초전도 전력저장 장치의 개발동향

개요 전기를 효율이 높게 저장하는 기술을 개발하는 것은 전력관계의 기술자에게 있어 꿈의 기술이자 반드시 실현시켜 보고 싶은 중요한 기술개발 과제의 하나인 것에 대해 이견을 말할 사람은 없을 것이다. 이 전력저장 기술에 대해 초전도 현상인 전기저항이 ‘0’이 되는 특징을 이용해 초전도선에서 코일을 만들고 거기에 전기를 흘려도 코일전류의 감쇠시정수가 무한대가 되고, 초전도 코일에서만 폐회로를 구성하면 그 회로안을 외관 전류가 계속 흘러, 전력이 에너지 변환 없이 저장하는 것이 가능하다. 이것이 초전도전력저장(SMES : Superconducting Magnetic Energy Storge)이라 불리는 전력저장법이다. 다른 저장 방법이 전기에너지를 화학에너지나 회전에너지 등 어떤 에너지 변환을 함에 비해 이 SMES의 특징은 전기를 자기에너지의 형태로 저장하여 에너지 변환으로 인한 손실이 없고 높은 저장 효율을 갖는다. 또한 급속한 충방전, 예를 들면 1초에 저장한 모든 에너지를 방출하거나, 수만, 수십만 회의 반복 충방전에 대해 저장부가 열화하지 않는 특징도 있다. SMES는 액체헬륨을 이용한 극저온화로 금속계 초전도선재를 이용한 코일을 실현해 얻은 기술이 개발되기 시작한 초전도 연구의 여명기로 주야의 부하평준화용으로 수백MWh부터 수GWh급 양수발전 대체를 목표로 한 개발도 검토되고 있지만 현재는 전력 계통제어용이나 순시전압 저하보상(이하는 순저보상이라 한다.) 등의 용도로 개발이 진행되고 있다. 이미 구미에서는 마이크로 SMES라 불리는 소형 시스템으로 시험도입도 시작됐고, 일본에서는 당사가 개발한 세계최대 규모인 출력 10,000kVA의 순저보상용 SMES를 미에현 카메야마시에 신설한 최신예 액정TV 공장에 설치하고 현장 시험을 하고 있다. 또, 순저보상용 SMES에 비해 한층 고도의 기술을 필요로 하는 전력계통제어용 SMES 개발이 1991년부터 자원에너지청의 국가프로젝트로 진행되고 있다. 현재 이 국가프로젝트는 2007년 실계통연계시험에서 부하변동 보상기능이나 계통안정화 기능의 실증을 목표로 2004년부터 제3기가 개시되고 있다. 이 프로젝트가 목표로 하는 전력계통제어용 SMES는 순저보상 SMES가 저장하고 있는 에너지를 순시에 방출하는 동작에 대해 연속으로 반복 충방전동작을 효울이 좋게 하는 SMES 시스템이다. 이 기술을 완성시키기 위해 시스템 기술 개발은 무엇보다 대용량 저비용 전력변환기 개발이나 유지보수 프리의 냉동기개발, 혹은 SMES 적용범위를 크게 넓히는 고온초전도선재의 적용 등 혁신적인 개발도 맞춰 전개되고 있다. 아래에 SMES의 특징과 최근 개발동향, 앞으로의 전망에 대해 소개한다. SMES 1. 원리와 특징 SMES는 초전도선에서 만들어진 코일에 전력을 자기에너지로 저장하는 시스템이다. 초전도상태에서는 전기저항이 없어지기 때문에 코일에 흐르는 전류는 감쇠하지 않고, 닫힌 코일을 만들면 그 전류가 만든 일정의 자기가 계속 발생하고, 자기에너지로 전력이 보존되는 상태가 된다.

