[논문]해상풍력발전 버켓기초공법의 경제성 평가

오명학; 권오순; 김근수; 장인성

doi:10.5762/kais.2012.13.4.1908

초록
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풍력발전기의 용량이 점차 대형화되고 해상풍력단지는 수심이 깊은 곳에 조성됨에 따라 해상풍력발전구조물의 하부구조 및 기초시공비용 또한 급격히 증가될 것으로 예상된다. 석션버켓기초는 버켓형식의 기초를 자중에 의한 관입과 자중관입 이후 석션에 의한 관입으로 설치하는 공법이며, 대형장비 대신 충분한 용량의 펌프만 있으면 기초의 시공이 가능하므로 시공이 간편하고 경제적인 공법으로 알려져 있다. 본 연구에서는 석션버켓기초의 경제성을 검토하기 위하여 상부지반이 사질지반과 연약지반인 경우일 때 대수심 조건에 적용 가능한 기초형식인 자켓과 석션버켓기초를 적용한 트라이포드의 시공비용을 비교하였다. 그 결과 지반이 단단하고, 기초개수가 증가할수록 자켓형식보다는 트라이포드 버켓기초형식을 적용하는 것이 더 경제적임을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the turbine capacity and the water depth of wind farms are increasing, the construction cost of substructures and foundations for offshore wind turbines is expected to increase. Since the installation of suction bucket foundation is achieved by both self-weight and applied suction, the constructi...

As the turbine capacity and the water depth of wind farms are increasing, the construction cost of substructures and foundations for offshore wind turbines is expected to increase. Since the installation of suction bucket foundation is achieved by both self-weight and applied suction, the construction generally does not require heavy equipment for penetration. This study provides an economic analysis on the tripod which have the bucket foundations and compares that the jacket foundation at 50m water depth on sand layer or soft layer. As the strength of the soil and the number of the foundation is increasing, the construction cost of the tripod with the bucket foundations is more economically feasible than the jacket foundation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 대수심 조건에 적용 가능한 기초형식 중에서 버켓기초가 적용된 트라이포드 형식의 기초와 자켓기초의 경제성을 비교하였다.
본 연구에서는 대수심 조건에 적용 가능한 기초형식인 자켓기초와 석션버켓기초가 적용된 트라이포드를 두 종류의 지반에 설치할 때의 개략 시공비용을 산출하여 비교하였다. 기초개수가 증가함에 따라 자켓과 트라이포드 버켓기초의 1기당 시공비는 감소하며 20기 이상이면 일정한 값에 수렴하는 경향을 보였다.
본 연구의 목적은 50m의 수심에서 해상풍력발전구조물의 기초형식에 따라 필요한 개략적인 사업비를 검토하는 것이다. 검토에 사용한 기초형식은 두 종류인데, 첫 번째는 그동안 대수심에서 적용되어온 일반적인 자켓형식이고, 두 번째는 최근 국 · 내외에서 관심을 받고 있는 석션버켓기초를 적용한 트라이포드형식이다.

제안 방법

검토에 사용한 기초형식은 두 종류인데, 첫 번째는 그동안 대수심에서 적용되어온 일반적인 자켓형식이고, 두 번째는 최근 국 · 내외에서 관심을 받고 있는 석션버켓기초를 적용한 트라이포드형식이다.
지반조건은 상부지반이 사질층일 때와 연약층일 때로 구분하였다. 사질층과 연약층에 대한 지반조건은 서해안 위도지역과 남해안 통영지역의 지반조사결과를 토대로 근사적으로 단순화시킨 후 사용하였고, 그 값들은 표 1과 2에 정리하였다.
수심 50m 조건에서는 모노포드 형식의 하부구조가 적용되기 어렵기 때문에 트라이포드 형식의 하부구조에 버켓기초를 적용하는 것으로 설계하였다. 트라이포드 버켓기초형식은 폭-길이비가 1에 가깝기 때문에 얕은기초로 분류할 수 있으므로, 트라이포드 버켓기초형식의 안정성 검토를 얕은기초에 대해 검토하는 방법에 따라 수행하였다.
자켓형식은 단면결정 후, 부재의 응력검토 방법은 자켓 구조물의 특성을 고려할 수 있어 일반적으로 사용되고 있는 API RP 2A-WSD code를 이용하였다. 이 방법에 따라 각 부재의 축방향인장응력과 압축응력, 휨인장응력, 전단응력을 검토하였으며, 모든 부재의 최대응력비가 허용응력비인 0.95이하인 것을 확인하여 단면을 확정하였다.
지반조건은 상부지반이 사질층일 때와 연약층일 때로 구분하였다. 사질층과 연약층에 대한 지반조건은 서해안 위도지역과 남해안 통영지역의 지반조사결과를 토대로 근사적으로 단순화시킨 후 사용하였고, 그 값들은 표 1과 2에 정리하였다.

