에너지
예측 불가능을 예측함으로써 해상 풍력 발전소와 조류 터빈을 강화하기
해상 재생 에너지 프로젝트가 전 세계적으로 큰 관심을 받고 있습니다. 유럽 연합만 보더라도, 해상 풍력 에너지의 배치는 유럽 그린 딜을 실현하는 핵심이며, 이는 유럽의 경쟁력과 에너지 공급 안전성을 보장하는 것을 목표로 합니다.
전반적으로, 유럽 위원회는 이미 해상 재생 에너지에 관한 전용 EU 전략을 발표했으며, 이 전략은 섹터의 장기 지속 가능한 발전을 지원하기 위한 강력한 조치를 제안합니다. 이 전략은 2030년까지 최소 60GW의 해상 풍력 및 1GW의 해양 에너지 설치 용량을 목표로 하며, 2050년까지 각각 300GW와 40GW를 목표로 하는 야심찬 목표를 설정했습니다. 좋은 소식은 EU 회원국들이 이미 단기와 장기 모두에서 위원회가 제시한 목표를 초과 달성했다는 점입니다.
해상 재생 에너지에 대한 전 세계 시장도 빠르게 성장하고 있습니다. 미국 국립 재생 에너지 연구소(NREL)가 발표한 2024 해상 풍력 시장 보고서에 따르면, 2023년 신규 해상 풍력 설치가 전 세계 용량을 68GW 이상으로 늘렸으며, 이는 319개의 운영 프로젝트에 걸쳐 13,000대 이상의 터빈이 가동되고 있음을 보여줍니다.
계획 및 개발 단계에 있는 추가 프로젝트들을 포함하면, 파이프라인에 있는 해상 풍력 에너지 용량은 453.6GW를 초과하며, 그 중 104.4GW는 부유식 구조물에서 나옵니다.
이러한 해상 재생 에너지 성장세는 전 세계 R&D 커뮤니티의 강력한 지원을 필요로 하며, 그 지원은 이미 존재합니다. 다음 섹션에서는 파도를 실시간으로 예측하여 해상 재생 에너지 생산 비용을 낮출 수 있는 수중 로봇 배치라는 혁신적인 개발에 대해 논의합니다.
새로운 기술이 해상 풍력 발전소와 조류 터빈의 유지보수를 더 저렴하고, 빠르고, 안전하게 만들 수 있다
이 연구는 에든버러 대학교의 세 명의 연구원인 Kyle L. Walker, Laura Beth Jordan, Francesco Giorgio-Serchi가 수행했습니다. 이 연구팀은 파동 교란 하에서 정지 유지 작업을 위한 교란 억제용 완전한 엔드투엔드 제어 아키텍처를 개발했으며, 여기에는 비선형 모델 예측 제어기(NMPC)와 결정론적 해양 파동 예측기(DSWP)가 결합되어 있습니다. 이 솔루션은 파동이 지배하는 환경에서 작동하는 수중 차량이 교란에 크게 영향을 받고 운영 안전에 위협이 되는 상황을 보다 쉽게 관리하도록 돕는 것을 목표로 합니다.
간단히 말해, 연구원들은 불규칙하고 거센 파도 속에서도 로봇이 안정적인 위치를 유지하도록 하는 계산 및 실험 도구를 개발했습니다. 에든버러 대학교의 FloWave 테스트 탱크가 실험 장소로 활용되었습니다. 데이터는 북해에 설치된 부표가 포착한 정보를 사용해 로봇이 작업할 수 있는 조건을 모방했습니다.
이 시스템은 해저에 고정된 장치를 사용해 들어오는 파도의 방향과 높이를 측정하고, 실시간으로 인근에서 작업 중인 로봇에 전달합니다. 이를 통해 무인 기계는 물속의 복잡한 미래 교란을 사전에 예측하고 이를 상쇄하여 안정적인 위치를 유지할 수 있습니다.
기술의 장점
해상에 배치된 안정적인 무인 로봇은 복잡한 정기 유지보수 작업을 낮은 비용으로 수행할 수 있어, 화석 연료보다 비용이 많이 드는 재생 에너지 생산의 전체 비용을 감소시킵니다. 이러한 로봇의 배치와 안정성은 선박, 헬리콥터, 혹은 호이스트 장비가 필요 없는 간소화된 운영을 가능하게 합니다.
연구원들은 새로운 솔루션이 기존 제어 시스템보다 우수하다고 강조했습니다.
