아마·오동나무로 로터 블레이드 개발 착수

독일 킬 응용과학대학교(HAW Kiel)는 Nuebold Yachtbau GmbH와 협력해 아마, 오로니아, 발사 목재와 같은 재생 가능한 소재로 만든 지속 가능한 로터 블레이드 개발을 제안하는 프로젝트를 진행했다.

이 프로젝트는 천연 섬유의 구조적·기계적 거동을 평가하는 데 중점을 두며, 특히 강도와 유연성을 가진 해양 산업 등 다른 산업에서도 사용된 아마에 중점을 두고 있다. 또한 빠르게 성장하는 목재인 파울로니아와 가벼운 것으로 알려진 발사도 고려 대상이다.

연구진은 블레이드의 형태와 구조를 최적화하기 위해 디지털 시뮬레이션을 수행 중이다. 가상 검증이 완료된 후 시제품은 킬 대학교의 풍동에서 제조 및 시험을 진행한 뒤, DIN 풍력 터빈 기준에 따른 물리적 시험이 진행된다.

현재 프로젝트 이전에 여러 단계에 걸쳐 Nuebold Yachtbau GmbH는 실험실 분석을 위한 아마 기반 복합재 샘플을 이미 생산한 바 있다. 자론 뉘볼트(Jaron Nübold) 전무이사에 따르면, 이러한 천연 재료의 동적 특성을 이해하는 것이 고성능 부품 설계에 최종 통합되는 데 매우 중요하다.

HAW 킬의 프로젝트 책임자 스텐 뵈메(Sten Böhme) 교수는 지속 가능한 로터 블레이드가 기존 로터 블레이드와 동일한 기술적 요구사항을 충족할 수 있으나, 훨씬 적은 생태학적 발자국을 가질 수 있다고 주장한다.

이 프로젝트는 슐레스비히-홀슈타인 에너지 및 기후보호청(EKSH)으로부터 17만5,000유로(약 2억9,551만 원) 재정 지원을 받아 2027년까지 소형 풍력 터빈(로터 면적이 200㎡ 미만)용 프로토타입을 개발할 계획이다. 기관의 총괄 매니저인 Ing. Frank Osterwald 박사에 따르면, 이러한 해결책들은 단지 지역적으로만 적용 가능할 뿐만 아니라 전 세계 대규모 설비의 발전에도 영향을 미칠 수 있다.

풍력발전은 유럽연합(EU)에서 재생에너지 생산에서 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, EU의 기후 목표를 달성하기 위해 용량을 2022년 204GW에서 2030년 440GW로 늘릴 계획이다. 오늘날 지속 가능한 에너지를 향한 한 걸음으로 간주되는 것이 미래에 수천 개의 풍력 터빈을 해체한 후 문제가 될 수 있다. 

풍력 터빈 블레이드는 주로 합성 유리 섬유(GF)로 강화된 복합재로 만들어지며, 생산 과정에서 많은 에너지를 소비한다. 폐기된 복합재의 열분해 또는 화학적 재활용을 통해 GF를 재사용할 수 있도록 만드는 것은 매우 에너지 집약적이고 비용이 많이 든다. 

따라서 복합재는 수명이 지난 후 가장 일반적으로 매립된다. 오스테드와 같은 풍력 발전 단지 개발업체는 재활용에 대한 의지를 밝혔지만, 이는 향후 몇 년 동안 행동으로 입증되지 않았다.

풍력 에너지의 확장에도 불구하고 주요 과제는 주로 풍력 터빈 블레이드의 설계 및 제조와 관련이 있다. 풍력 터빈은 가장 가혹한 요소를 견디기 위해 내구성이 뛰어나고 긴 유리 섬유 블레이드(강한 에폭시 수지로 결합된 유리 섬유로 만들어짐)를 사용한다.

그러나 이러한 강도로 인해 블레이드의 생산과 폐기 모두 비용이 많이 들고 에너지 집약적이다. 결과적으로 풍력 터빈은 연간 수만 톤의 폐기물을 생성한다. 추정에 따르면 2050년까지 미국에서 칼날 폐기물이 220만 톤에 이를 수 있다.

블레이드 자체가 재활용하기 어렵기 때문에 폐기 문제가 크다

과거에는 이미 유리 섬유를 재활용하기 위한 노력이 이루어졌다. 예를 들어, 워싱턴주립대학교(WSU)의 연구원들은 지난 4월 풍력 터빈 블레이드에 대한 환경 친화적인 재활용 방법을 개발했다. 이 방법은 고강도 유리 섬유와 수지를 회수한 다음 용도를 변경하여 내구성 있는 플라스틱을 만들 수 있다. 이 새로운 작업에서 팀은 풍력 터빈 개발 과정을 보다 지속 가능하게 만들기 위해 자연스러운 접근 방식으로 전환했다.

연구원들은 먼저 적합한 천연 섬유(아마, 발사나무, 오동나무)의 하중 지지력을 테스트할 예정이다. 컴퓨터 시뮬레이션을 사용해 최적의 모양을 설계하고 천연 섬유 로터 블레이드의 구조적 무결성을 보장한다. 초기 모델은 독일 킬에 있는 킬 응용 과학 대학의 풍동에서 안정성과 성능을 위해 생성되고 테스트될 것이다.

초기 테스트가 성공하면 프로젝트는 본격적인 제조로 이동하여 로터 블레이드 프로토타입에 필요한 곡부 하중 테스트를 실시한다. HAW Kiel과 Nuebold Yachtbau의 예비 작업은 이미 유리 섬유 복합재를 아마 섬유와 같은 지속 가능한 천연 섬유 재료로 대체하는 것을 조사했다.

연구진은 대학 공식자료를 통해 “식물성 소재로 FRP를 대체하는 기술이 실용화하면 풍력 발전기 날개 제작비용을 줄이는 효과도 볼 수 있을 것”이라고 밝혔다.

장웅순 기자 tinnews@tinnews.co.kr

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