<그림 1>에 SMES 원리도를 나타낸다. 전력계통과 초전도코일 사이에는 교직변환장치나 코일 보호장치를 갖고, 초전도코일 충전시에는 코일에 직류통전전류를 증가시켜 초전도코일에서 폐회로를 구성하여 전기에너지를 저장한다. 방전시에는 초전도 코일과 교직변환장치의 회로를 닫고, 코일통전전류를 감소시킨 것으로 외부에 에너지를 내보낸다. SMES의 특징은 NAS전지나 레덕스플로전지 등 2차전지에 비하면 단시간 전력의 출입에 강한 점이 있다. 전지의 경우 화학반응을 이용한 에너지 변환을 위해 저장된 모든 에너지를 초단위로 방출하는 것은 어렵고, 출력에 대해 시간단위로 저장용량을 갖지만 SMES의 경우, 코일에서 전력저장을 하기 위해 필요한 에너지량만을 저장하는 것이 가능하다. 또, 반복된 충방전에서는 전지의 경우 그 회수에 제약이 있고, 빈도가 많을 경우 전지본체의 교환이 필요하지만 SMES의 경우는 기본적으로 저장부의 코일은 반복하는 충방전에 의한 성능저하가 없다. 따라서 SMES는 저장부의 대체에 따른 폐기물이 나오지 않는 환경에 좋은 장치라고 할 수 있다. 즉 SMESE는 수초의 출력시간에는 좋지만 대출력이 필요한 전력네트워크의 계통안정화나 뇌 등의 일시적으로 전압이 저하하는 소위 순시전압저하를 방지하는 용도, 부하변동이 큰 신칸센 등의 전기철도나 금속압연공장 등의 대형보조기기의 피크전력을 반복해 자르는 용도에 최적의 전력저장장치이다. 2. 기술과제 초전도현상은 어떤 특정한 재료의 온도를 내렸을 때 그 전기저항이 없어지는 현상이다. 이 현상이 최초로 확인된 것은 1911년으로 수은의 전기저항을 측정하는 중이었다. 그 때 온도는 액체헬륨의 비등점, 섭씨-269도라는 극저온이었다. 그 뒤 여러 원소, 화합물이 검토됐지만 임계온도(초전도상태로 전위하는 온도)의 비약적인 상승은 없고, 초전도에는 다른 하나의 극한기술, 액체헬륨에 따른 극저온냉각이 필수인 특수한 기술로 생각되었다. 따라서 통상의 상전도에는 실현 불가능한 특별한 용도로 적용, 구체적으로는 강력한 자장이 필요하고, 그 만들어내는 자장으로 성능이 좌우되는 핵융합이나 가속기, NMR이나 전기부상열차 등 응용개발, 실용화가 진행되고 있다. 대전류를 다루는 전력분야도 발전이나 송변전 등 폭 넓은 초전도 기술의 응용이 가능하고, 그 가운데에도 전력저장은 가장 초전도의 적용이 기대되는 응용으로 일찍이 국내외에서 연구개발이 진행되었다. 여기서도 기술과제는 역시 극저온에 따른 냉각 제약이 가장 큰 것이 된다. 특히 SMES 같은 에너지 저장을 목적으로 하는 장치에는 에너지 변환효율에 추가해, 시스템 전체에서 보조기기 동력을 포함한 효율이 중요해지고, 꽤 효율을 높게 냉각하여 저온상태를 유지할지가 실용화의 열쇠다. 이 때 저장밀도도 중요한 요인이 되어 이것이 낮은 경우, 장치가 대형화하고 냉각효율의 면에서 불리해진다. SMES에서는 에너지를 자계로 변환해 저장하고 자계를 높이면 저장 밀도가 올라가 장치의 소형화가 가능해진다. 그러나 현재 실용되고 있는 니오브를 기본으로 한 금속계 초전도체에는 초전도 특성이 덧붙여지는 자장에 따라 크게 좌우되고, 특히 높은 자장에서는 급속하게 그 특성이 저하된다. 따라서 어떻게 소형화를 실현할지가 큰 기술과제다. 또, 전력출력에 착목해 생각한 경우 전력은 전류와 전압의 곱으로 정해지는데 초전도는 전류를 높인 설계를 하면 초전도와 상전도의 접속부의 줄 발열이 커져 냉동기 부하의 증대가 되기 때문에 전압을 높인 설계를 목표로 하게 된다. 