해상풍력단지에서 발생하는 바이오파울링에 대한 방오 특성 평가 방법에 관한 연구

A study on a method of evaluating antifouling characteristics for biofouling in offshore wind farms

Abstract

We have studied a method of evaluating antifouling properties for biofouling occurring in offshore wind farms. To evaluate the antifouling properties, surface energy was analyzed through contact angle measurements and biofouling characteristics were analyzed through marine environment tests. Test samples were fabricated depending on the type of material and whether it had self-polishing properties. The surface energy showed relatively low results in self-polishing and polyurethane film samples, and in marine environment tests, the incidence of biofouling was lowest in self-polishing samples. In order to evaluate antifouling properties to prevent biofouling in offshore wind farms, it is believed that in addition to surface energy analysis using the contact angle, an evaluation of self-polishing properties is also necessary.

1. 서론

전 세계는 기후변화 대응을 위해 지구 온난화 문제를 해결하고 탄소중립 달성을 위한 핵심 수단으로 신재생에너지원으로의 전환을 적극 추진하고 있다. 해상풍력은 신재생에너지의 대표적인 분야로 기술의 발전과 정책적 지원을 바탕으로 빠르게 성장하고 있다. 해상풍력터빈은 구조적인 특성상 하부 구조물이 해양환경에 장기간 노출되어 박테리아, 조류, 따개비 등의 해양생물들이 구조물 표면에 부착되는 바이오파울링(Biofouling) [1] 현상이 필연적으로 발생한다. 하부 구조물에서 발생하는 바이오파울링은 인공 어초 역할을 통해 해양생물의 다양성을 증가시키고 [2, 3], 수산업과의 공존을 촉진하는 [4] 등 긍정적인 효과가 있으나, 구조적 안정성 저하(구조물 표면의 추가 하중 유발 및 피로수명 단축) [5-8], 유지보수 비용 증가(점검 및 제거를 위한 전문 잠수부/장비 투입, 작업 시간 증가 및 도장 보수의 주기 단축 등) [9] 등 해상풍력단지의 운영에 있어 실질적인 부정적인 영향도 보고되고 있다. 이에 따라 국내외에서는 IEC 61400-3-1 [10] 및 KS C 8573 [11] 등을 통해 해상풍력터빈 하부 구조물의 바이오파울링 관리 대책 마련을 권고하고 있다.

해상풍력단지에서 발생하는 바이오파울링에 대한 연구는 유럽을 중심으로 해수면의 높이에 따른 바이오파울링의 발생 특성 [12-15], 하중 증가 및 피로수명[6-8], 해저 케이블 [16], 진동 [17, 18], 제거 방법 [19] 등에 대해 활발히 진행되고 있다. 또한, 해양환경에서 바이오파울링을 방지하기 위한 다양한 방오(Antifouling) 기술이 개발되고 있으며, 대표적으로 물리적, 화학적, 생물학적 방법이 적용되고 있다. 하지만 해상풍력단지의 운영 조건과 해양환경 요인을 고려한 방오 특성 평가 방법에 대한 연구는 아직 충분하지 않은 상황이며, 국내에서는 이에 대한 연구가 전무한 상황이다.

본 논문에서는 해상풍력터빈이 설치되어 가동되는 환경에서의 방오 특성을 종합적으로 평가하기 위하여 표면에너지(Surface energy) 분석과 바이오파울링 특성을 연구하였다. 이를 위해 물질의 종류와 자기 마모성(Self-polishing properties) 여부를 고려하여 분석 시료를 제작하였으며, 접촉각(Contact angle) 측정을 이용해 표면에너지를 분석하였다. 실해역 유사환경 테스트는 검증된 테스트 조건에서 수행하였으며, 모니터링 결과로 얻은 이미지 분석을 통해 해양생물의 유형 및 바이오파울링 발생 특성을 분석하였다. 또한, 표면에너지 분석 결과와 실해역 유사환경 테스트 결과를 비교 평가하여, 방오 성능 여부와 표면 특성 간의 연관성을 정량적으로 분석하였다.

2. 시료 제작

해상풍력단지에서의 방오 특성 평가 방법 연구를 위한 시료는 국내 해상풍력터빈 하부 구조물에 적용된 도료(시료 #01)와 방오(Anti-fouling) 특성이 있는 도료(시료 #02), 해저 케이블 보호 기자재에 일반적으로 사용되고 있는 연질의 폴리우레탄(Polyurethane) 필름(시료 #03)과 경질의 폴리우레탄 필름(시료 #04)을 후보군으로 사용하였다. 시료 #01과 #02는 실제 하부 구조물에 도포되는 도료의 일반적인 기준 두께(약 100 μm)를 반영하였고, 시료 #03과 #04는 해저케이블 보호용 기자재의 물리적 특성을 고려하여 테스트에 필요한 최소두께(약 3 mm)를 반영하였다.