대상 데이터

Aalborg 대학, MBD Offshore Power 그리고 Dong Energy는 프로토타입 석션버켓기초를 2009년 3월 Horns Rev II에 설치하여 기상관측에 활용하고 있다. 이 석션버켓기초는 직경 12m, 길이 6m, 무게는 165ton이며, 수심 15m에 수직각을 0.1도 이내로 유지하면서 설치되었다.

이론/모형

구조물에 작용하는 터빈의 하중조건은 터빈용량 및 제조업체에 따라 다르다. 이에 본 연구에서는 스웨덴 남부의 해상풍력단지인 Kriegers Flak Ⅱ 설계에 사용된 5MW 급 터빈의 하중조건을 참고하였으며 표 3에 정리하였다[9].
자켓형식은 단면결정 후, 부재의 응력검토 방법은 자켓 구조물의 특성을 고려할 수 있어 일반적으로 사용되고 있는 API RP 2A-WSD code를 이용하였다. 이 방법에 따라 각 부재의 축방향인장응력과 압축응력, 휨인장응력, 전단응력을 검토하였으며, 모든 부재의 최대응력비가 허용응력비인 0.
수심 50m 조건에서는 모노포드 형식의 하부구조가 적용되기 어렵기 때문에 트라이포드 형식의 하부구조에 버켓기초를 적용하는 것으로 설계하였다. 트라이포드 버켓기초형식은 폭-길이비가 1에 가깝기 때문에 얕은기초로 분류할 수 있으므로, 트라이포드 버켓기초형식의 안정성 검토를 얕은기초에 대해 검토하는 방법에 따라 수행하였다.

성능/효과

기초형식(자켓과 트라이포드 버켓기초)에 관계없이 시공비는 기초개수가 증가함에 따라 감소하며 기초개수가 20개 이상일 때 일정한 값에 수렴하는 경향을 보인다. 그러나 상부지반이 사질지반, 연약지반 모두에서 트라이포드 버켓기초의 기초당 시공비는 자켓의 경우보다 적은 것으로 나타났다.
본 연구에서는 대수심 조건에 적용 가능한 기초형식인 자켓기초와 석션버켓기초가 적용된 트라이포드를 두 종류의 지반에 설치할 때의 개략 시공비용을 산출하여 비교하였다. 기초개수가 증가함에 따라 자켓과 트라이포드 버켓기초의 1기당 시공비는 감소하며 20기 이상이면 일정한 값에 수렴하는 경향을 보였다. 상부지반이 연약지반인 경우 자켓과 트라이포드 버켓기초의 1기 시공비용은 크게 차이가 나지 않으나, 사질지반인 경우 트라이포드 버켓기초 1기 시공비용은 자켓보다 약 30% 저렴하였다.
상부지반이 연약지반인 경우 자켓과 트라이포드 버켓기초의 1기 시공비용은 크게 차이가 나지 않으나, 사질지반인 경우 트라이포드 버켓기초 1기 시공비용은 자켓보다 약 30% 저렴하였다. 또한 20기를 시공할 때 트라이포드 버켓기초의 시공비용은 자켓보다 50%까지 절감될 수 있는 것으로 나타났다. 본 연구에서의 가정된 설계 조건에 대한 개략 경제성 검토 결과에 의하면 트라이포드 버켓기초형식은 자켓기초 형식보다 상대적으로 경제성이 높은 것으로 나타났다.
또한 20기를 시공할 때 트라이포드 버켓기초의 시공비용은 자켓보다 50%까지 절감될 수 있는 것으로 나타났다. 본 연구에서의 가정된 설계 조건에 대한 개략 경제성 검토 결과에 의하면 트라이포드 버켓기초형식은 자켓기초 형식보다 상대적으로 경제성이 높은 것으로 나타났다. 다만, 실제 사업수행시에는 대상 현장의 여건과 상세설계를 토대로 경제성을 검토할 필요가 있다.
표 4는 각 지반조건에서 자켓 시공비에 대한 트라이포드 버켓기초의 시공비를 백분율로 정리한 것이다. 상부지반조건에 관계없이 트라이포드 버켓기초는 자켓보다 시공비가 저렴하고 기초개수가 증가함에 따라 시공비는 더욱 저렴해지는 것을 확인할 수 있다.
그러나 트라이포드 버켓기초형식은 기초개수가 1기에서 20기로 증가하면 기초당 시공비가 눈에 띄게 감소하는 것을 알 수 있다. 이것으로부터 버켓기초형식은 설치가 간단하여 시공속도가 빠르므로 자켓 기초형식보다 경제적인 기초공법이라는 것을 알 수 있다. 즉 석션버켓기초의 경제성은 기초 자체의 제작비 절약이 아닌 간편한 시공법에 의한 것이라 할 수 있다.

