선박해양기술팀 김호선 수석

  1. 기술 개요

국내 해상풍력 누적 운영용량은 탐라(30 MW, 3 MW × 10기), 서남해 실증단지(60 MW, 3 MW × 20기),
영광(34.5 MW, 2.3 MW × 15기) 등 약 125 MW 수준에 머물러 있으나, 현재 약 18.8 GW 규모의 프로젝트가
개발 단계에 있으며, 2030년 12 GW 준공을 국가 목표로 설정하고 있다.

최근 준공이 완료된 제주 한림(100MW, 5.56 MW × 18기) 등 차세대 단지는 최소 5 MW급 이상의 대형터빈을
채택하고 있으며, 15 MW급 이상 풍력발전기를 고려하는 프로젝트가 지속적으로 증가하고 있다. GWEC(2022)
기준 글로벌 하부구조 점유율은 모노파일이 76%로 높은 비중을 차지하고 있으나, 2023년 이후 터빈 대형화에
따른 자켓 수요가 본격적으로 증가할 것으로 전망된다. 실제 국내에서 개발 진행중인 고정식 해상풍력 프로젝트
를 살펴보면, 모노파일 구조를 채택한 단지는 단 1곳에 불과한 상황이다.

자켓 지지구조물 시공 공법은 크게 포스트파일링과 프리파일링으로 구분된다. 포스트파일링은 자켓을 해상에 

먼저 거치한 후 레그 내부에 파일을 항타하는 공법으로, 별도의 수중 템플릿이 불필요하나 해상 시공 기간이
길어져 대규모 단지에서 경제성이 낮다. 

프리파일링은 수중 템플릿으로 말뚝 위치를 선행 확보한 뒤 자켓을 안착시키는 공법으로, 해외에서는 다수의
활용 사례가 있으며, 공기 단축을 통해 대규모 단지의 경제성 확보가 가능하다. 그러나 국내 서남해역은 연약 점성토가 60 m 이상 분포하여 파일 기초를 60 m 이상 근입해야 하고,
고중량 프리파일링 템플릿(650톤급, 32 m × 32 m)의 지반 침하와 관련하여 높은 리스크를 가지고 있다.

본 연구과제는 이러한 문제점을 해소하기 위해 두 가지 새로운 공법을 제안하였다. Type 1(프리석션 공법)은
석션 기초에 그리퍼(Gripper), 그라우트(Grout)를 이용하여 자켓과 석션 기초를 결합한 구조로, 석션 기초와
자켓 구조물의 분리형 공법이다. Type 2(경량형 프리파일링 공법)는 데릭시스템(Derrick System) 기반 경량
템플릿을 적용하여 해외 고중량 템플릿 대비 약 50%의 중량을 절감하면서, 연약지반 침하 리스크를 저감하고
해상 설치 기간도 단축할 수 있는 공법이다.

연구 참여기관은 주관기관인 케이베츠와 공동기관인 한국선급, 현대스틸산업, 포스코이앤씨, 젠텍엔지니어링,
관수이앤씨, 명일잭업해양, 한국클램프, 고등기술연구원, 고려대학교, 공주대학교와 수요기관인 코오롱글로벌,
전남개발공사가 참여하고 있다.

  2. Type 1(프리석션 공법)

서남해역은 해저면 아래 60 m 이상에 걸쳐 연약 점성토가 분포하며, 기존 파일 기초 방식은 60m 이상 근입해야
하므로 상당히 높은 기초 비용과 긴 공사 기간이 소요되고 있다. 이러한 파일 기초의 단점을 보완하고자,공사 기간이
짧고 비용 절감이 가능한 석션 기초(Suction Bucket Foundation) 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다.
석션 기초는 내부를 펌핑하여 차압(Differential Pressure)과 자중으로 해저 지반에 관입하는 원리로, 항타
장비 없이 설치가 가능하며 소음·진동이 적어 환경 영향도 최소화할 수 있다. 실제 해외에서는 Borkum
Riffgrund 1(독일), Aberdeen Bay(영국) 등에서 석션 기초를 적용한 실증 사례가 보고되고 있다.

