홀더의 지속 가능한 해상풍력 설치 접근법
성공적인 유동 해석을 위한 케이던스의 CFD 기술
해상풍력 산업은 현대 사회의 에너지 위기를 해결하기 위한 대안으로 꼽히지만 복합적인 설치, 운영, 그리고 유지보수상의 다양한 과제에 직면해 있다.
이번 호에서는 피델리티 CFD(Fidelity CFD) 플랫폼 내의 피델리티 파인 마린(Fidelity Fine Marine)을 활용하여 홀더(Houlder)가 이러한 과제 중 일부를 해결하는 포괄적인 접근법을 어떻게 구현하고 있는지 살펴본다. 또한 해양 파력에 대한 모노파일의 내구성을 주제로 한 사례 연구를 통해 홀더의 전문성을 조명한다.
■ 자료 제공 : 나인플러스IT, www.vifs.co.kr
해상풍력 에너지는 현대 사회가 직면한 에너지 위기를 해결하기 위한 핵심적인 대안으로 평가된다. 해상에서 발생하는 강력하고 지속적인 바람을 효율적으로 활용함으로써, 보다 청정하고 환경적으로 지속 가능한 미래를 구현할 수 있다. 2023년 기준 전 세계 해상풍력 발전 설비 용량은 약 75기가와트(GW)에 이르며, 2030년에는 200기가와트를 상회할 것으로 전망된다. 이러한 괄목할 만한 성장은 해상풍력 산업이 기후변화 대응에 기여할 수 있는 막대한 잠재력과 함께, 메가와트시(MWh)당 약 40달러 수준의 발전 단가로 기존 화석연료 기반 에너지원보다 우수한 경제성을 지니고 있음을 보여준다.
그 잠재력에도 불구하고, 해상풍력 산업은 복합적인 설치, 운영, 그리고 유지보수상의 다양한 과제에 직면해 있다. 유한요소해석(FEA)과 전산유체역학(CFD)을 비롯한 첨단 전산지원공학(CAE) 도구를 활용하면 이러한 문제를 완화하고, 해상풍력을 주요 에너지원으로 채택하는 과정을 가속화할 수 있다.
홀더에 대하여
홀더는 그 역사가 1800년대까지 거슬러 올라가는 다학제적(多學際的) 해양 전문 기업이다. 이 회사는 해양 기술 분야에서의 엔지니어링, 설계, 그리고 혁신 역량으로 알려져 있다. 홀더는 전 세계 해운 산업의 탈탄소화를 선도하는 최적의 파트너가 되는 것을 목표로 하고 있다.
홀더의 핵심 운영 부문 중 하나는 선박 분석 팀(Vessel Analysis Team)이다. 이 팀은 계측된 해상 시운전(instrumented sea trials) 및 컴퓨터 시뮬레이션과 같은 첨단 기법을 활용하여 선박의 설계와 성능을 개발 및 최적화한다. 이들의 연구는 에너지 절감 장치나 풍력 보조 추진 기술(wind-assist technologies)과 같은 설루션의 개념 설계 및 성능 평가를 지원하며, 해양 산업의 지속가능성 향상에 기여하고 있다.
해상풍력 설치의 현재 과제
해상풍력 터빈의 설계와 설치는 복잡한 구조적 과제를 수반한다. 터빈은 극한의 기상 조건을 견딜 수 있도록 설계되어야 하며, 그 핵심은 기초(foundation) 설계에 있다. 해저 지반 조건과 수심에 따라 모노파일(monopile), 중력식(gravity base), 트라이포드(tripod) 등 적절한 기초 형식을 신중히 선택해야 하며, 이는 측면 하중(lateral forces)과 퇴적물 이동(sediment movement)에 대한 안정성을 확보하기 위한 필수 과정이다.
또한 파랑(wave action)과 해류(ocean currents) 같은 유체역학적 힘(hydrodynamic forces)을 이해하는 것은 기초 구조의 건전성을 유지하는 데 필수이다. 염수 부식(saltwater corrosion) 문제 역시 중요하며, 부식 분석(corrosion analysis)을 통해 취약점을 파악하고 보호 대책을 마련함으로써 구조물의 수명을 연장할 수 있다.
한편, 해저 케이블(subsea cable)의 설치와 관리도 또 다른 주요 과제이다. 케이블은 설치 과정에서 손상되지 않도록 신중히 취급하고 매설해야 하며, 악천후 속에서 유지보수를 위해 터빈에 접근하는 일 또한 큰 운영상의 어려움을 가져올 수 있다. 이러한 요소를 효과적으로 조율하는 것이 해상풍력 터빈의 성공적인 설치와 운영의 핵심이다.
해상풍력 설치 과제 해결을 위한 CFD 및 FEA 도구
CFD와 FEA 도구는 해상풍력 설치와 관련된 다양한 기술적 과제를 해결하는 데 점점 더 널리 활용되고 있다.
FEA는 특히 모노파일이나 재킷(jacket) 등 기초 구조물 설계에서의 응력(stress)과 변형(deformation)을 시뮬레이션하는 데 유용하다. 이를 통해 엔지니어는 파랑과 해류의 영향을 평가하고, 응력 집중 영역을 식별하며, 재료 선정과 보호 코팅과 같은 설계 결정을 보다 정교하게 내릴 수 있다.
CFD는 변화하는 해양 조건에서의 케이블 성능을 이해하는 데 중요한 역할을 한다. 이를 통해 설치 계획 및 터빈 유지보수용 선박 설계를 최적화할 수 있다. 또한 CFD는 퇴적물 확산(sediment dispersion)과 수질 변화(water quality change)를 모델링함으로써, 환경 영향을 최소화하기 위한 전략 수립에도 기여한다. CFD와 FEA를 효과적으로 병행 활용함으로써 해상풍력 산업은 설치 안전성과 효율을 크게 향상시킬 수 있으며, 보다 지속가능한 풍력 에너지 활용 방안을 마련할 수 있다.
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작성일 : 2026-05-06