이 제어 시스템이 겪은 업그레이드의 본질을 설명하기 위해, 세 명의 연구원 중 한 명인 Kyle Walker 박사는 다음과 같이 말했습니다:
“미래 파동 교란을 예측하고 이를 제어 시스템에 통합함으로써, 로봇 하드웨어를 거의 변경하지 않고도 작동 범위를 확장할 수 있습니다. 이 기술을 현장에 적용하는 측면에서 이는 큰 이점이며, 현재 시장에 나와 있는 대부분의 차량에 적용 가능하게 합니다.”
또한 실험 결과는 이 시스템이 표면 근처 깊은 곳에서 작동하는 로봇과 높은 호환성을 보이며, 교란이 강하게 느껴지는 환경에서도 잘 작동한다는 것을 보여주었습니다.
앞으로 연구원들은 이 솔루션에 더 큰 자율성을 부여하여 녹을 감지하거나 전기 장비를 고정하는 등 불안정해지지 않고 정밀 작업을 수행하도록 할 계획입니다.
이 기술의 발전이 가져올 혜택에 대해 Francesco Gorgio-Serchi 박사는 다음과 같이 말했습니다:
“이 기술을 더욱 발전시키면 해상에서 무인 로봇의 채택에 큰 변화를 가져올 수 있으며, 해상 부문의 자동화 수준을 급격히 높일 수 있습니다.”
이 연구가 해상 재생 에너지 생산을 더 저렴하고 효율적으로 만들지만, 이 분야의 연구는 오랫동안 지속되어 왔다는 점을 기억해야 합니다. 예를 들어 2022년에는 Y. Liu, M Hajj, Y. Bao 등 세 명의 연구원이 해상 풍력 터빈(OWT) 손상 평가를 위한 로봇 기반 리뷰를 발표했습니다. 아래는 그 리뷰에서 도출된 핵심 내용입니다.
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해상 풍력 터빈 손상 평가를 위한 로봇 배치
연구는 로봇이 해상 풍력 터빈의 자동 상태 평가 작업을 수행할 수 있음을 강조했습니다. UAV, 등반 로봇, 수중 로봇을 활용한 모니터링 가능성과 사진, 열영상, X-레이 영상을 이용한 이상 탐지 가능성을 조사했습니다.
해상 풍력 터빈은 가혹한 환경, 동적이고 극심한 하중 등으로 인해 안전성과 서비스 수명이 크게 영향을 받습니다. 설치 및 유지보수 비용이 상승하면서 재생 에너지 생산 비용 전체가 급증합니다. 또한 바닷물에 의한 재료 부식 위험도 존재합니다.
연구에 따르면 최신 로봇 기술과 지능형 알고리즘은 OWT의 손상 수준을 평가하는 데 큰 도움이 될 수 있습니다. NDE(비파괴 검사) 장치를 탑재한 로봇은 원격 또는 자동으로 OWT를 검사할 수 있으며, 이러한 장치에서 얻은 데이터는 손상 탐지, 분류, 위치 파악 및 정량화를 위한 지능형 알고리즘으로 분석될 수 있습니다. UAV, 등반 로봇, 수중 로봇은 광학·적외선 카메라와 X-레이 장비 등을 운반하여 추가 지원이 가능합니다.
연구는 로봇 기반 검사가 안전성을 크게 향상시키고 비용을 낮추면서 높은 견고성을 제공하는 훌륭한 솔루션이 될 수 있다고 결론지었습니다.
이러한 솔루션이 재생 에너지 생산 산업에 제공하는 가치를 살펴보면, 여러 기업이 이 분야에서 상용 솔루션을 출시하고 있습니다. 아래는 몇 가지 사례입니다.
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1. Aerones
Aerones는 로봇 풍력 터빈 관리 서비스를 제공하는 글로벌 선두 기업 중 하나입니다. 이 회사는 특허받은 로봇 기술을 활용해 전 세계 풍력 운영자에게 더 빠르고, 더 안전하며, 더 효율적인 서비스를 제공한다고 주장합니다.
Aerones가 제공하는 서비스 범위는 터빈 수명 주기의 모든 핵심 영역을 포괄합니다. 여기에는 검사, 청소, 수리 등이 포함됩니다. 검사 서비스로는 번개 보호, 내부 및 드론 검사, 배수구 청소가 제공됩니다. 청소 서비스로는 타워와 블레이드 청소가 있습니다. 수리 서비스에서는 고도로 정교한 로봇 플랫폼을 이용해 표면 준비, 충전재 도포, 연마, 앞날 보호 코팅을 수행하여 블레이드 표면을 수년간 침식으로부터 보호합니다.