여기서 초전도 기기는 극저온에서 진공 혹은 헬륨가스 가운데 등에 놓여있어 이 경계하에서 고전압화를 도모하는 것도 중요한 기술과제다. SMES 개발동향 1. 국내외 개발동향 국내외 SMES 개발상황을 정리해 <표 1>에 나타낸다. 구미에서는 전력품질을 향상시킬 목적으로 저장용량이 2∼3MJ, 출력 3MW 정도의 소규모의 SMES가 일부 전력계통이나 반도체 공장 등에 설치되어 있다. 또 특수한 용도로 저장시간이 밀리초의 행융합의 펄스전원을 목표로 한 개발도 행해지고 있다. 또 최근에는 한국, 중국, 프랑스에서 산화물초전도선을 이용한 SMES 개발연구의 움직임도 있다. 국내에는 자원에너지청의 국가 프로젝트로 1991년부터 전력계통제어용 SMES 개발이 진행되고 있고, 현재 제3기 개발에 들어갔다. 제1기 개발에는 다목적 용도의 SMES를 실현하기 위해 필요한 초전도코일이나 직류차단기 등의 요소 기술개발을 중심으로 행하고, 비용이 과제인 것이 확실해졌다. 이것을 받아들여 제2기에서는 1999년부터 2003년의 기간, 전력계통제어용 SMES를 상정한 출력 100MW, 저장에너지 1.8GJ(부하변동보상·주파수조정용) 및 54MJ(계통안정화용)의 SMES 시스템에서의 코일부분의 저비용 기술개발을 당사와 큐슈전력이 위탁을 받아 개발을 진행해, 과제인 코일비용을 1/6∼1/10으로 저감시켜, 성능면에서도 종래의 초전도 코일의 성능을 크게 개선시켰다. 2004년부터는 코일 이외의 SMES 구성요소의 저비용화·신뢰성향상을 도모하고, 시스템 기술을 실게통연계시험으로 검증할 목적의 프로젝트가 2007년까지의 기간에 진행되고 있다. 아래에 국가프로젝트의 개발상황애 대해 소개한다. 2. 전력계통제어용 SMES 개발 자원에너지청의 국가프로젝트에서 전력계통제어용 SMES의 개발이 행해지고 2004년부터는 제3기 개발에 들어갔다. SMES 실용화에는 비용저감이 불가결하고, 제2기에 SMES의 용도를 계통안정화와 부하 변동보상·주파수 조정용도로 좁혀 개발이 행해졌다. 계통안전화용 SMES는 로컬 전력계통에서 계통고장시의 발전기의 대표적인 동요 패턴(동요주기 약 1초, 최대진폭 ±100MW 정도)에서 발전기 동요를 제어할 수 있는 규모를 상정하고, 부하변동보상·주파수조정용 SMES는 전압변동이 큰 고속철도 부하나 전압 프리커, 주파수 변동의 요인이 되는 철강플랜트 등을 채택해 그 대표적인 패턴(동요주기 약 18초, 최대진폭 ±200MW 정도)부터, 최대진폭의 반분정도를 보상할 수 있는 규모를 상정해 개발을 했다. 특히 추부전력이 개발한 부하변동보상·주파수조정용 코일에는 이 용도로 요구되는 대전류·대규모인 강제냉각부 전도코일을 실현하기 위해 안정화동을 분리해 대칭성이 높은 선재배치를 하는 것으로 저교류손실·저비용의 새로운 도체의 개발에 성공했다. 또 SMES는 에너지를 자기로 저장하기 위해 저장부에서 나오는 누설자계가 광범위하게 영향을 주는 시스템을 소형으로 설치할 수 없기 때문에 코일배치를 연구하여 멀티폴솔레노이드 배치의 코일시스템을 제작해 누설자계의 저감을 도모했다. 제작한 코일로 과거에 예가 없는 1만회의 반복 충방전 시험이나 계통안정화에도 적용이 가능한 출력 580MW 상당의 연속고속통전의 실현 등 당초의 목적 이상의 성과를 올렸다. <그림 2>에 개발한 도체와 요소 모델코일을 나타낸다.

