| 초록 |
1. 서론 2016년 전체 EU 풍력발전 용량은 EU 전기 소비의 10.4%를 넘고 있으며, EU 국가의 풍력터빈의 전체 설치 수량은 약 77,000대이다. 2030년까지 EU의 재생에너지 비율은 27%까지, 2050년까지 온실가스 배출을 80~95%까지 줄이고자 하고 있다[1]. 국내 풍력산업[2]의 경우 최근 5년(2012~2016년) 동안 연평균 21.4% 증가하여 2016년 기준 1031MW 규모로 성장하였으며, 산업통상자원부(2014.9.19.) ‘제4차 신재생에너지 기본계획’에 의해 2025년까지 국내 전력발전량의 1.7%를 풍력발전으로 확대 공급할 전망이다. 또한 2017년 3월 신재생에너지 고정가격계약제도 시행으로 정부 주도의 사업에서 기업 및 금융기관 등의 투자 증가가 예상된다. 풍력발전시스템에서 공기 운동에너지를 기계적 회전 운동에너지로 전환하여 전기에너지를 발생시키는 블레이드는 풍력발전 시스템에서 중요한 요소이다. 항공기에 적용되는 블레이드에 비해 풍력터빈에 사용되는 블레이드는 대형 구조물이며 가혹한 자연환경에 노출이 된다. 따라서 풍력발전 성능에 직접적인 영향을 미치는 블레이드 상태에 대한 정기적인 검사는 필수적이다. 하지만 현재까지 현장에 설치된 블레이드 검사는 국내에서는 제대로 이루어지지 못하고 있는 실정이며 블레이드의 공장 출하 전 및 설치 운영 단계에서의 초음파검사 기법을 사용한 비파괴검사가 수행되고 있다[3]. 이로 인해 블레이드의 평균 사용 수명보다 빠른 시일에 손상이 발생하여 폐기될 수 있다. 풍력터빈은 성장 동력이 있지만 일반적인 수명이 20~25년이며 앞서 말한 바와 같이 현장에서 상태 점검이 어려우며, 대형 구조물의 노후 부품이나 모델에 대한 대체비용 증가 등의 부정적인 요소가 있다. 그리고 현재 국내에서는 풍력터빈 블레이드 재료 개발, 형상에 대한 공력 설계 등의 연구는 활발히 진행되고 있지만, 향후 발생하는 블레이드가 수명을 다한 뒤의 폐기물처리에 대해서는 논의가 없는 상태이다. 이에 본 보고서는 2012~2016년에 작성된 덴마크 혁신 컨소시움(GENVIND)[1]을 토대로 풍력터빈 블레이드의 재사용 및 다른 분야 적용에 대하여 논하며, Ellen MacArthur의 순환 경제 시스템 기법을 사용한 결과를 토대로 한다. 2. 본론 2.1. 풍력터빈 블레이드의 재질 및 형상 풍력터빈 블레이드는 일반적으로 복합체 구조를 사용하며 주요 파트(그림 1)에 사용되는 재질은 다음과 같다. ― 보강 섬유 : 유리, 탄소, 아라미드, 현무암 ― 폴리머 복합체 : 에폭시, 폴리에스테르, 비닐, 에스테르, PUR(polyurethane), 열플라스틱과 같은 열경화성 물질 ― 샌드위치 중추 : 발사 나무나 폼, PET(polyethylene terephthalate) ― 코팅 : PE(polyethylene), PIR ― 금속 : 구리 와이어, 강철 볼트 그림 1. 풍력터빈 블레이드의 물질 구성[1] 복합체는 주로 유리섬유 강화 폴리머(GFRP, glass fiber reinforced polymer)를 주로 사용하며 강화 섬유와 레진의 무게비는 6:4 또는 7:3 정도가 된다. GFRP는 저밀도 고장력을 띠고 피로도, 부식, 전기/열 전도에 대해 성능이 우수하며, 사용수명이 길며 저렴한 장점이 있다. 블레이드로부터 발생하는 폐기물은 수명이 다했을 때 가장 많은 비율로 발생하지만 초기 생산과 모델 제작 과정에서도 비교적 많은 폐기물(전체 블레이드 하중의 10~18%)이 발생한다. 블레이드 제작과 접합 공정 결함은 블레이드 하중 지지 저하를 유발하기 때문에 제작 공정의 신뢰도는 중요하다. 블레이드 복합 재료의 제작과 접합 공정에서의 제작 결함으로 층간 분리, 기공, 불완전한 경화, 복합 층간의 주름, 강화 섬유 결함, 접착 분리, 모재 균열 등의 결함이 주로 발생한다. 블레이드의 수명주기에서 발생하는 손상의 50% 이상은 제작상 결함으로 발생한다. 또한 블레이드 사용 중에는 이물질의 충돌, 낙뢰에 의한 손상, 블레이드 변형에 따른 타워와의 충돌, 블레이드 표면 침식 등으로 인한 블레이드 손상이 발생한다[4]. 