일본의 재생가능 에너지 개발 중에서 자원량과 비용저감의 가능성 때문에 주목을 받고 있는 해상풍력에너지에 관하여 추정되는 자원량과 산업규모, 세계적으로 전개되고 있는 부표식 풍차의 개발 경쟁에 관하여 소개한다.

재생가능 에너지의 개발은 지구온난화 문제 및 탈원자력에너지의 관점에서 유럽을 중심으로 추진되고 있지만, 2000년부터 석유가격의 급등을 배경으로 세계적으로도 가속화되기 시작했다.

일본에서는 에너지 자급률 향상의 관점에서 원자력에너지 개발이 추진되어 왔지만, 동일본 대지진에 의해 재해의 원인이 된 후쿠시마 원자력발전소의 사고에 의해 에너지정책의 수정이 요구되어 재생가능 에너지 이용의 기대가 높아지고 있다. 그 중에서도 발전비용이 비교적 낮고, 에너지 부존량이 큰 풍력발전이 주목받고 있다.

일본은 인구에 비해 국토 면적이 작고, 국토의 약 70%가 산지이며, 생산활동 및 거주 등의 토지이용이 평지에 집중되어 있는 특징을 가지고 있다. 때문에 육상 풍력발전의 대부분이 구릉지에 입지하는 등 풍황 및 설치면적 등의 점에서 대규모로 풍차를 전개하는 데 용이하지 않다.

한편, 해상의 경우 해안선이 길고 배타적 경제수역도 세계 제6위의 면적을 가지고 있어 해상풍력에너지의 자원량은 막대하다. 해상에서는 평균 풍속이 비교적 높아 풍황이 양호하다. 2000년부터 일본의 지리적 특성에 맞춘 해상풍차로서 부표식 해상풍차의 연구가 개시되어 있다.

기술과 경제성의 관점에서 개발 대상이라고 생각되는 연안지역에 한에서 일본의 풍력 공급력은 큰 잠재력을 가지고 있기 때문에 지역사회와 공존하여 경제성이 우수한 형태로 개발된다면 장래 상당히 유망한 에너지원이 될 것이다.

해상풍력에너지의 자원량은 과거 다양한 관점에서 추정되었다. 위성에 의한 관측 및 시뮬레이션 등에서 광역의 연평균 풍속 데이터를 구해 일정 풍속 이상의 해역에 관하여 육지로부터의 거리, 수심, 풍차 사이의 간섭 등의 조건을 고려하고 어업 및 자연공원 등 사회적인 조건을 고려하여 설치할 수 있는 풍차의 수를 산정함으로써 발전설비용량, 연간 발전량의 추정이 이루어지고 있다.

예를 들면, 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)에 의해 실시된 평가에서는 수심 0~200m, 육지로부터의 거리 0~30km, 연평균 풍속 7m/s 이상의 해역에 5MW 풍차를 2기/㎢의 밀도로 설치한 경우의 총발전설비 용량은 1,200GW이다. 일본의 총발전설비 용량 240GW와 비교하면 그 크기를 알 수 있다.

또한 자원량의 추정에서는 일본 주변 해역의 평균 풍속 6m/s 이상의 해역에 관하여 해역면적을 수심별로 산정하여 수심 200m보다 얕은 해역에 풍차 설치 밀도를 3.47MW/㎢로 배치한 경우 발전설비 용량은 570GW이다.

일본에서 해상풍력에너지 산업의 규모를 계산해 보면, 민주당 정권시대에 에너지환경회의에 제출된 재생가능 에너지의 도입 목표 3,000억 kWh의 10%를 해상풍력에너지로 공급하는 경우, 전력의 매출규모는 연간 6,000억 엔이다.

설비의 관점에서 보면, 설비 이용률을 40%로 하면, 5MW 풍차로 할 경우 1,712대가 필요하다. 풍차의 가동수명을 20년으로 하면, 매년 86대를 새롭게 설치할 필요가 있으며, 풍차의 설치를 포함한 초기 비용을 40만 엔/kW로 하면, 연간 1,720억 엔 정도의 투자가 지속적으로 필요하다.

세계 풍력발전의 누적 도입량은 과거 10년간 지속적으로 증가하고 있으며, 착저식(着底式) 해상풍차가 다수 설치되어 있다. 세계 전체 풍차의 총발전설비 용량에서 차지하는 해상풍차의 비율은 겨우 1.5%이지만, 대부분 유럽에 설치되어 있다.

