NREL, 적층 제조 활용 지속가능 풍력 터빈 블레이드 생산 혁신

미국 국립재생에너지연구소(NREL, 콜로라도 골든) 데릭 베리 선임 풍력 기술 엔지니어 주도 연구팀이 재활용 가능 열가소성 수지와 적층 제조(AM) 결합으로 차세대 풍력 터빈 블레이드 제조 기술 발전 지속. 미 에너지부 첨단제조국(AMO) 지원(기술 혁신 촉진, 미 제조업 에너지 생산성 향상, 첨단 제품 제조 가능화 목적).

기존 블레이드 구조의 한계

현재 대다수 유틸리티급 블레이드는 동일 클램셸 설계: 유리섬유 블레이드 스킨 2개를 접착제로 결합, 1개 이상 복합재 시어 웹(보강재) 사용. 25년간 효율 최적화된 공정이나, 더 가볍고 길고 저렴하며 풍력 포집 효율 높은 블레이드 필요(온실가스 감축을 위한 풍력 발전 확대 핵심). NREL 팀은 클램셸 설계를 근본부터 재고 중.

수지 매트릭스 혁신: 열가소성 수지 도입

기존 설계는 에폭시, 폴리에스터, 비닐에스테르 등 열경화성 수지 시스템 의존(경화 후 가시덤불처럼 가교 결합). 베리: "열경화성 수지로 블레이드 생산 시 공정 역전 불가능, 재활용도 어렵다."

IACMI(노스빌, 테네시)와 NREL 코멧(CoMET) 시설에서 다기관 팀이 열가소성 수지 시스템 개발. 열경화성과 달리 가열로 원래 폴리머 분리 가능 → 수명종료(EOL) 재활용 가능. 열가소성 블레이드 부품은 열용접으로 접합 가능 → 무겁고 비싼 접착제 불필요 → 재활용성 추가 향상. "두 열가소성 부품을 열과 압력으로 결합 가능, 열경화성은 불가능."

차세대 블레이드 코어 구조 개발

NREL, TPI 컴포지츠(애리조나 스코츠데일), 애디티브 엔지니어링 솔루션(오하이오 에이크론), 잉거솔 머신 툴스(일리노이 록포드), 밴더빌트 대학(녹스빌), IACMI와 협력해 혁신적 블레이드 코어 구조 개발로 고성능 초장대 블레이드(100m 이상) 저중량·저비용 양산 추진.

3D 프린팅으로 터빈 블레이드 구조 스킨 사이 고도 설계된 넷셰이프 구조 코어(다양한 밀도·기하학) 제작, 블레이드 스킨은 열가소성 수지 시스템으로 인퓨전. 성공 시 블레이드 중량·비용 10% 이상, 생산 사이클 타임 15% 이상 단축 기대.

연계 서브그랜트 프로젝트

• 콜로라도 주립대(포트콜린스) 주도: 3D 프린팅으로 풍력 블레이드 혁신 내부 구조용 섬유강화복합재 제작. 오웬스 코닝(오하이오 톨레도), NREL, 아케마(펜실베이니아 킹오브프루사), 베스타스 블레이드 아메리카(콜로라도 브라이튼) 참여.
• GE 리서치(뉴욕 니스카유나) 주도 'AMERICA' 프로젝트: 적층·모듈러 지원 로터 블레이드 및 통합 복합재 조립. 오크리지 국립연구소(테네시 오크리지), NREL, LM 윈드파워(덴마크 콜딩), GE 리뉴어블에너지(프랑스 파리) 참여.