블레이드에 사용되는 유리섬유는 독일 AVK&CCeV[5]에 따르면, 2015년에 유럽에서는 2.5%로 꾸준히 증가하고 있고 세계 생산량은 25%로 8년간 매우 높은 비율로 증가하고 있다. 유럽 생산량의 34%는 주로 풍력발전을 포함한 건설 분야에 사용되고 있다. 풍력터빈에 사용되는 GFRP는 12~15 t/MW으로, 2016년 유럽에서 풍력발전으로 생산되는 전력량은 12.5GW이고, 이때 사용된 GFRP 복합체는 150,000~186,000톤이 사용되었다. Albers[6]에 따르면, 이와 같은 추세라면 2020년에는 약 50,000톤, 2034년에는 200,000톤 이상의 블레이드 폐기물이 나올 것으로 예측하고 있다. 현재 GFRP 복합체의 재사용은 기술적 한계로 인해 15~20m 길이의 블레이드만 재사용되고 있다. Perry[7]는 1) 사용 가능한 재사용 기술, 2) 분해와 시장 접근성, 3) 재사용 가능한 물질과 선택이 재사용을 위한 3가지 요소라 하였다. 일반적으로 수명이 다한 브레이드는 매립이나 소각을 하였다. 매립의 경우 독일 등의 국가에서는 금지하고 있으며, 소각은 소각 후 60% 이상 재로 남지만 대기오염 등의 이유로 규제를 하고 있는 실정이다. 이에 매립과 소각의 대체 방법으로 재사용이 고려되고 있지만 재사용 운용의 비용, 재사용 물질을 위한 시장진입 등 경제적인 부분에 대한 이해 부족은 진입장벽으로 작용하고 있다. 복합 물질 1kg 생산에 111.88 MJ/kg이 소요되지만 재사용 물질을 사용할 경우 원재료를 사용하는 것보다 1/10의 에너지가 사용된다는 최근의 연구 자료는 재사용에 대한 경제적 가치를 제시하고 있다[8]. 블레이드의 재질 선택에 있어 경도의 최적화, 피로수명, 손상 회복 방법, 경량 물질, 극한 환경에서의 형상 디자인과 함께 지속적으로 재사용 가능한 물질 개발이 필요하다. 2.2. GENVIND 혁신 컨소시엄 GENVIND 컨소시엄[1]은 연구/혁신을 위한 덴마크의 국립기관에 의해 2012~2016년 동안 운영되었던 프로젝트이다. GENVIND는 폐기되는 블레이드를 다양한 형태로 재사용 및 다른 분야에서의 적용 방법에 대한 연구했었다. 특히 건축구조물, 소비 물품, 산업용 충전제 등 순환 경제 원리 기반에 초점을 두었다. 순환 경제는 기본적으로 생산품과 재질을 사용 가능한 최대 수명까지 유지하는 데 기본적으로 목표를 두는 것에 반해, GENVIND는 가능한 높은 품질로 형상 변경(재사용, 크기/형상 변경)과 재사용을 통해 다른 시스템에 재진입을 하는 데 초점을 두고 있다. 이때 사용되는 폐기물의 개념은 수명이 다한 품목뿐만 아니라 생산과정에서 발생하는 모든 폐기물을 포함하고 있다. 재사용은 블레이드의 수명주기 모니터링이나 피로도 테스트를 통해 블레이드를 재사용하는 방법으로, 가장 간단하지만 안정성이 필수적이다. 크기 및 형태 변환은 주로 풍력터빈 블레이드를 다른 분야에 적용하는 방법으로, 블레이드를 필요한 크기나 모양으로 가공하는 작업이 필요하다. 블레이드를 조각으로 나누는 방법은 다이아몬드가 묻은 와이어를 사용하는 와이어커팅이 있다. 와이어커팅은 와이어 길이에 따라 원하는 사이즈나 모양으로 자를 수 있고 절단 과정에서 분진과 소음만 발생하는 환경친화적인 방법이다. 와이어커팅의 단점은 절단에 시간이 많이 걸리며, 블레이드를 절단하는 동안 단단히 고정되어 있어야 한다. 원형톱을 사용하는 절단은 손에 쥘 수 있는 사이즈에서 수압을 사용하여 지름 2m 크기의 톱날로 대형 블레이드를 자를 수 있다. 하지만 와이어커팅에 비해 원형톱 커팅은 톱날 지름으로 인해 블레이드를 절단할 때는 몇 번에 나눠서 해야 하지만, 와이어커팅과 달리 모든 방향에 대해 독립적 절단이 가능하다. 또한 진공 흡입기나 물을 사용하여 절단 시 발생하는 분진을 줄일 수 있다. 단점은 작업 환경이 험하며 작업자의 안전문제가 발생할 수 있다는 것이다. 폐기되는 블레이드를 다른 분야에 적용하는 첫 사례는 다리이다. 덴마크 Aalborg 지역에 설치된 다리는 두 개의 블레이드를 사용하여 다리로 사용하였다. 블레이드를 다 |