특히 영국은 적극적으로 2020년까지 해상풍력발전의 설비용량을 40GW로 증가시키려는 큰 목표를 가지고 있다. 영국의 계획에서는 가장 해안에서 먼 곳이 약 300km 떨어진 곳이지만, 그래도 수심은 40m 정도이다.

한편, 부표식 해상풍차는 경쟁적으로 개발 중이다. 해안선에서 떨어질수록 급속하게 수심이 깊어지는 일본 및 동일한 해역을 가진 미국에서는 유럽에 비해 부표식 해상풍차에 대한 관심이 높다. 실증 실험에 관해서는 Blue H사가 2007년 12월에 남이탈리아의 수심 108m 해역에 80kW의 풍차를 탑재한 긴장계류형(緊張係留型) 부표식 해상풍차를 설치한 것이 세계 최초이다.

메가와트급의 실증실험에 관해서는 본격적인 부표식 풍차인 Hywind가 노르웨이에서 Statoil사에 의해 추진되고 있다. 부표식은 스퍼(spur)형으로 2.3MW 풍차를 수심 100m, 배수체적 5,300㎥의 스퍼형 부체 위에 탑재한 것이 북해에 설치되어 2009년부터 실증시험을 개시하고 있다. 처음 1년간의 가동결과로서 40%를 넘는 설비이용률이 보고되어 있다.

2011년은 특히 바람이 강한 해로 설비이용률은 50% 가까운 값을 기록하였다. 파고 19m, 풍속 40m/s의 악천후도 경험하였지만, 풍차의 기능에 특별한 문제는 없었고 큰 고장도 없이 가동하고 있다.

그리고 2011년 11월에는 Principal Power사에 의해 2.0MW 풍차를 탑재한 세미서브형 부표식 풍차 WindFloat가 포르투갈 연안에 설치되어 실증실험에 착수하였다. 한편 일본에서도 환경성이 나가사키현 고토열도에서 부표식 풍차의 실증시험을 개시했으며, 2013년 여름에 2.0MW의 스퍼형 부표식 풍차를 설치할 예정이다.

경제산업성은 후쿠시마현 연안에서 합계 출력 16.0MW의 윈드팜(wind farm)의 실증실험을 추진하고 있다. 세계 최초의 부표식 해상풍차에 의한 윈드팜으로 세계의 주목을 받고 있다.

부표식 해상풍차의 개발은 풍차-부표-계류계의 연성응답(連成?答)이 본질적으로 중요하여 해석 프로그램의 개발이 경쟁적으로 이루어지고 있다. 또한 부표식 풍차의 실용화에 관해서는 안전기준 및 설계 가이드라인의 정비가 필요하며, 각국에서 작성이 추진되고 있으며, 이것을 배경으로 IEC(국제전기표준회의)에서 국제규격 제정이 시작되고 있다.

IEC의 국제 규격 제정에서는 부표식 풍차의 실현을 목표로 연구 및 실증실험을 계획, 실시하고 있으며, 일본, 미국, 독일, 노르웨이가 큰 발원권을 가지고 의견을 제출하고 있다.

 

わが国における再生可能エネルギー開発の中で、資源量とコスト低減の可能性から注目を集めている洋上風力エネルギーについて、推定される資源量と想定される産業規模、世界的に展開されている浮体式風車の開発競争について紹介する。

再生可能エネルギーの開発は、地球温暖化問題および脱原子力エネルギーの観点からヨーロッパにおいて取り組まれてきたが、2000年頃からの石油価格の高騰を背景として世界的に加速し始めた。わが国ではエネルギー自給率向上の観点から永らく原子力エネルギー開発が推進されてきたが、東日本大震災に起因する福島原子力発電所の事故により、エネルギー政策は見直しを迫られており、再生可能エネルギー利用の期待が高まっている。中でも、発電コストが比較的低く、エネルギー賦存量も大きい風力発電には注目が集まっている。
わが国は人口に比べて国土面積が小さく、その上、国土の約70%が山地であり、生産活動や居住などの土地利用が平地に集中しているという特徴を有している。このため、陸上の風力発電のかなりの部分が丘陵地に立地するなど、風況や設置面積などの点で大規模に風車を展開するのは容易ではない。一方、洋上に目を向けると海岸線は長く、排他的経済水域も世界第6位の面積を有しており、洋上風力エネルギーの資源量は膨大である。洋上では、平均風速は比較的高く、乱れも小さいなど風況は良好である。2000年頃からは、わが国の地理的特性に合った洋上風車として浮体式洋上風車の研究が開始されている。
技術と経済性の観点から当面開発の対象と考えられている沿岸域に限っても、わが国の電力供給において、大きな部分を占める潜在能力を持っていることが明らかになっており、地域社会と共存でき、経済性に優れた形で開発できれば、将来にわたってその恩恵は計り知れない。