제2기 성과에 입각해 SMES 구성요소인 전력변환기의 저비용화나 코일냉각 등에 불가결한 극저온 냉동기의 신뢰성 향상이나 후술하는 산화물 코일개발 등을 행함과 함께 시스템 기술을 실계통연계시험으로 검증하는 제3기 프로젝트가 2004년부터 전개되고 있다. 실계통연계시험은 SMES 시스템을 금속압연공장의 실제 부하변동에 대해 2차전지 등의 저장장치에는 실현이 어려운 2만회 이상의 반복 충방전으로 보상할 수 있는 기능을 검증하고, 시스템감시·제어 등의 기술과제를 명확히 함을 계획하고 토치기현 닛코시에 있는 후루카와닛꼬발전 호소오발전소에 출력 10MVA 최대 축적에너지 20MJ 시스템을 설치하고 2007년 여름에 시험을 실시할 예정이다. <그림 3>에 제작할 SMES 시스템의 조감도를 나타낸다.

국내 SMES 개발은 상술한 국가 프로젝트로의 대처 외에 대전력을 순시에 방출할 수 있는 SMES 특징을 살려, 뇌 등의 일시적으로 전압이 저하하는 순시전압 저하를 보상하는 용도로의 응용이 진행되고 있다. 아래에 그 개발상황에 대해 소개한다. 3. 순저보상용 SMES 개발 최근 IT 관계의 기술혁신을 지원하는 반도체나 액정 제조공장에서는 송전선의 낙뢰 등으로 발생하는 순저 대책이 큰 문제가 되고 있다. 현재 일본의 전력계통에서 발생하는 순저는 대부분 1초 이하로 순저 보상장치로는 이 1초간의 전압저하 보상이 그 동작책무가 된다. 다른 전력저장 방법으로 예를 들면 콘덴서는 보상시간이 0.1초부터 0.2초 정도로 짧고, 전지의 경우는 반응에 표준에는 시간단위, 단시간 사양으로도 몇 십분 정도로 과잉 전력저장부를 갖으면서 SMES는 전력의 저장부가 코일로 그 동작책무에 필요한 에너지량만으로 저장부를 구성할 수 있다. 따라서 보상에 필요한 1초분의 저장부는 압도적으로 소형이고 저장에너지 전체를 순시에 방출할 수 있기 때문에 종래의 보상장치같은 각각의 기기나 제조라인에 설치하지 않고 수전점에 설치하여 공장 전체를 일괄 보상할 수 있게 된다. 이 특징을 이용해 당사에서는 미에현 카메야마시에 새롭게 건설된 샤프(주)전의 최신예 액정공장에서 2003년 7월부터 출력 5000kVA의 순저보상 SMES 실증 현장시험을 행했다. 장치구성은 <그림 4>에 나타낸 대로 순시전압 저하를 빠르게 검출하는 고속검출기(변환기제어반), 전력계통에서 초전도 코일측에 고속(약 1/2사이클)으로 전환하여 부하에 급전하는 고속절환 스위치(절환 사이리스터반)와 변환기, 그리고 에너지저장부인 초전도코일, 코일냉각용 냉동기, 코일 보호장치 등으로 구성된다. SMES는 전기에너지를 자기에너지로 저장한다. 따라서 자계를 높이면 저장밀도가 올라가고, 장치의 소형화를 도모할 수 있게 되나 누설자장의 문제가 발생한다. 개발한 순저보상용 SMES는 앞서 국가프로젝트로 개발된 멀티폴 배치(4개의 솔레노이드코일을 이웃한 코일의 극이 반전하듯이 4중극으로 배치하여, 코일이 발생시킨 자장을 이웃한 코일의 자장으로 지운다)를 이용하여 이 누설자장의 문제를 해결해 고속자계에 따른 소형화를 실현하고 있다. 현장시험 상황사진을 <그림 5>에 나타낸다. 2004년 9월에는 미에현 북부에 동시다발적으로 발생한 뇌 등으로 시험 사이트를 포함한 전력계통에 순저가 다발하고, 계통측 2곳에 거의 동시에 발생한 낙뢰로 인한 연속순저 등 극히 드문 사상에 대해서도 보상할 수 있는 것을 검증할 수 있었다. 순저보상시의 전압파형의 일례를 <그림 6>에 나타낸다. 계통측에 연속한 순저발생이 보이면 SMES에서 빠른 전압이 확립되는 것을 알았다. 