풍력발전 신뢰성·안정성 확보 위해 ESS 절대적 필요

한국과학기술정보연구원(KISTI)은 최근 고경력 과학기술인 활용체계 ‘ReSEAT 프로그램’을 통해 분석한 자료를 내놨다. ‘Renewable and Sustainable Energy Reviews’(저자 Md Maruf Hossain, Mohd. Hasan Ali) 서적에 게재된 ‘풍력터빈 발전 시스템의 미래 연구방향’ 자료를 분석한 나덕주 KISTI 전문연구위원은 “지난 10년 동안 미국과 유럽에서 풍력발전이 매년 20~30% 성장했다”고 밝혔다.

나덕주 위원은 또 “미국은 2030년에 총 전기의 20%를 풍력에서 조달할 계획”이라며 “유럽은 2030년까지 400GW의 풍력전력을 생산할 예정”이라고 밝혔다.

특히 풍력발전 전기품질 보장과 함께 풍력발전의 신뢰성·안정성을 보장하기 위해서는 에너지저장시스템(ESS)이 절대적으로 필요하다고 제언했다. (자료제공 : 한국과학기술정보연구원, 출처 : Renewable and Sustainable Energy Reviews(저자 Md Maruf Hossain, Mohd. Hasan Ali))

나덕주 위원, ‘풍력터빈 발전 시스템의 미래 연구방향’ 분석
“지난 10년간 미국·유럽서 풍력발전 매년 20~30% 성장”  

DC발전기, 풍력에너지 변환시스템에 부적합

나덕주 위원은 풍력에너지 변환시스템(WECS)이 고정속도 및 가변속도 운전시스템 2종류가 있다고 설명했다.

이어 “WECS에서는 풍력터빈과 발전기를 기어박스로 연결하는데 이 기어박스는 가격도 비싸고 진동과 소음을 발생시켜 비틀림 진동을 야기한다”며 “결국 전력 품질을 왜곡한다”고 밝혔다.

이와 관련해 DC발전기는 낮은 정격에 비해 정비와 비용이 많이 소요되므로 풍력에너지 변환시스템에 부적합하다고 덧붙였다.

한편 전력전자의 발전에 의해 풍력발전시스템 신뢰성과 전기 품질이 높아지고, 효과적인 제어로 풍력 전력의 생산성을 증대시킬 수 있다는 의견도 개진됐다.

나덕주 위원은 “가변속도 WECS에서는 전력전자 변환기가 가장 중요하다”며 “전력전자장치를 추가하면 가격은 높아지지만 기계적 응력을 흡수하기 위한 구조의 비용을 줄일 수 있고 기어박스를 사용하지 않아도 된다”고 설명했다.

또한 “WECS에서 완전 전력전자 변환 방식의 풍력발전은 가장 매력적인 해법”이라고 제시했다.

나덕주 위원에 따르면 동기발전기를 사용하는 시스템은 유도발전기를 사용하는 시스템에 비해 더 많은 결함을 발생시키는 것으로 나타났다. 아울러 풍력터빈 고장의 절반은 전기 부품과 제어시스템의 결함 때문에 발생하는 것으로 알려졌다.

나덕주 위원은 “영구자석 동기발전기는 미래 풍력산업에서 무한한 가능성을 갖고 있기 때문에 효율적이고 신뢰성 있는 저가의 전력전자 설계는 미래의 중요한 연구 과제”라고 밝혔다.

풍량·풍속의 간헐적 특성으로 풍력 발전 일정치 않아

ESS는 과다 생산된 에너지를 저장했다가 전력생산이 부족할 경우 수요자에게 에너지를 공급하는 특징이 있다.

나덕주 위원은 “풍량과 풍속의 간헐적 특성에 기인해 풍력 전기 생산이 일정치 않기 때문에 WECS의 신뢰성을 확보하기 위해서는 ESS가 반드시 필요하다”고 강조했다.

이어 “미래의 풍력발전시스템은 바람의 특성이 어떻게 바뀌어도 신뢰성 있고 지속적인 전력을 공급할 수 있도록 설계돼야 한다”고 밝혔다.

다만 이는 전력망에 연결된 풍력발전기를 ESS와 결합함으로써 가능하다고 내다봤다.

나덕주 위원은 “풍력 발전에 적합한 ESS를 선정하기 위해서는 ESS의 비용, 수명은 물론 적절한 크기와 스마트 제어기법에 대한 연구가 수반돼야 한다”고 말했다.

크기·중량 줄일 수 있는 풍력터빈 설계기술 연구돼야

향후 풍력에너지시스템의 가장 도전적인 과제로 나덕주 위원은 전체 시스템을 신뢰성 있게 운전하는데 필요한 총 비용을 최소로 줄이는 것을 꼽았다.

또한 크기와 중량을 줄일 수 있는 풍력터빈 설계기술에 집중적인 연구가 필요하며, 강하지 않은 바람에서도 풍력발전을 할 수 있는 기술향상을 위해 도전해야 한다고 주문했다.

나덕주 위원은 “스마트그리드에는 여러 종류의 발전자원이 관련되기 때문에 신뢰성·안정성·지속가능성의 평가지수를 찾아내는 것도 흥미 있는 연구분야 중 하나”라고 설명했다.

한편 향후에는 전력망 운영 관점에서 풍력단지와 ESS를 운영할 수 있는 풍력단지 최적 감시제어를 개발하는 것이 미래 희망적인 연구분야라고 예상했다.