수력 발전의 혁신: 고효율을 위한 복합재 구동 터빈 블레이드

"수력 발전"이라는 용어는 흔히 댐 시스템과 금속 프로펠러 기반의 터빈 블레이드를 갖춘 대형 터빈 등 목적에 맞게 구축된 인프라에 의해 구동되는 대규모 작업을 연상시킨다. 그러나 많은 지역에서 대규모 고출력 수력 발전소의 신규 용량이 한계에 도달한 상황이다. 동시에 더 많고 저렴한 재생 에너지 발전에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있다.

미국 DOE의 수력 발전 비전과 소규모 수력 발전의 가능성

미국 에너지부(DOE)는 2018년 "수력 발전 비전(Hydropower Vision)" 보고서에서 미국 수력 발전의 현황과 미래 목표를 제시하며, 2018년 101GW였던 에너지 용량이 2050년까지 거의 150GW로 성장하려면 더 낮은 비용으로 더 많은 에너지를 제공할 수 있는 새로운 첨단 기술이 필요할 것이라고 예측했다.

킨에틱 NRG(Kinetic NRG, 호주 골드 코스트)의 제너럴 매니저 대런 렌(Darren Wren)에 따르면, 관개 수로와 시냇물 같은 저유량 수계에서 미개발 에너지를 포집하는 더 작은 수력 발전기가 하나의 잠재적 해결책이 될 수 있다. 2016년 고 폴 카밀레리(Paul Camilleri)가 설립한 킨에틱 NRG는 저비용, 신뢰할 수 있는 전력을 제공하는 새로운 수력 발전 기술 개발에 주력하는 민간 자금 지원 재생 에너지 기업이다.

수력 운동 에너지 발전기(HEG) 시스템

이 회사의 첫 번째 기술인 수력 운동 에너지 발전기(HEG) 시스템은 직경 1.5미터, 초당 2.0미터 유량에서 최대 30킬로와트(kW)의 출력을 낸다. 이 출력은 미국 DOE 등 분류 기관에 따라 최대 100kW 용량의 "마이크로" 수력 발전 시스템으로 분류된다. 강, 관개 수로, 기존 댐에서 물을 흘려보내는 테일 레이스에 직접 설치하도록 설계된 HEG는 저낙차 수력 발전용으로, '낙차(head)', 즉 수면과 터빈 사이의 거리가 20미터 미만인 환경을 의미한다.

모듈형 제조 가능 블레이드 설계

킨에틱 NRG의 최초 소규모 나선형 블레이드 모델은 금속으로 제작되었으나, 직경 1.5미터의 풀사이즈 프로토타입을 제조할 때가 되자 "만들 수 없었다"고 렌은 회상한다. 평평한 금속 조각에서 시작하여 중심에서 방사형으로 나선형 세트를 성형하거나 단조하는 개념이었으나, "부품의 특정 지점에 접근하여 필요한 강도를 만드는 방법을 찾을 수 없었다"고 설명한다.

회사는 결국 금속 시도를 포기했지만 설계 자체는 포기하지 않았다. 킨에틱 NRG는 지역 대학과 협력하여 나일론이나 세라믹 같은 대체 제조 기술과 소재를 탐색하고, 3D 프린팅 업체들과 적층 제조의 실행 가능성을 논의했다. 그러나 제조 가능성과 기계적 특성의 적절한 조합을 제공하는 솔루션은 나타나지 않았다. 마침내 3년간의 여정 끝에, 공급망 연결을 통해 호주 멜버른의 엔지니어링 회사 어드밴스드 컴포지트 스트럭처스 오스트레일리아(ACS-A)의 팀과 연결되었다. ACS-A는 다양한 최종 시장을 위한 저량, 고부가가치 복합재 부품의 설계 및 제조를 전문으로 한다.

