차세대초전도응용기술개발사업단(www.cast.re.kr) 한국전기연구원 초전도연구센터_조전욱 박사 (055)280-1652 / jwcho@keri.re.kr
개요
초전도 케이블은 1961년에 McFee가 최초로 제안해 1980년대 초까지 유럽, 미국, 러시아, 일본 등에서 주로 금속계 초전도체인 Nb, NbTi, Nb3Sn 등을 이용한 저온 초전도 케이블에 대한 연구가 활발하게 진행됐다. 그러나 사용 조건, 경제성 등 저온 초전도 도체의 한계로 인해 제조 기술, 포설 공법, 고장 대책 등을 포함한 신뢰성 확보 및 경제성 관점에서 여러 과제가 남아있는 상태로 중단되고 말았다. 그러던 것이 1986년 약 90K의 임계온도에서 초전도 특성의 재현성이 양호한 Y-Ba-Cu-O계 초전도체가 발견됨에 따라 액체헬륨이 필요 없는 액체질소 냉각 초전도 케이블의 실현 가능성을 기술적으로 검토하게 됐다. 그리하여 현재는 여러 나라의 실제 전력계통에서 시험 운전 및 적용 계획이 구체적으로 진행되고 있다. 초전도 케이블은 <표 1>과 같이 기존 케이블의 구리 도체 대신 고온 초전도 도체를 사용해 저손실 · 대용량 전력 수송이 가능한 전력 케이블로, 대도시의 전력 공급 문제를 해결할 수 있는 녹색에너지 전략에 적합하다. 기존의 전력 케이블에 비해 초전도 케이블은 765㎸나 345㎸의 초고압이 아닌 154㎸ 또는 22.9㎸의 저전압으로 대용량 송전이 가능하기 때문에, 종래 변전소의 고전압 송전을 위한 주변기기를 간략화할 수 있다. 초전도 케이블은 송전 손실이 극히 적고 구리 케이블의 20% 수준의 크기로 같은 용량의 송전이 가능하다. 또한 추가 건설 공사 없이 이미 설치되어 있는 도심의 전력구(전력 케이블용 지하 터널) 또는 관로를 사용할 수 있어 매우 경제적이며 도심의 부지, 전력 공급 문제 등을 해결할 수 있다.
초전도 케이블의 대표적인 구조는 <그림 1>과 같이 형상 유지 및 포설 등을 위한 Former, 도체인 초전도 선과 전기절연을 위한 절연층 등으로 구성된 케이블 코아와 열절연을 위한 Cryostat 및 초전도 케이블의 냉각 및 냉매의 순환을 위한 순환펌프, 냉동기 등의 냉각 시스템, 상온부와 극저온을 연결하는 단말(Termination) 등으로 구성된다.
초전도 케이블의 국내외 동향
현대사회는 대도시로 집중된 빌딩과 도시 기능의 고도화로 전력 수요가 급증하고 있다. 전력 수요 고밀도화에 대한 대책으로 지중 케이블을 대용량화하거나 복수회선을 새로 증설하고 있으나, 도심 지하공간은 지하철, 통신, 수도, GAS 및 빌딩 등이 복잡하게 얽혀 있어 지중 케이블용 관로 및 전력구를 확보하는 데 어려움이 많다. 이러한 문제를 해결하기위해 고전압화와 강제 냉각 방식 등으로 케이블의 용량을 증대시키고 있지만 거의 한계에 도달한 상태이다. 따라서 손실이 현저하게 적고 에너지 밀도가 매우 큰 초전도 케이블이 이러한 문제를 해결할 수 있는 기술로서 전 세계적으로 많은 연구개발이 진행되고 있다. 현재 실제 전력계통에서 시험 운전을 하고 있으며 실용화에 가장 근접해 있다고 볼 수 있다.
1. 미국 미국은 Southwire Co.와 ORNL(Oak Ridge National Lab.)이 공동으로 2000년 2월부터 2005년까지 Georgia주의 Carrollton 공장 내에 12.5㎸, 1.25㎄, 3상으로 30m 시스템을 설치해 공장 내의 전력 공급용으로 3,0000시간 동안 운전하는 데 성공했다. 미국의 대표적인 초전도 케이블 프로그램은 DOE의 지원을받은 SPI(Supercondu ctivity Partnership with Industries) 프로그램으로 LIPA Project, AEP Ohio Project 및 Albany Project 등 3대 초전도 전력 케이블 프로젝트가 2006년부터 실계통에서 운전을 시작했으며, 그 중 LIPA Project, AEP Ohio Project에서 설치된 초전도 케이블은 현재까지도 계 속 실전력계통에서 운전 중이다. LIPA(Long Island Power Authority) Project는 AMSC가 주관으로 138㎸, 620m, 3상 초전도 전력 케이블을 East Garden시의 변전소에 설치하여 2007년부터 계통운전 중이며, AEP Ohio Project는 Ultera가 주관으로 13.8㎸, 200m, 3상 동축 초전도 케이블이 2006년 7월부터 Columbus 변전소에서 운전을 시작했다. Albany Project는 SuperPower와 Sumitomo 전공이 공동으로 2006년 7월부터 34.5㎸, 350m, 3상 초전도 케이블을 허드슨 강변에 설치하여 실계통 운전을 완료했다(<표 2> 및 <그림 2, 3, 4> 참조).