Aerones의 독특한 로봇 서비스는 인간을 대체하거나 일자리를 빼앗기 위한 것이 아니라, 인증된 기술자가 따뜻한 차량 안에서 도구를 제어하도록 설계되었습니다. 로봇의 정밀성과 효율성 덕분에 Aerones의 서비스는 다운타임을 4~6배 감소시키고, 대기 시간을 5~10배 줄입니다. 자체 시스템은 풍력 터빈 기술자에게 고품질 로봇 서비스를 제공하며, 클라우드 기반 디지털 데이터 플랫폼을 통해 검사에서 얻은 독특한 교차 산업 데이터 세트를 수집해 보다 스마트한 예방 유지보수 계획 및 예산을 효율적으로 책정할 수 있게 합니다.
2024년 9월, Aerones는 EU 혁신 기금으로부터 4,400만 유로의 지원금을 확보했습니다. 이 기금은 고도로 혁신적이고 시장에 바로 적용 가능한, 규모 확대가 가능한 인프라 프로젝트를 지원하여 CO₂ 배출 감소를 목표로 합니다.
Aerones는 EU 혁신 기금으로 4.4백만 유로를 받았습니다. 이 프로젝트는 18시간 이내에 터빈 수리를 완료하여 다운타임을 크게 최소화하고 전 세계 기후 목표 달성에 기여한다는 목표를 가지고 있습니다. 보고에 따르면, 이 접근 방식은 수리 다운타임을 67% 감소시켜 10년 동안 161,349톤의 CO₂ 배출을 방지하고 추가로 918,320MWh의 재생 전기를 생산할 수 있게 합니다.
2023년 1월, Aerones는 3천만 달러의 자금을 조달하여 로봇 기반 서비스를 확대하고 효율성을 높였습니다. 이번 라운드는 신규 투자자인 Lightrock와 Haniel이 공동 주도했으며, Blume Equity와 기존 투자자인 Change Ventures, Metaplanet, Mantas Mikuckas 등이 참여했습니다.
Aerones는 이 자금을 기술 및 영업 부문 확대, 로봇 서비스 팀 수 증가, 빠르게 성장하는 신규 시장 진출에 사용할 예정이며, 자금 조달 당시 이미 전 세계 풍력 전력 용량의 50%를 차지하는 고객에게 로봇 기반 솔루션을 제공하고 있었습니다.
2. Bladebug
첫 번째 성장하는 해상 풍력 산업의 요구를 해결하고 예측 가능하고 효율적으로 만들기 위해 Bladebug라는 혁신적인 기업이 등장했습니다. 이 회사는 로봇을 개발하여 기술자들이 로프 접근 없이 터빈 블레이드를 검사·수리하도록 지원하고 있습니다. Bladebug의 로봇 솔루션은 채택 장벽을 낮추고, 다운타임을 최소화하며, 작업 중복을 방지하는 등 많은 장점을 제공합니다.
Bladebug의 크롤러 로봇은 시야 밖에서도 작동할 수 있습니다. 이를 통해 기술자들은 비용 부담 없이, 혹은 가혹한 환경에 노출되지 않고 원격으로 유지보수 작업을 수행할 수 있습니다. 이 로봇은 반자율형입니다.
또한 경량 설계 덕분에 배치 속도와 사용 편의성이 많은 경쟁사보다 훨씬 높습니다. Bladebug의 로봇 솔루션을 통해 O&M 팀은 전통적인 로프 접근 팀을 사용할 수 있을 때보다 앞서 결함을 처리할 수 있습니다. 이러한 예방 유지보수는 터빈 효율성을 높이고 저탄소 에너지 생산을 극대화합니다.
마지막으로, 모듈식 설계 덕분에 로봇 본체에 다양한 비파괴 검사 및 수리 장비를 장착할 수 있어 해상에서도 유연하게 활용할 수 있습니다.
Bladebug는 Innovate UK, Catapult Offshore Renewable Energy, Imperial Enterprise Lab, Launch Academy 등으로부터 광범위한 재정 지원과 멘토링을 받았습니다. 투자자는 Britbots와 The Offshore Wind Growth Partnership 두 곳입니다.