그러나 대형화(15 MW급 이상)되는 해상풍력발전기의 석션 기초와 자켓 구조물의 결합 중량이 크게 증가하면서
이를 일체로 시공할 수 있는 대형 설치선이 부족한 상황이며, 기초와 지지구조물의 분리 시공이 불가피하다.
본 공법에서는 석션 기초를 선관입시킨 뒤, 자켓 지지구조물 하부의 콘 실린더(Cone Cylinder)를 석션 기초
상부 캡처(Capture)에 안착·연결하고, 그리퍼를 이용해 임시 고정한 후 그라우트를 주입하여 영구 고정하는
방식이다. 석션 기초 자체가 말뚝 위치를 잡아주는 템플릿 역할을 겸하여 별도의 수중 템플릿이 불필요하며,
기초와 자켓을 분리 제작·운송할 수 있어 제작장 및 장비 소형화가 가능하고, 교량 통과 시 높이 제한 문제도
해소된다.

<프리석션-자켓 지지구조물 형상 및 그리퍼 시스템(케이베츠)>

  3. Type 2(경량형 프리파일링 공법)

앞서 언급한 바와 같이, 서남해역의 연약한 지반 조건으로 인하여 기존 유럽에서 사용한 2레이어 프리파일링
템플릿은 과도한 중량(650톤급)으로 인해 연약지반에서 침하를 유발하며, 이는 시공 정밀도 저하 및 공정
지연으로 이어질 수 있다.

이에 본 연구에서는 지반 침하를 방지하고자 1레이어 경량형 프리파일링 템플릿(기존 대비 약 50% 중량 감소)
을 제안하였다. 1레이어 구조의 한계를 보완하기 위해 데릭시스템(Derrick System)을 적용하여 정밀 계측이
가능한 윈치(Winch) 타입 구조를 채택하였으며, 소나(Sonar) 기반 수중 모니터링 시스템을 탑재하여 부유사
(浮遊砂)로 시야 확보가 어려운 환경에서도 수중 상황을 실시간으로 파악할 수 있다.

중량 절감을 통해 연약지반에서의 침하 문제를 크게 완화할 수 있으며, 데릭시스템의 정밀 제어 기능으로 말뚝
위치 정확도를 향상시켜 자켓 지지구조물의 시공성을 높이는 것이 핵심이다.

<경량형 프리파일링-자켓 시공 공법(현대스틸산업)>

  4. 향후 계획 및 한국선급 역할

본 연구과제는 1단계에서 Test Bed를 확정하고, 2단계에서 1/15 스케일 실증을 수행하는 것을 목표로 진행
하고 있다. 해상 설치 기간을 기존 대비 약 25% 단축하는 것을 정량 목표로 설정하고 있으며, 강도 향상 강재
적용을 통한 2~3.5% 중량 절감과 피로수명 향상 강재를 통한 추가 5~10% 중량 절감도 함께 추진하고 있다.

한국선급은 본 기술의 성공적인 수행을 위하여 해당 공법에 대한 AIP(Approval in Principle) 수행과 더불어,
리스크 평가 기반의 안전작업 지침 및 운송·설치 가이드라인을 개발하고 있다. AIP 승인을 통해 신공법의 타당
성을 사전 검증하고, 개발된 운송·설치 가이드라인은 향후 MWS(Marine Warranty Survey) 기준으로 활용하
여 수익 모델 다각화에 기여하고자 한다. 또한 해상풍력 공법의 안전작업 지침을 규칙이나 가이드라인 형태로
제도화함으로써 국내 해상풍력 시공 안전 인증 사업으로 발전시키고자 한다.

본 기술은 전량 해외에 의존하던 해상풍력 하부기초 시공 핵심기술의 국산화를 실현하고, 유사한 해저 지반
환경을 가진 해외 시장으로의 기술 수출 가능성을 열 것으로 기대된다.