국내 하부 구조물에서 사용되고 있는 Hempathane HS 55610은 바이오파울링에 대한 방오 특성 없이 해양환경으로부터 하부 구조물의 부식을 방지하는 방식성만 보유한 도료이고, PropOne은 바이오파울링 방지를 위해 자기 마모성을 보유한 방오도료이다. 방오도료는 주로 폴리머 기지(Polymer matrix)와 활성 방오성분(Biocides)으로 구성되며, 자기 마모성으로 인해 도료 표면이 해수와 접촉하면 화학 반응으로 인해 방오성을 가진 화합물이 가수분해되어 고분자로부터 결합이 분리된 후 표면이 스스로 매끄러운 상태를 유지하는 특성이 있다 [17]. 해저케이블 보호 기자재의 상용 물질로 사용되고 있는 폴리우레탄은 우수한 내수성 및 기계적 강도, 그리고 일정 수준의 소수성을 보유하고 있다.

방오 특성 평가 방법에 관한 연구에 사용된 시료는 크기 10 ㎝ x 10 ㎝의 PVC (Polyvinyl chloride) 판위에 코팅 및 부착하여 제작하였으며, 테스트 시료에 대한 자세한 사항은 Table 1에 정리하였다.

Table 1 Specifications of test samples

3. 접촉각을 이용한 표면에너지 분석

3.1 접촉각 분석

접촉각은 고체 표면과 액체의 경계에서 형성되는 각도로, 액체 방울이 고체 표면에 놓였을 때의 각도를 의미한다. 이 각도는 액체와 고체의 성질, 그리고 두 물질 간의 상호작용에 따라 달라지며, 표면에너지와 젖음성(wettability)를 평가하는 중요한 지표로 사용된다. 접촉각이 낮을수록(90˚ 이하) 고체 표면이 친수성(hydrophilic)으로 액체가 잘 퍼지는 것을 의미하며, 반대로 접촉각이 높을수록(90˚-150˚) 소수성 (hydrophobic)으로 액체가 고체 표면에 흡착되지 않고 구슬처럼 맺혀 흘러내리게 된다.

접촉각의 측정은 초순수(Di-water)와 요오드화메틸렌(Diiodomethane) 두 가지 표준용액을 이용한 방법을 사용하였으며, 시료들의 조건마다 각 2곳의 다른 위치를 측정하였다. Table 2와 Fig. 1은 시료 #01-04의 접촉각 측정 결과로, 시료 #01의 경우 초순수와 요오드화메틸렌에서 각각 평균 66.00°, 57.32°로 측정되었다. 시료 #02는 평균 103.23°, 86.01°로 초순수 측정 결과에서 가장 큰 접촉각을 보였으며, 시료 #03은 평균 100.22°, 98.39°로 요오드화메틸렌에서 가장 큰 접촉각을 보였다. 시료 #04의 접촉각은 평균 103.43°, 78.45°이다.

Table 2 Measurement result of contact angle

Fig. 1 Measurement results of contact angle using di-water and diiodomethane

3.2 표면에너지 분석

시료의 표면에너지는 접촉각 측정에 사용되는 표준용액의 수에 따라 Girifalco- Good-Fowkes-Young 모델(표준용액 1개), OWRK (Owens-Wendt-Rabel and Kaelble) 모델(표준용액 2개), Lewis acid/base 모델(표준용액 3개)을 사용하여 계산할 수 있다.

본 연구에서는 두 가지 표준용액을 통해 분산(Dispersion) 성분과 극성(Polar) 성분을 계산하는 이원성분법 방법인 OWRK 모델을 사용하였으며, 계산에사용되는 방법은 식 (1)-(2)와 같다.

γ_s = γ^d_s + γ^p_s       (1)

\(\begin{align}\cos \theta=-1+2 \sqrt{\frac{\gamma_{s}^{d} \gamma_{l}^{d}}{\gamma_{l}^{d}}}+2 \sqrt{\frac{\gamma_{s}^{p} \gamma_{l}^{p}}{\gamma_{l}^{p}}}\end{align}\)       (2)

식 (1)의 γ_s는 고체의 표면에너지, γ^d_s는 고체 표면의 분산 성분과 γ^p_s는 고체 표면의 극성 성분이라고 하며, 식 (2)의 γ^d_l는 액체의 분산 성분, γ^p_l는 액체의 극성 성분, θ는 접촉각이라 한다.

Table 3은 표준용액의 표면 장력(Surface tension)에 대한 분산 및 극성 성분으로, Table 2의 데이터와같이 식 (2)를 이용하여 연립으로 풀면 γ^d_s와 γ^p_s를 구할 수 있고, 식 (1)을 사용하여 최종적으로 표면에너지를 구할 수 있다. 이를 통해 계산된 시료들의 표면에너지는 Table 4에 정리하였다.