후속연구

따라서 신재생 청정 에너지원 확보를 위하여 해상풍력단지 사업계획이 국가 또는 지자체를 중심으로 수립되어 추진되고 있다. 또한 해상풍력기기, 단지설계, 건설기술 및 유지보수 기술 등과 같은 관련기술이 성숙단계에 이르러 경제성이 확보되면, 향후 해상풍력은 국가에너지정책의 주축이 될 것으로 전망된다.
수심이 대략 30m 미만에서는 중력식(concrete gravity base structure, GBS)이나 모노파일(monopile) 형식의 기초가 사용되고, 수심이 30m∼50m일 경우에는 자켓(jacket), 석션버켓(suction bucket)이 적용된 모노포드(monopod)와 트라이포드(tripod)등 다양한 기초를 사용할 수 있다. 현재 개발이 추진되고 있는 해상풍력발전 후보지 대부분은 수심 20m 미만 지역이나, 향후에는 수심 20~50m 입지에 대한 개발이 진행될 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	석션버켓기초 공법의 장점은 무엇인가?	풍력발전기의 용량이 점차 대형화되고 해상풍력단지는 수심이 깊은 곳에 조성됨에 따라 해상풍력발전구조물의 하부구조 및 기초시공비용 또한 급격히 증가될 것으로 예상된다. 석션버켓기초는 버켓형식의 기초를 자중에 의한 관입과 자중관입 이후 석션에 의한 관입으로 설치하는 공법이며, 대형장비 대신 충분한 용량의 펌프만 있으면 기초의 시공이 가능하므로 시공이 간편하고 경제적인 공법으로 알려져 있다. 본 연구에서는 석션버켓기초의 경제성을 검토하기 위하여 상부지반이 사질지반과 연약지반인 경우일 때 대수심 조건에 적용 가능한 기초형식인 자켓과 석션버켓기초를 적용한 트라이포드의 시공비용을 비교하였다.
	석션버켓기초란 무엇인가?	풍력발전기의 용량이 점차 대형화되고 해상풍력단지는 수심이 깊은 곳에 조성됨에 따라 해상풍력발전구조물의 하부구조 및 기초시공비용 또한 급격히 증가될 것으로 예상된다. 석션버켓기초는 버켓형식의 기초를 자중에 의한 관입과 자중관입 이후 석션에 의한 관입으로 설치하는 공법이며, 대형장비 대신 충분한 용량의 펌프만 있으면 기초의 시공이 가능하므로 시공이 간편하고 경제적인 공법으로 알려져 있다. 본 연구에서는 석션버켓기초의 경제성을 검토하기 위하여 상부지반이 사질지반과 연약지반인 경우일 때 대수심 조건에 적용 가능한 기초형식인 자켓과 석션버켓기초를 적용한 트라이포드의 시공비용을 비교하였다.
	상부지반이 사질지반과 연약지반인 경우, 대수심 조건에 적용 가능한 기초형식인 자켓과 석션버켓기초를 적용한 트라이포드의 시공비용을 비교한 결과는 어떻게 나왔는가?	본 연구에서는 석션버켓기초의 경제성을 검토하기 위하여 상부지반이 사질지반과 연약지반인 경우일 때 대수심 조건에 적용 가능한 기초형식인 자켓과 석션버켓기초를 적용한 트라이포드의 시공비용을 비교하였다. 그 결과 지반이 단단하고, 기초개수가 증가할수록 자켓형식보다는 트라이포드 버켓기초형식을 적용하는 것이 더 경제적임을 확인하였다.

참고문헌 (10)

G. S. Kang, "Overview on Development Trend of Offshore Wind and Role of Civil Engineers" Water for Future, Korea Water Resources Association, Vol. 42,No. 5, pp. 75-81, 2009.

원문보기 상세보기
M. H. Oh et al. "Overview on Suction Bucket Foundation Technology for Offshore Wind Turbines" Korea Geotechnical Society Fall National Conference, pp. 88-95, 2011.
EWEA, The Economics of Wind Energy, The European and Energy Association, 2008.
EWEA, Oceans of Opportunity: Harnessing Europe's Largest Domestic Energy Resource, The European and Energy Association, 2009.
S. Bang et al. "Investigation on Suction Pile Retrieval." Int. Conf. on Foundations, Dundee, Scotland, Sep., 2003.
S. Bang et al. "Calibration of Analytical Solution Using Centrifuge Model Tests on Mooring Lines." 13th Int. Offshore and Polar Eng. Conf. & Exhibition, Hawaii, USA, May, ISOPE 2003-JSC-122, 2003.
Ministry of Land Transport and Maritime, Technologies for Breakwaters in Deep Water and Soft Ground Improvement, Korea Ocean Research & Developement Institute, 2009.
L. B. Ibsen et al. "Design of New Foundation for Offshore Wind Turbines." Proceedings of the 22nd International Modal Analaysis Conference (IMAC), Detroit, Michigan., 2004.
L. B. J. Ljjj et al. Design Basis Foundations- Basic Data for Concceptual Design of Foundations, Vattenfall Vindkraft AB, 2008.
G. S. Kang et al. "Economic Analysis on Offshore Wind Demonstration Farm", Korea Wind Energy Association 2011 Spring Annual Conference, 2011.

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