미국은 SPI 프로그램의 후속으로 DOE의 지원을 받아 2007년부터 SPE(Superconductivity Power Equipment) 프로그램에 착수했다. New Orleans의 Downtown 변전소 사이에 13.8㎸/2.5㎄(60㎹A), 1780m 규모의 초전도 케이블을 Southwire와 Entergy Corporation(전력회사) 등이 공동으로 설치하는 실적용의 초전도 케이블 프로젝트와 DHS(Department of Homeland Security)에서 지원하는 HYDRA 프로젝트 등 2010년 배전계통을 정전 등의 사고에서도 안전하게 유지할 수 있도록 초전도 케이블을 적용해 계통으로 재편하는 2개의 신규 초전도 케이블 프로젝트와 기존의 LIPA I의 1상을 2세대 초전도 도체인 Coated Conductor로 교체하여 운전하는 LIPA II 프로젝트 등을 진행하고 있어 점진적으로 실용화 를 추진하고 있는 상황이다.
2. 일본 일본은 고온 초전도 도체가 발견된 시점부터 초전도 케이블에 대한 연구를 진행해 2001년 Sumitimo 전공(SEI)이 66㎸/1000A, 100m 초전도 케이블을 CRIEPI(전력중앙연구소)에 설치하여 시험을 완료했다. <그림 5>와 같이 2004년 Furukawa에서 교량, 지하, 지상 등 여러 조건의 실제 운전 상황을 모의해 77㎸/1㎄, 500m 초전도 케이블을 제작 · 평가완료했다. 또한 고온 초전도체를 적용한 초전도 케이블에 대한 연구를 활발하게 진행한 일본은 동경전력, SEI 등이 공동으로 2011년 Yokohama의 동경전력 변전소에 66㎸급 초전도 케이블을 실계통에서 운전하기 위해 준비 중이다. 현재 진행 중으로 가장 장거리 선로인 네덜란드의 초전도 케이블 프로젝트는 암스테르담 시내를 관통하는 기존 150㎸/100㎹A 지중 케이블 3회선 중 1회선을 50㎸/250㎹A, 6km의 초전도 케이블로 교체하는 프로젝트를 진행하고 있으며 이는 완전 상용화 수준으로 볼 수 있다.
3. 중국 중국은 InnoPower Co.가 2004년 6월 30m급 초전도 전력 케이블을 중국계통에 최초로 설치했다. 전압계급은 35㎸이며, 정격전류는 2㎄이다. 대부분의 초전도 케이블이 절연층이 냉매 속에 위치한 Cold Dielectric으로 설계되고 있는 것에 반해 본 프로젝트는 절연층이 상온에 있는 WD 방식으로 제작됐으며, 8대의 GM 냉동기를 설치해 냉각 시스템을 개발 · 운전하고 있다(<그림 6> 참조).
4. 한국 국내에서의 초전도 케이블 개발은 CAST(차세대 초전도 응용 개발 사업단)에서 관리하고 있는 DAPAS 사업으로 2001년부터 한국전기연구원과 LS전선㈜ 등이 공동으로 진행하고 있다. 1차적으로 22.9㎸/50㎹A급 초전도 케이블을 한전의 실증시험센터에 설치해 2007년 세계 최초로 국제 공인기관인 KINECTRICS(캐나다)의 입회시험을 성공적으로 마치고 실증시험을 완료했다(<그림 7> 참조). 이 결과를 바탕으로 한전과 LS전선㈜가 공동으로 22.9㎸/50㎹A급 초전도 케이블을 한전의 실계통에 적용 · 운전하는 사업이 2008년부터 진행 중으로 2010년 서울 근교의 한전 변전소에 설치 및 운전할 예정이다.
2007년 시작된 DAPAS 3단계 사업은 한국전기연구원, 한전 전력연구원, LS전선㈜ 등이 공동으로 세계 최고 전압과 용량인 154㎸/1GVA급 초전도 케이블을 개발하고 있다. 현재 전북 고창의 한전실증시험센터에 건설 중인 초전도 케이블 실증시험장에서 2009년 하반기부터 장기실증시험을 목표로 개발 중이다(<그림 8> 참조).
마무리
현재 세계 각국에서는 초전도 케이블 개발뿐 아니라 조기 상용화를 위해 장기 평가 시험, 규격화 등 신뢰성 확보에 많은 시간과 노력을 기울이고 있다. 초전도 케이블은 더 이상 미래 기술이 아닌 실용 기술로서 사회의 발전에 따라 예상되는 기술적 문제, 환경, 사회 문제 등을 해결할 수 있는 기술로 각광받고 있다. 초전도 케이블을 기반으로 한 신전력계통은 기존 전력 공급 방식의 패러다임을 바꾸는 것으로 미래 에너토피아(Enertorpia)의 한 단면이 될 것으로 예상되는 바, 수년 내에 초전도 케이블의 계통적용을 기대할 수 있을 것이다. 한편 초전도 케이블뿐 아니라 초전도 한류기, 초전도 변압기, 초전도 모터 등 초전도 전력기기와 SMES, 플라이휠, 발전기 등 여러 종류의 초전도기기 개발이 세계 각국에서 이루어지고 있어 다양한 분야에서의 초전도기기의 실용화가 곧 이루어질 것으로 예상된다.
초전도의 역사에 있어서 또 다른 역사적 발견은 1933년 독일사람 마이스너(Meissner)와 오센펠트(Oschenfeld)가 이루어냈다. 이 두 사람은 초전도체가 단순히 저항이 없어지는 것뿐 아니라 내부의 자기장을 밖으로 내보내는 현상(자기 반발 효과)이 있음을 발견했다. 이러한 초전도체의 완전반자성으로 나타난 효과를 마이스너 효과(Meissner Effect)라 부른다. 마이스너 효과는 전기저항이 없어지는 특성과 함께 초전도의 가장 기본적 특성으로 손꼽힌다. 우리가 흔히 알고있는 초고속 자기부상열차의 원리는 초전도체 마이스너 효과를 이용한 것이다.
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