3. Reblade
2024년 5월, 글로벌 풍력 에너지 협의회(GWEC)가 2023년에 전 세계적으로 기록적인 117GW의 신규 용량이 설치되었다고 보고했습니다. 더 많은 하드웨어 설치와 급증하는 유지보수 계획의 도전 과제로 인해, 덴마크 기업 Reblade는 드론으로 전달되는 소형 수리 공장을 만들었습니다.
이 회사의 로봇 블레이드 수리 솔루션은 유지보수 팀을 위한 플러그‑앤‑플레이 방식을 제공하며, 현장에서 프로젝트를 지시하고 모니터링할 수 있게 합니다. Reblade의 로봇은 청소, 연마, 코팅, 블레이드 앞날 페인팅 등 각 작업에 맞는 로봇을 배치해 침식 수리를 수행합니다. 드론으로 전달되는 수리 시스템은 맞춤형으로 설계되어 각 모듈이 고객의 선호와 요구에 맞는 작업과 제품을 제공할 수 있습니다.
회사는 로봇이 매우 빠르고 효율적이며, 서비스 팀이 하루에 두 대의 전체 터빈을 수리할 수 있다고 주장했습니다. 또한 로봇이 다양한 기상 조건에서도 원활히 작동하여 원격 지역에서 서비스 시간과 비용을 최대 80%까지 절감할 수 있다고 밝혔습니다. Reblade는 세 명의 투자자로부터 지원을 받으며, 여기에는 Eureka Network와 European Innovation Council가 포함됩니다.
해상 풍력 발전소와 조류 터빈을 강화하는 로봇 솔루션: 미래
앞으로 해상 풍력 및 조류 터빈의 효율성을 높이기 위해서는 검사와 유지보수 프로세스의 자동화 노력이 더욱 필요해질 것입니다. 이러한 변화는 서비스 품질을 향상시킬 뿐만 아니라, 위험한 수중 환경에서 인간 잠수부가 작업해야 하는 필요성을 크게 줄여 안전 문제를 크게 완화시킬 것입니다.
인간 중심의 작업에서 로봇 솔루션으로의 전환은 원격 조정 차량(ROV), 무인 수면 선박(USV), 그리고 보다 정교한 자율 수중 로봇을 포함하게 될 것입니다. 이러한 기술은 인간이 접근하기 어렵거나 위험한 조건에서도 성공적으로 작동하며, 다양한 악천후, 깊은 수심, 장시간 작동을 견딜 수 있습니다.
이 분야의 연구자들은 보다 정교한 솔루션이 필요한 여러 핵심 영역을 확인했습니다. 예를 들어, 수중 로봇은 난기류가 심한 바다에서 정확한 위치를 유지해야 하는데, 이는 본 논문에서 시작한 연구가 중요한 돌파구가 되는 부분입니다.
연구자들은 또한 디지털 트윈 활용을 검토하고 있습니다. 오늘날 로봇은 고급 3D 매핑 및 재구성 기술을 갖추고 있어 해저 인프라의 상세 3차원 모델을 만들 수 있습니다. 엔지니어는 이러한 ‘디지털 트윈’을 이용해 터빈 기초에 부착된 해양 생물의 축적을 모니터링하거나, 구조적 문제를 육상 제어실의 안전한 환경에서 식별할 수 있습니다.
이 분야의 또 다른 획기적인 발전은 USV와 ROV의 협업입니다. USV는 이동식 기지국 역할을 하며, 수중 ROV와 협력해 풍력 발전소 인프라를 포괄적으로 검사합니다. 이러한 작업을 수행하는 팀은 고급 AI와 제어 시스템을 활용해 로봇 유닛이 복잡한 수중 환경을 놀라운 정밀도와 효율성으로 탐색하도록 합니다.
추정에 따르면 로봇 검사 시스템을 사용하면 유지보수 임무에 필요한 연료 소비를 최대 97%까지 절감할 수 있습니다—하루 7,000리터에서 200리터로 감소합니다.
요약하면, 혜택은 다양합니다. 탄소 배출 감소를 통한 기후 이점, 기업은 전체 재생 에너지 생산 비용을 낮추어 장기적으로 이익을 얻으며, 마지막으로 유지보수 및 검사를 담당하는 직원들은 향상된 안전 기준과 실질적으로 위험이 거의 없는 작업 환경을 누릴 수 있습니다.
