해상 풍력 발전 단지에 음극 보호 기술 적용

음극 보호 기술(Cathodic Protection, CP)은 해상 풍력 산업의 중요한 부식 제어 기술로, 주로 해수 및 해양 대기 환경의 전기화학적 부식으로부터 강철 구조물(예: 모노파일 기초, 재킷 구조물, 해양 변전소)을 보호하는 데 사용됩니다. 해상 풍력 시설은 높은 염도, 습도, 파도세굴 및 미생물로 특징지어지는 복잡한 부식 환경에 장기간 노출되므로 -음극 보호 기술은 장기간 안전한 작동을 보장하는 핵심 수단 중 하나가 되었습니다.-

해상 풍력 시설의 부식은 주로 다음과 같은 환경 요인에서 발생합니다.

• 해수 부식: 높은 염도, 용존 산소 및 염화물 이온은 금속 부식을 가속화합니다.
• 조석대 부식: 습윤-건식 주기가 교대로 발생하면 산소 농도 차이가 발생하여 국부적인 부식이 심화됩니다.
• 해양 생물 오염: 미생물(예: 황산염-환원 박테리아)은 국부적인 부식을 촉진합니다.
• 순환 하중: 바람과 파도로 인한 동적 응력이 부식 피로를 가속화합니다.

일반적인 부식-취약 영역:

• 모노파일 기초: 침수 구역, 조석 구역, 물 튀김 구역.
• 재킷 구조 및 전환 부분: 용접 조인트, 관형 노드.
• 해양 변전소 플랫폼: 강철 파일, 데크 지지 구조물.
• 내부 파이프라인: 케이블 강철 케이싱, 그라우트 파이프.

1. 희생양극음극보호(SACP)

원칙:

• 강철 구조를 보호하기 위해 우선적으로 부식되는 전기화학적 활성이 더 높은 금속(예: 알루미늄, 아연 합금)을 양극으로 사용합니다.

신청:

• 모노파일 기초: 양극이 파일 표면에 직접 용접되거나 볼트로 고정됩니다.
• 재킷 관형 노드: 관형 조인트 주위에 설치된 환형 양극.
• 전환 조각 그라우트 구역: 그라우트 재료에 내장된 양극.

양극 재료:

• 알루미늄 합금 양극: 높은 전류 효율(85%~90%), 높은 전기 용량, 해수 환경에 적합합니다.
• 아연 합금 양극: 탁월한 안정성, 해수 및 해저 진흙에서 90%~95%의 전류 효율로 해수 및 해저 진흙 환경에 적합합니다.

디자인 고려사항:

• 구조 수명(일반적으로 25~30년)을 기준으로 양극 수량 및 분포를 계산합니다.
• 전류 밀도 요구 사항을 고려합니다(예: 침수 구역: 80~120mA/m², 조수 구역: 150~200mA/m², -진흙 구역: 20~25mA/m²).

2. ICCP(인상 전류 음극 방식)

원칙:

• 외부 전원을 사용하여 보호된 구조에 전류 흐름을 강제하여 금속 표면에 음극 분극을 유도합니다.

신청:

• 대규모 해양 변전소 플랫폼: 높은 적용 범위와 현재 수요.
• 복잡한 구조: 다중-파일 재킷 또는 동적 케이블 시스템.

시스템 구성 요소:

• 양극: 혼합 금속 산화물(MMO) 양극, 백금화 니오븀 양극, 백금화 티타늄 양극.
• 전원 공급 장치: 변압기 정류기 또는 정전류 정류기.
• 기준 전극: 실시간 전위 모니터링을 위한 Ag/AgCl 또는 아연 전극-

장점:

• 동적 부식 환경에 맞게 전류 출력을 조정할 수 있습니다.
• Suitable for long-life projects (>30년) 유지관리 비용이 저렴합니다.

