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- 로터의 회전으로 인해 공기가 소용돌이치기 때문에 풍력 발전 단지 뒤에서 난기류 발생
- 풍력 발전소 뒤의 플랑크톤 조류 성장은 최대 10%까지 감소
- 높은 풍력 터빈 갖춘 풍력 발전소는 작은 풍력 터빈보다 공기 흐름을 덜 방해
- 다양한 파괴 효과는 15MW 풍력 터빈으로 전환해도 약 1%만 감소

해상풍력발전단지는 높이를 키워야 하나?
더 큰 풍력 터빈이 작은 풍력 터빈보다 나은 이유

컴퓨터 모델에서 알 수 있듯이 북해 해상 풍력 발전 단지에서 현대식 대형 풍력 터빈은 소형 시스템보다 파괴적인 부작용이 다소 덜할 수 있다. 따라서, 더 높고 더 멀리 떨어져 있는 풍력 터빈은 해수면과 인근 풍력 발전 단지에 미치는 영향이 적다. 그러나 풍력 터빈의 더 높은 설계가 실제로 공기와 해류를 얼마나 변화시키는가? 

▲ 풍력 터빈은 점점 더 높아지고 강력해지고 있다

에너지 전환의 일환으로 유럽연합(EU)은 북해 해상풍력단지를 대대적으로 확장하고 있다. 전기를 생산하는 데 사용되는 풍력 터빈은 점점 더 높아지고 강력해지고 있다. 지난 20년 동안 전력 생산량은 2MW(메가와트)에서 약 15MW로 증가했다. 건설 기술의 추가적인 발전 덕분에 몇 년 안에 풍력 터빈당 20MW에 도달할 것이다.

현재 유럽 해역에는 총 출력 28GW(28,000MW)의 풍력 터빈이 있다. EU 계획에 따르면 2030년까지 60기가와트, 2050년에는 300기가와트까지 증가해야 한다.

해상풍력발전소의 어두운 면

그러나 더 많은 풍력 터빈에는 바람직하지 않은 부작용도 있다. 로터의 회전으로 인해 공기가 소용돌이치기 때문에 풍력 발전 단지 뒤에서 난기류가 발생한다. 또한 풍속도 더 낮다. 다른 풍력 발전소 뒤에 위치한 풍력 발전소의 경우 이는 더 낮은 전력 생산량을 의미한다. 따라서 서로 다른 시스템은 서로 속도를 늦출 수 있다.

풍력 터빈은 해양 생물에도 영향을 미친다. 예를 들어, 돌고래와 기타 바다 생물의 출현과 행동이 변화하고 있다. 이전 연구에 따르면 풍력 발전소 뒤의 플랑크톤 조류 성장은 최대 10%까지 감소한다. 그 원인은 풍력 터빈 뒤의 변화된 공기 움직임으로 인해 해수면의 물 움직임도 혼란스럽다.

풍력 터빈이 높을수록 더 적합할까?

Helmholtz Center Hereon의 Naveed Akthar가 이끄는 연구팀은 이제 해상 풍력 에너지의 향후 확장에서 이러한 영향을 피할 수 있는 방법을 조사했다. 기후 연구자들은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 대형 15MW 터빈을 갖춘 풍력 발전 단지가 해수면과 인근 풍력 발전 단지 모두 주변 환경에 어떤 영향을 미치는지 분석했다. 이 시스템의 마스트 높이는 150m이고 로터 직경은 240m이다.

▲ (a) 풍속 및 (b) 2008~2009년 기간 동안 풍력 발전소 지역의 난류 운동 에너지에 대한 CCLM_WF15, CCLM_WF5, CCLM의 평균 수직 프로필. 실선 원은 모델의 주요 레벨(a) 또는 절반 레벨(b)을 나타낸다. 회색 실선(빨간색 선)은 터빈의 허브 높이 90m(150m)를 나타낸다, 회색 점선(빨간색) 선은 27m(30m)의 로터 하단 팁과 로터 상단 팁을 나타낸다. 5MW(15MW) 터빈의 경우 153m(270m)이다. (출처: 관련논문 Open access Published: 19 March 2024 Larger wind turbines as a solution to reduce environmental impacts

Akthar와 그의 동료들은 이러한 풍력 터빈의 효과를 훨씬 작은 5MW 터빈만 포함하는 기존 풍력 발전소의 효과와 비교했다. 마스트의 높이는 90m이고 로터 직경은 126m에 불과하다. 그러나 이러한 풍력 터빈은 대형 시스템보다 더 가까이 위치해 있다. EU 규정에 따르면 바다 1평방킬로미터당 바람으로 생산할 수 있는 전기의 양은 제한되어 있다. 기후 연구자들은 계산에서 이러한 한계를 고려하여 각각 평방 킬로미터당 9기가와트의 필드만 비교했다.

팀의 모델 시뮬레이션은 북해 전체를 다루었다. “풍력발전소는 60~70㎞에 달하는 장거리 효과가 있다. 이 모든 것을 이해하려면 북해 전체를 주시해야 한다”고 Akhtar는 설명한다.

미래 풍력 발전 단지에 긍정적인 영향

시뮬레이션 결과는 다음과 같다. 수면의 바람장은 5MW 시스템보다 15MW 시스템을 갖춘 풍력 발전 단지에서 덜 변화한다. 대형 터빈은 밀도가 낮고 높이가 높아 로터가 소형 터빈만큼 해수면에 가깝지 않다. 따라서 몇 개의 높은 풍력 터빈을 갖춘 풍력 발전소는 팀이 결정한 대로 많은 작은 풍력 터빈보다 공기 흐름을 덜 방해한다. 제동 효과와 난기류는 약간 적다.

설계 및 건축 규정으로 인해 미래를 위해 계획된 풍력 발전 단지는 이미 지금까지 관찰된 파괴 효과를 줄이는 특성을 갖추고 있다. 키가 큰 풍력 터빈은 소형 풍력 터빈보다 주변 해양 서식지와 인근 풍력 발전 단지에 미치는 영향이 적다.

북해에 대한 좋은 전망은?

Akhtar는 “해양 환경에 관한 한 이는 유럽 해역의 해상 풍력 에너지 개발에 좋은 소식이다”고 말했다. 더 큰 시스템은 전력 생산자에게도 이점이 된다. Akhtar는 "대체로 이는 풍력 발전소의 전기 생산량을 2~3% 증가시킬 수 있디"고 말했다. 그러나 모델 계산에서 알 수 있듯이 다양한 파괴 효과는 15MW 풍력 터빈으로 전환해도 약 1%만 감소한다.

컴퓨터 모델에는 서로 다른 가정이 포함되어 있으므로 현실도 다소 다를 수 있다. 더 큰 풍력 터빈을 건설하는 것이 실제로 얼마나 유익한지는 미래의 풍력 발전 단지에서 실제 측정된 값을 통해서만 분명해질 것이다.
(Scientific Reports, 2024; doi: 10.1038/s41598-024-56731-w)
출처: Helmholtz Center Hereon

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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