Table 3 Surface condition of standard fluids

Table 4 Surface energy calculated from contact angle

시료 #01의 표면에너지는 96.13 mN/m으로 가장 큰결과를 보였고, 시료 #02와 #03은 각각 6.94 mN/m, 10.39 mN/m 이였으며, 시료 #04는 6.15 mN/m으로 가장 작은 결과를 보였다. 시료의 표면에너지가 낮으면 접촉각이 커져 액체가 표면에 맺히지 않고 퍼지게 되며, 표면에너지가 높을수록 접촉각이 작아져 액체가 표면에 더 오래 머물며 넓게 퍼지게 된다. 따라서 Table 4의 표면에너지 분석 결과를 보면 시료 #01에서 가장 빠른 기간에 바이오파울링이 발생할 것으로 예상되며, 시료 #02와 #04에서 가장 느리게 바이오파울링이 발생할 것으로 판단할 수 있다.

4. 실해역 유사환경 테스트

4.1 해양환경

방오 특성 평가를 위해 시료를 설치한 위치의 해양환경은 2023년 기준으로 표층(Surface layer)과 저층(Bottom layer)의 평균 수온이 각각 20.26 ℃, 19.92 ℃이며, 염분은 33.76 ‰와 33.86 ‰, 용존 산소량(Dissolved oxygen)은 7.79 ㎎/L와 7.82 ㎎/L로 해양생물의 활성화, 즉 성장, 번식, 이동, 먹이 활동 등에 영향을 미치는 해양환경 요인들에 대한 자세한 사항은 Table 5에 정리하였다 [20].

Table 5 Marine environment at the antifouling evaluation site

4.2 테스트 환경 검증

바이오파울링에 대한 방오 특성 평가 방법 연구는 실제 해상풍력터빈이 설치되어 가동되고 있는 실해역 조건에서 진행하는 것이 가장 정확한 방법이지만, 기상 및 해상 환경으로 인하여 접근성이 현저히 떨어지는 문제가 발생한다. 따라서, 본 연구에서는 해상풍력 단지의 인근 항만을 실해역 유사환경 테스트 장소로 선정하고, 실제 해상에 설치되어 가동되고 있는 해상풍력터빈 하부 구조물과 항만에 설치한 시료의 바이오파울링 발생 특성을 분석하여 테스트 장소의 적정성을 검증하였다.

실해역 유사환경 테스트 장소의 적정성 검증은 시료 #01(국내 해상풍력터빈 하부 구조물에 적용된 도료)를 사용하여 진행하였으며, 시료들은 해상풍력터빈 하부 구조물의 보트 랜딩 부 사다리 최하부와 항만 바닥 기준으로 2 m 상부에 각각 설치하였다. 테스트 시료의 설치 장소에 따른 바이오파울링에 대한 연구는 1년 이상 수행하였으며, 시료들의 관측은 해상풍력터빈 하부구조물에 접근이 가능한 시점을 기준으로 4개월, 10개월, 13개월 주기로 수행하였다.

Fig. 2와 Fig. 3은 각각 해상풍력터빈 하부 구조물과 항만에 설치한 시료의 모니터링 결과로, Fig. 2의 해상풍력터빈 하부 구조물에 설치된 시료의 경우 홍조식물문(Rhodophyta) 산호말목(Corallinales)에 속하는 혹돌잎속(Lithophyllum)과 산호말속(Corallina)이 관측되었으며, Fig. 3의 항만에 설치된 시료의 경우 혹돌잎과 녹조식물문(Chlorophyta) 갈파래목(Ulvales)에 속하는 갈파래속(Ulva)이 관측되었다. 해상풍력터빈 하부구조물과 항만에 설치한 시료 모두 해양환경에 노출된 기간에 따라 시료 표면에 미생물이 생물막(Biofilm)을 형성하는 마이크로파울링(Microfouling)과 해조류(Seaweed)와 같이 유관으로 식별 가능한 다양한 종류의 생물들이 부착되는 마크로파울링(Macrofouling)이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 2 Biofouling observation images of offshore wind turbine substructure samples : (a) 0 month, (b) 4 months, (c) 10 months, (d) 13 months

Fig. 3 Biofouling observation images of harbor samples : (a) 0 month, (b) 4 months, (c) 10 months, (d) 13 months

4.3 바이오파울링 특성 분석

해양환경 노출에 따른 바이오파울링 특성 연구는 Table 1과 같이 테스트 물질의 종류와 자기 마모성 유무에 대한 4가지 시료들을 실해역 유사환경 테스트 적정성을 검증한 해상풍력단지 인근 항만에 설치하여 수행하였다.