1. 잠재적 기준:

• 강철 구조물의 보호 전위 범위: -0.80 V ~ -1.10 V (Ag/AgCl 전극 대비).
• 코팅 분리 또는 수소 취성을 방지하려면 과도한-보호(Ag/AgCl 대비 -1.10V 미만의 전위)를 피하세요.

2. 양극 레이아웃 및 설치:

• 모노파일 기초: 양극은 일반적으로 조석대와 진흙선 아래 지역에 초점을 맞춰 원주 방향으로 배열됩니다.
• 재킷 구조: 관형 조인트 및 용접부의 양극 밀도가 증가했습니다.
• 동적 영역: 구조적 변형을 수용하기 위해 인장 보조 양극 또는 분할 설계를 사용합니다.

3. 코팅 시너지 효과:

• CP는 고성능 -부식 방지 코팅-(예: 에폭시, 폴리우레탄)과 결합되어야 합니다.
• 음극 보호는 코팅 결함이나 손상을 보상합니다.

4. 모니터링 및 유지 관리:

• 잠재적인 모니터링: 사전 설치된-기준 전극 또는 ROV 검사를 통해.
• 양극 소비량 점검: 양극 잔류 질량 또는 전류 출력을 정기적으로 측정합니다.
• 스마트 시스템: IoT{0}}를 통해 육상 제어 센터로 실시간 데이터 전송이 가능합니다.-

• 독일의 Ocean Breeze Energy Bard Offshore 1 풍력 발전소.
• Shenneng Hainan CZ2 600MW 해상 풍력 발전 실증 프로젝트.
• CGN Shanwei Jiazi II 400MW 해상 풍력 발전소 ICCP 시스템 연구 프로젝트.
• SPIC Xiangshan 1# 500MW 해상 풍력 발전 단지 프로젝트.
• 중국 삼협 양장 양시 샤파 300MW 해상 풍력 발전 프로젝트.
• Huadian Fujian Fuqing Haitan Strait 300MW 해상 풍력 프로젝트.
• CPI Dafeng H3# 300MW 해상 풍력 발전 단지 프로젝트.

1. 기술적 과제

• 동적 부하 효과: 파{0}}양극-구조 연결부에서 피로 균열이 발생합니다.
• 심해 환경: 50미터를 초과하는 깊이에서 양극 전류 분포가 고르지 않습니다.
• 비용 관리: 대규모 풍력 발전 단지의 경우 양극재 비용이 전체 비용의 10~15%를 차지합니다.

2. 혁신방향

새로운 양극 재료:

• 나노-복합 양극(예: Al-Zn-In-Ti)을 사용하여 전류 효율을 향상합니다.
• 친환경 양극(중금속 용해도 낮음)

지능형 시스템:

• AI{0}}기반 적응형 전위 조정 기술.
• ROV는-공동 모니터링을 지원했습니다.

하이브리드 에너지 공급:

• 태양광 발전과 풍력 발전을 통합하여 ICCP 시스템에 녹색 에너지를 제공합니다.

3. 표준 및 규정

국제 표준:

• ISO 24656-2022(해상 풍력 구조물의 음극 보호).
• DNV-RP-B401 음극 보호 설계.

중국 표준:

• SY/T10030-2018 "해상 고정 플랫폼의 음극 보호 시스템을 위한 설계 코드".
• NB/T 10626-2021 "해상 풍력 발전소 프로젝트의 부식 방지 설계에 대한 코드".

음극방식 기술은 해상풍력 구조물의 내구성을 보장하기 위한 초석으로 재료과학, 해양공학, 스마트 모니터링 기술의 통합이 필요합니다. 산업이 더 깊은 수역과 더 큰 용량으로 발전함에 따라 CP 시스템은 더 높은 효율성, 환경 지속 가능성 및 지능을 강조하게 될 것입니다. 재료 및 디지털 관리의 미래 혁신은 수명주기 비용을 줄이고 해상 풍력 에너지의 전 세계적으로 지속 가능한 개발을 지원할 것으로 예상됩니다.