렌은 이후 일어난 일을 "마음의 만남"이라고 표현하며, 킨에틱 NRG가 ACS-A의 제너럴 매니저 폴 팔존(Paul Falzon)과 그의 팀과 함께 복합 소재를 사용하여 부품을 제조하고 설계하는 다양한 방법에 대해 작업했다고 설명한다. ACS-A는 경험상 복합 소재가 킨에틱 NRG가 필요로 하는 형상, 무게, 강성 요구 사항을 충족할 수 있음을 알고 있었다.

혁신적인 블레이드 형상이 이 프로젝트의 핵심 설계 과제였으며, 블레이드의 기계적 요구 사항은 미국 DOE와 국제전기기술위원회(IEC)가 정한 표준에 기반한다고 렌은 설명한다. 시스템의 나머지 구성품(전송, 전력 관리, 통신 등)은 모든 필수 규정을 충족하는 것으로 알려진 표준 기성품이다.

복합재 블레이드 개발 과정

팔존에 따르면, ACS-A는 먼저 블레이드 설계의 금속 시도를 평가한 다음, 블레이드의 요구 형상, 치수 공차, 무게를 달성하는 방법을 결정했다. 블레이드는 수중 환경을 견딜 수 있어야 하고, 부착되는 터빈의 강철 샤프트를 지지할 만큼 충분히 강성이 있어야 했다. ACS-A 팀은 원래 금속 설계에서 시작하여 원래 강성과 일치하는 유리섬유 복합재 블레이드를 "역설계"했다. 그러나 용접된 금속 성형 구조에서 복합재 라미네이트로 전환할 때 몇 가지 설계 변경이 필요했다. 팔존은 "한 발 물러서서 '좋아, 복합 소재의 이점을 최대한 활용하려면 이 부품은 어떤 모습이어야 할까?'라고 자문했다"고 설명한다.

여러 번의 반복과 논의 끝에 현재 설계는 최종 나선형 모양을 형성하도록 맞물리는 4개의 동일한 복합재 블레이드로 구성되었다. "복합재 블레이드는 실제로 강철 설계보다 두껍지만, 우리가 사용하는 소재의 밀도가 낮아 더 가볍다"며, "두꺼워짐으로써 강철 설계에 비해 훨씬 더 많은 굽힘 강성을 얻게 되어, 전반적으로 훨씬 더 강성한 제품을 얻을 수 있다"고 팔존은 말한다.

역전 툴링(Inverted Tooling)

툴링 형상 개발이 공정에서 가장 어려운 부분이었다고 팔존은 말한다. ACS-A 팀은 다쏘 시스템(Dassault Systèmes)의 CATIA 소프트웨어를 사용하여 원래 블레이드 어셈블리의 형상을 평가했다. 이는 블레이드 표면 개발과 툴링 개념 설계로 이어졌다. "오늘날 부품들을 보면 실제로 거꾸로 된 방향으로 만들어진다. 블레이드 모델을 반전시켜 툴링을 만들어야 했는데, 실제 툴링이 도착할 때까지는 기이하게 보인다. 꽤 복잡하다"고 팔존은 설명한다. 툴링이 반전되어야 했던 이유는 "물 흐름에 노출된 블레이드 측면에 요구되는 표면 마감을 달성하기 위해"와 "제조된 각 블레이드 구성품을 한 조각으로 탈형할 수 있도록 하기 위해"였다. 또한 툴링은 정밀해야 했다. 맞물리는 블레이드 구성품들이 서로 그리고 터빈의 중앙 샤프트와 정확히 정렬되어 조립되어야 했기 때문이다. 프로토타입의 경우, 사이크스 오스트레일리아(Sykes Australia, 시드니)가 공급한 툴링은 폼 백킹 위에 저비용 툴링 페이스트를 적층한 후 CNC 가공하여 최종 형상을 만들었다.