 

 

洋上風力エネルギーの資源量については、過去様々な観点から推定が行われている。衛星による観測やシミュレーションなどから、広域の年平均風速データを求め、一定風速以上の海域について、離岸距離、水深、風車間の干渉などの条件に加えて、漁業や自然公園など社会的条件を加味して、設置できる風車の基数を算定して、発電設備容量、年間発電電力量の推定が行なわれている。

例えば、（独）新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）により実施された評価では、水深0～200m、離岸距離0～30kmで、年平均風速7m/s以上の海域に5MW風車を2基/km²の密度で設置した場合の総発電設備容量は1,200GWとなっている。わが国の総発電設備容量240GWに比べてその大きさがわかる。また、著者らによる資源量推定では、日本周辺海域の平均風速6m/s以上の海域について、海域面積を水深ごとに算定し、水深200m以浅の海域について、風車設置密度を3.47MW/km²で配置した場合の発電設備容量は570GWとなっている。

わが国における洋上風力エネルギー産業の規模を概算してみる。民主党政権時代にエネルギー・環境会議において出された再生可能エネルギーの導入目標3,000億kWhの10％を洋上風力エネルギーで賄うとした場合、電力の売り上げ規模は概算で年間6,000億円である。設備の観点からみると、設備利用率を40％とすると、5MW風車にして1,712基が必要となる。風車の稼働寿命を20年とすると毎年86基を新たに設置する必要があり、仮に風車の設置も含めた初期コストを40万円/kWとすると、年間1,720億円程度の投資が継続的に必要となる。

 

 

世界の風力発電の累積導入量は、過去十年間着実に伸びており、着底式洋上風車が多数設置されている。世界全体の風車の総発電設備容量に占める洋上風車の割合はわずか1.5％であるが、そのほぼすべてがヨーロッパに設置されている。この分野におけるヨーロッパのリードは盤石なものがある。

 

特に英国は積極的で、2020年までに洋上風力発電の設備容量を40GWに引き上げるという大きな目標を掲げている。英国の計画では、最も岸から遠いところで約300kmにも達するが、それでも水深は40m程度である。

一方、浮体式洋上風車は開発競争の中にある。岸から離れるにしたがって急速に水深を増すわが国や、同様の海域を有する米国では、ヨーロッパに比べて浮体式洋上風車に対する関心が高い。実証実験に関してはBlue H社が2007年12月に南イタリアの水深108mの海域に、80kWの風車を搭載した緊張係留型浮体式洋上風車を設置したのが世界初である。メガワットクラスの実証実験に関しては、本格的な浮体式風車であるHywindがノルウェーにおいて、Statoil社により進められている。

 

浮体形式はスパー型であり、2.3MW風車を喫水100ｍ、排水体積5,300m³のスパー型浮体の上に搭載したものが北海に設置され、2009年から実証実験を開始している。最初の1年間の稼動結果として、40%を超える設備利用率が報告されている。2011年は特に風の強い年であり、設備利用率は50％近い値を記録している。

 

波高19m、風速40m/sの荒天も経験したが、風車の機能に特に問題は無く、また大きな故障も無く稼働しているとのことである。さらに、これに続いて、2011年11月には、Principal Power社により2.0MW風車を搭載したセミサブ型浮体式風車WindFloatがポルトガル沖に設置され、実証実験に入っている。

 

一方、我が国においても、環境省が長崎県五島列島で浮体式風車の実証実験を開始しており、2013年夏に2.0MWのスパー型浮体式風車を設置する予定である。経済産業省は、福島県沖で合計出力16.0MWのウインドファームの実証実験を進めている。世界初の浮体式洋上風車によるウインドファームとして世界的に注目を集めている。

浮体式洋上風車の開発にあたっては、風車－浮体－係留系の連成応答が本質的に重要であり、解析プログラムの開発が国際競争の下で行われている。また、浮体式風車の実用化に当たっては、安全基準や設計ガイドラインの整備が必要であり、各国において作成が進められており、これを背景としてIEC（国際電気標準会議）において国際規格作りが開始されている。IECの国際規格作りの場では、浮体式風車の実現を目指して研究や実証実験を計画・実施しつつある、日本、米国、ドイツ、ノルウェーが大きな発言力をもって意見を戦わせている。（了）