게다가 2005년 10월부터는 같은 샤프 카메야마공장에서 출력이 10,000kVA 순저보상용 SMES로 현장시험에 들어갔다. 개발한 10,000kVA기의 에너지저장부 외관과 초전도 코일사진을 <그림 7>에 코일주요제원을 <표 2>에 나타낸다. 이 코일은 대기효율을 높이기 위해 통전전류치를 낮추는 대신에 전압을 6.6kV로 높이는 설계를 취했다. 이 현장 시험에서 현재까지 수회의 순저보상 동작을 확인하고 있고 앞으로 냉동기의 신뢰성 평가도 포함해 약 2년간 실시할 계획이다. 산화물 SMES 개발 국내에는 지금까지 말해온 금속계 초전도 코일을 이용한 SMES 외에 Bi2212 산화물 초전도 도체를 이용한 SMES의 개발이 행해졌다. Bi2212 산화물 초전도체는 고자장 가운데 높은 통전 특성을 갖고, 임계온도도 높은 온도마진이 높게 취해져서 금속계에는 실현이 어려운 고자계화로 소형화와 높은 온도 안정성을 실현하는 것이 가능하고, 또 코일의 전기절연을 충분히 시행할 수 있다. 이미 Bi2212 환선을 6개 이용한 연선도체를 솔레노이드코일과, 그 높은 절연성능이 확인되고 4.2K, 자기자장에서 2500A급의 통전용량을 갖는 500m 길이의 Bi2212 일차연선을 이용한 1MVA급 순저보상용 SMES 코일을 당사는 도시바와 함께 개발했다. 1MVA급 순저보상용 SMES 코일은 φ1의 니크롬선 주변에 6개 φ1의 Bi2212 선재를 (1+2) 연선한 도체를 단척 솔레노이드로 돌리고 각 요소 코일간에 알루미늄 전열판을 끼워 넣어 18개 적층으로 구성되어 있다. 단척 솔레노이드 적층방식의 경우 동일도체 길이로 코일 제작이 가능, 적층 코일간에 코일 전도판을 배치하는 것이 용이, 도체의 자계중 특성에 응해 코일의 적층순을 변경하는 것이 가능한 등의 메리트가 있다. <그림 8>에 코일 외관, <표 3>에 1MVA급 순저보상용 SMES 코일 제원을 나타낸다.

개발한 코일을 전도냉각으로 냉각하는 1MVA 순저보상 SMES 시스템(<그림 9>)에 편입시켜, 1MW의 모의 부하저항을 대상으로 한 순저대상 동작시험이나 순저보상 장치로 구해지는 다중뇌 대응이 가능한 것을 확인하기 위한 연속보상동작시험(<그림 10>)을 실시했다. 이 결과 순저보상 동작은 물론이고 연속보상 동작이나 코일에 가장 과혹한 상태인 차단동작을 행해도 코일온도는 설계대로 억제되지 않는 것을 확인했고, 산화물 SMES의 유용성을 검증하고 있다.

또 2004년부터 시작하고 있는 자원에너지청의 초전도 전력 네트워크 제어장치 개발 프로젝트에 있어서 차세대 선재로 기대가 높은 이트륨 선재를 이용한 코일개발이 진행중이고, 소형 마그네트가 시작되어 65K로 0.65T의 자장발생을 실현하고 고자계화에 따른 소형화로 저비용의 SMES 실현을 위한 착실히 기술개발이 진행되고 있다. 결론 초전도 전력저장 장치(SMES) 개발동향을 소개했다. SMES는 에너지 변환효율이 높고 반복 충방전에 따른 열화가 없는 저장부의 대체가 불필요한 폐기물이 없는 시스템이라는 특징을 갖고 있다. 따라서 순시 전압보상용도를 계기로 실용화가 점점 시작되고 있다. 앞으로 실용을 할 때는 전력저장에 요구되는 다양한 요구에 응해 기존 전원이나 앞으로 보급이 예견되는 분산전원, 풍력발전 등과 최적의 융합을 도모해, 전력계통제어 기술에 기여하는 기술로 한층 기술개발을 전개함과 함께 차세대선재로 코일 개발 등 SMES의 저비용화를 위한 기술개발을 추진해 나가는 것이 중요하다.