툴링이 개발된 후, 현재 풀사이즈 프로토타입 블레이드는 유리섬유 논크림프 패브릭(NCF)과 에폭시 수지로 핸드 레이업하여 실온에서 경화한 후, 고온에서 오븐 포스트 큐어링하고 마린 등급 페인트를 도포하여 제작되었다. 소재는 부품의 구조적 및 비용 요구 사항을 충족하도록 선택되었다고 팔존은 언급한다. 맞물리는 서브 구성품들은 접착제로 본딩되었는데, 이는 조립 시 더 나은 제어와 치수 정밀도를 위해 기계적 체결보다 선택되었다. "진짜 비결은 블레이드들이 맞물릴 수 있도록 하되, 일단 모든 것을 라미네이트하고 본딩하면 필요한 구조적 및 유체역학적 형상 성능을 달성하는 매우 강성한 어셈블리가 형성되도록 하는 것"이라고 그는 말한다.

구조의 강성 및 기타 기계적 특성에 대한 디지털 분석은 MSC 소프트웨어(미국 캘리포니아주 뉴포트 비치)의 도구를 사용하여 수행되었다. "이 시스템은 원래 설계보다 훨씬 더 효율적이고 가볍고 더 많은 일을 할 수 있다"고 팔존은 덧붙인다.

상업 생산을 향해

렌에 따르면, 킨에틱 NRG의 초기 생산 목표는 3년간 950대, 이후 연간 수천 대로 확대하는 것이다. 잠재 고객에는 개인, 기업, 전력 회사, 지자체 등 다양한 범위가 포함되어 HEG 개념의 다재다능함을 보여준다. 시스템은 관개 수로 내 "미니 수력 발전소"로 설치하거나, 기존 수력 발전기 하류에 배치하여 미활용 오프플로우에서 전력을 생산하거나, 외딴 지역 사회나 기업의 보조 전력으로 사용할 수 있다고 그는 말한다.

현재 풀사이즈 HEG 프로토타입이 수중 기계적 테스트를 진행 중이며, 동시에 상업 생산을 위한 대규모 제조 공정이 평가되고 있다.

ACS-A는 기계적 테스트 결과와 가능한 가장 비용 효율적인 제조 요건에 따라 필요에 따라 블레이드 설계를 지속적으로 미세 조정할 것으로 예상된다. 구체적으로 팔존은 "수작업을 최소화하면서 형상을 정확히 잡을 수 있도록 자동화된 프리포밍 공정을 탐색 중"이라고 말하며, 그 뒤를 이어 경량 수지 전이 성형(L-RTM) 또는 다른 고속 공정을 고려하고 있다고 밝혔다.

터빈 조립 방법도 평가 중이며, 목표는 블레이드 서브 구성품을 모듈식으로 생산하고 현지에서 조립하여 풀사이즈 장비 전체를 운송하는 비용과 어려움을 피하면서 지역 고용 창출과 설치 비용 절감을 이루는 것이다. 이를 위해 ACS-A는 블레이드 맞물림 방식과 어셈블리당 서브 구성품 수를 수정해야 할 수도 있다. "여전히 원래 모양의 풀 블레이드가 핵심 부분이 될 것이지만, 동일한 형상을 더 적은 구성품으로 만들어 현장 조립을 더 쉽게 하기 위해 전환 지점을 변경할 수 있다"고 렌은 말한다.

두 회사는 또한 터빈의 금속 구성품을 복합재로 전환하여 전체 어셈블리의 무게를 줄이는 방안도 평가 중이다. "적절한 곳에는 유리를, 적절한 곳에는 탄소섬유를 사용하겠지만, 궁극적으로 시스템의 발전 비용을 경쟁력 있게 만들기 위해 기술의 가격 포인트를 달성해야 한다"고 팔존은 말한다.

설계 및 제조 공정이 최적화에 가까워짐에 따라, 다음 과제는 렌에 따르면 상업적 볼륨으로 확대하기 위한 적절한 투자 및 제조 파트너십을 확보하는 것이 될 것이다.