Fig. 4는 3개월 간격으로 총 1년간 각 시료들의 표면 변화를 모니터링한 결과로, 전체적으로 3개월에는 생물막 형태의 바이오파울링이 발생하였고 6개월에는 갈파래속과 혹돌잎속이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 12개월의 모니터링 결과를 보면 시료 #01과 #04에서는 혹돌잎속에 비해 갈파래속이 우세하게 발생하였고, 시료 #03에서는 갈파래속과 혹돌잎속이 비슷한 양상으로 발생하였다. 시료 #02에서는 대부분 혹돌잎속이 우세하게 표면을 뒤덮었으며, 총 1년의 모니터링 기간 동안 다른 시료에 비해 가장 적은 바이오파울링이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 현상은 시료 #02가 보유한 자기 마모성으로 인해 일정 주기 간격으로 표면이 매끄러운 상태를 유지하는 특징 때문인 것으로 판단된다 [21].

Fig. 4 Biofouling observation images by exposure duration in the marine environment

모니터링 이미지를 통한 바이오파울링 발생 특성 분석은 OriginLab사의 OriginPro 프로그램을 사용하여 이미지들을 행렬(Matrix) 데이터로 변환하였으며, 변환된 데이터는 이미지 프로파일(Profile) 기능을 통해 바이오파울링 발생 유무에 따른 픽셀의 세기(intensity)를 비교하여 각 이미지에서의 바이오파울링 발생에 대한 Threshold 기준을 산정하였다. 또한, 바이오파울링 발생률은 히스토그램(Histogram) 변환을 통해 이미지 프로파일에서 산정한 기준을 바탕으로 정량적으로 분석하였다.

Fig. 5는 모니터링 이미지를 행렬 데이터로 변환하여 각 시료의 표면 변화에 대한 히스토그램 분석을 수행한 결과이다. 모니터링 간격에 따른 데이터의 빈도 분포는 3개월이 검정색, 6개월이 녹색, 9개월이 파란색, 12개월이 빨간색이다. Fig. 5의 (a)-(d) 모두 바이오파울링 발생이 증가함에 따라 이미지 데이터의 세기가 작아지는 방향으로 히스토그램이 이동하는 경향성을 보이며, (b)의 시료 #02를 제외한 나머지 시료에서 9개월 이후부터 급격히 왼쪽으로 이동하는 경향성을 보인다.

Fig. 5 Biofouling incidence based on exposure to the marine environment : (a) sample #01, (b) sample #02, (c) sample #03, (d) sample #04

Table 6은 각 시료 표면의 바이오파울링 발생률에 대한 분석 결과로, 시료 #01-03의 경우 모니터링 3개월에서 50-60% 정도의 발생률을 보였으며, 해양환경에 노출된 기간이 경과할수록 바이오파울링 발생률이 증가하였다. 시료 #04에서는 모니터링 3개월에서도 85%의 높은 발생률을 보였으며, 12개월에서는 표면 전체에 바이오파울링이 발생하였다. 시료 #02에서는 다른 시료에 비해 가장 낮은 발생률을 보였으며, 자기 마모성으로 인해 바이오파울링 발생률이 6개월에서 9개월까지 62.9%에서 46.6%로 감소하였다 12개월에 68.0%로 다시 증가하는 것을 확인할 수 있다.

Table 6 Analysis results of biofouling incidence rate

5. 결론

본 논문에서는 해상풍력단지에서 발생하는 바이오파울링에 대한 방오 특성 평가 방법에 관한 연구를 수행하였다. 방오 특성을 평가하기 위한 방법으로는 접촉각(Contact angle) 측정을 통한 표면에너지(Surface energy) 분석과 해상풍력단지 인근 항만의 실해역 유사 환경 테스트를 진행하였다. 표면에너지 분석 결과 자기 마모성(Self-polishing properties)을 보유한 시료와 폴리우레탄(Polyurethane) 필름 시료에서 각각 6.73 mN/m와 6.03 mN/m으로 상대적으로 낮은 결과를 보였으며, 총 1년 동안의 실해역 유사 환경 테스트에서는 자기 마모성을 보유한 시료에서 68.0%의 가장 낮은 바이오파울링 발생률을 보였다. 따라서 해상풍력터빈이 가동되는 해양환경에서의 바이오파울링에 대한 방오 특성을 평가하기 위해서는 통상적으로 사용되고 있는 접촉각을 이용한 표면에너지 분석뿐만 아니라 자기마모성 여부에 대한 평가도 필요할 것으로 판단된다. 향후 후속 연구를 통해 시료의 초기 표면에너지뿐만아니라 표면 조도(surface roughness), 해수 노출 기간에 따른 표면 형상 및 접촉각 변화, 자기 마모성 도료의 마모 깊이 등을 분석할 예정이다.