단지 조성을 지속적으로 추진할 계획이다. 2009년까지 북해 북방 14㎞ 인근에 호른스 레우 2차 해상 풍력발전단지를 조성하고, 2010년에는 니스테드(Nysted) 지역에도 해상 풍력발전단지가 조성될 예정이다.

아울러, 덴마크 정부는 풍력의 비중을 2025년까지 50%까지 끌어올리고, 2050년까지는 화석연료에너지를 아예 없앤다는 야심찬 계획을 갖고 있다.

지금까지 판매한 터빈용량 2만MW

이렇듯 덴마크가 ‘풍력대국’으로 성장한 데에는 베스타스의 힘이 절대적으로 작용했다. 베스타스는 설립 초기에는 일상용품과 농기구 등을 생산했으며, 1979년 처음으로 풍력발전의 가능성을 확신하고 풍력산업에서 활동적인 역할을 해온 업체다. 또한 고도의 기술로 풍력발전의 문제점을 해결해 온 주요한 생산자이기도 하다.

베스타스는 전기를 일으키기 위한 풍력발전 시스템의 R&D와 제조, 판매는 물론 철저한 A/S를 제공하고 있다. 베스타스가 처음 보급한 풍력 터빈은 55kW급으로 연간 217MWh의 전력을 생산했으며, 지금까지 판매한 터빈의 용량은 2만MW 이상으로 추산된다.

1990년 이래 해양 풍력발전기에 대한 기술 개발이 가속화돼 왔고 세계에서 가장 세금이 많기로 유명한 덴마크 정부도 지원과 투자를 아끼지 않고 있다. 풍력발전기 세계 시장 점유율 1위를 차지하는 덴마크의 베스타스는 최근 자국뿐만 아니라 풍력 발전이 가능한 아시아 태평양 지역 국가에 대한 진출을 서두르고 있다. 베스타스는 제주도 풍력발전기를 직접 공급하고 최근 설치된 대관령 풍력발전기에 대한 기술 제휴에 관여, 한국에도 이미 소개된 바 있다.

덴마크의 리소국립연구소(Riso National Laboratory)는 풍력발전 연구개발의 중심지로, 1978년 처음으로 테스트 스테이션을 설치했으며, 발전시설 설치 및 정부 보조금 신청에 전제조건이 되는 형식승인 작업을 주관하고 있다.

리소국립연구소는 이로부터 획득한 노하우를 전통적으로 우수한 역량을 확보한 기상학과 재료공학, 덴마크공대와 다른 대학의 유체역학 전문가들을 결집, 덴마크 풍덴마크 풍력발전산업의 기술서비스 기관으로 기능하고 있다.

리소국립연구소와 터빈생산업체들은 공동연구 개발프로젝트를 수행해 왔으며, 지난 2002년에는 덴마크 풍력발전 업계·리소국립연구소·덴마크공대·알보그(Aalborg)대학·DHI-Water & Environment가 공동으로 연구컨소시엄을 설립해 풍력터빈 분야에서의 산·학·연 협력 강화와 풍력에너지 기술개발에서 시너지 효과를 창출, 교육 및 훈련을 진행하고 있다.

아울러 덴마크 풍력발전산업은 최근 업체간 합병 등 큰 구조변동을 경험했다. 지난 1999년 당시 세계시장 점유율 1위의 NEG Micon의 A/S가 기어박스 결함으로 인한 납품기한 문제로 결정적인 타격을 입고 베스타스社에 1위 자리를 물려준 뒤, 2004년 베스타스社에 흡수됐다. 또한, Bonus Energy社 역시 2004년 독일 지멘스社에 인수됐다. 그러나 세계 최대의 베스타스社는 NEG Micon을 인수·합병함으로써 부동의 1위를 고수하고 있다.

신성장동력 ‘풍력발전’ 차세대 먹거리

한편, 풍력발전을 선도하는 덴마크에서도 풍력발전기가 소음을 유발하고 새들이 부딪혀 많이 죽는다는 등의 문제가 대두돼 논란을 빚었다.

이에 따라, 덴마크 정부와 기업이 나서 환경영향 평가를 실시한 결과, 발전기 이격 거리 200ｍ에서 소음은 50㏈ 이하로 환경 기준치를 넘지 않았다. 다만 발전기 근처에 거주하는 주민들의 경우, 최고 초당 70ｍ의 속도로 움직이는 날개의 영향이 있을 수 있다고 판단해 밤에는 가동률을 평소의 90% 수준으로 낮췄다. 또한, 새들은 도심 빌딩이나 달리는 승용차, 통신 안테나 등에 부딪혀 죽는 경우가 훨씬 많아 생태계 영향이 크지 않다는 결론이 나오기도 했다.

이밖에 풍력발전기를 제조하는 데에 초기 투자 비용이 수천억원대에 달해 일부 전문가들은 경제성에 의문을 제기하기도 했다. 이와 관련, 베스타스 관계자는 “풍력발전기는 수명이 최소 20년 이상이고 날개만 교체해 사용해도 되는 방식이기 때문에 초기 투자 비용을 제외하면 단가가 다른 에너지에 비해 높다고 볼 수 없다. 특히 환경적 문제로 인한 부대 비용을 감안하면 원가는 낮아진다”고 강조했다.

차세대 성장동력으로 주목받고 있는 풍력발전산업은 한국 산업계에 있어 차세대 ‘먹거리’로 떠오르고 있다. 풍력발전기의 부품을 생산하는 업체들은 국제적으로도 비교적 높은 경쟁력을 자랑하며 실적이 가파르게 상승하고 있고, 풍력발전기 완제품의 개발·생산 경쟁력도 높여가고 있다. 이에 따라 철강업체들도 발전기의 재료가되는 단조제품의 설비투자를 확대하는 등 산업 전 분야로 긍정적인 영향이 확산되고 있다. 또한, 현재 풍력발전단지에서 쓰이는 모든 외국산 발전기를 국산화하기 위해 주력하고 있다.

신재생 에너지를 이용해 온실가스 배출권을 확보해야 한다는 것은 전 세계가 당면한 과제로 2013년이 되면 풍력발전에너지는 화석에너지보다 더 저렴한 신재생 에너지원으로 각광받을 것으로 전망되고 있다. 부품분야에 뛰어난 기술을 갖고 있는 한국은 풍력발전산업을 조선산업을 잇는 차세대 성장동력으로서 많은 고용 창출과 더불어 경제 효익을 증대시켜야 할 필요가 있다.