고온 초전도 전력저장 시스템 개발 현황 및 전망

고온 초전도 전력저장시스템 개발 현황 및 전망 한국전기연구원 초전도기기 연구그룹 성기철 책임연구원 1. 기술개발 배경 및 의의 본 기술은 전력산업 발전을 위한 기술 분야인 전력공급 안정화기술, 환경친화 전력기술 및 전력시장경쟁력 강화 등의 목적과도 부합하는 새로운 미래 혁신기술이다. 본 기술개발에 대한 배경 및 의의를 검토하기 위해, 전기 분야에 대한 새로운 여건변화를 살펴보고 각각의 상황별로 초전도 전력저장 (SMES : Superconducting Magnetic Energy Storage, 이하 SMES로 표기함) 시스템의 역할에 대해 검토하였다. 분산형 전원 도입량 증대 분산형 전원의 도입량이 증대됨에 따라 분산형 전원의 계통 연계에 의한 전력 품질공급 신뢰도 확보에 대한 문제가 지적되고 있어 계통제어 측면에서 효과가 탁월한 전력저장 기술로서의 SMES 개발 중요성이 더욱 커지고 있다. 전력시장 자유화 전력시장 자유화에 따라 경쟁이 강화되고 있어 향후 전력품질을 유지하면서 한층 더 저비용화를 도모해 가는 것이 중요한 과제로 떠올랐다. 이 때문에 주파수 조정, 전력계통의 안정화에 매우 유효한 계통 제어용 SMES 개발에 기대가 높아지고 있다. 지구환경 문제의식 고양 전력저장 기술은 전력의 안정공급을 가능하게 하며 지구 온난화의 주범인 CO2 저감과 에너지 절약에 대한 공헌의 관점면에서도 기대가 크다. 따라서 계통제어용 SMES에 이어 실용화가 예상되는 부하 평준화용 SMES 기술개발도 기대되고 있다.

IT기술의 급속한 발전 IT의 급속한 발전에 따라 전력수요에서도 IT가차지하는 비중이 급속히 증가하고 있으며 향후에는 보다 더 높아질 것으로 예측되어 순간 전압강하 등이 발생했을 경우의 영향은 지극히 클 것으로 생각된다. 따라서 사용자에 있어 순간 전압강하 방지를 포함한 전력품질의 유지 향상에 위력을 발휘할 수 있는 SMES 개발 필요성이 높아지고 있다. 또한 SMES 시스템은 다음의 <그림 2>에서와 같이 발·송·변·배전분야에서 거의 전 분야에 걸쳐 활용될 수 있는 유력한 기기로 국내외적으로도 인정받고 있다.

2. 원리 및 구조 SMES 시스템은 초전도 코일에 전류를 흘려 발생되는 자기(磁氣)에너지로 전력을 저장하는 새로운 개념의 저장 방식이다. 즉 <그림 3>과 같이 인덕턴스 L [H]인 초전도 코일에 직류전류 I [A]를 흘리면 자기에너지 [J]가 저장되므로 이를 이용하는 시스템으로 에너지 저장 요소가 초전도 코일이기 때문에 다른 어떠한 저장방식보다 효율이 높고 응답속도가 빠른 것이 특징이다.

SMES 시스템은 <그림 4>에서와 같이 에너지를 저장하기 위한 초전도 마그네트, 이를 저온으로 유지시켜 주기 위한 단열저온 용기(Cryostat), 초전도 마그네트를 냉각하기 위한 냉동기 및 교류전력과 직류전력을 상호 변환시켜주기 위한 전력변환기 등으로 구성되어 있다. 3. 기술의 특징 및 효과 SMES 시스템은 전기를 에너지로 변환하는 과정 없이 바로 저장할 수 있으므로 저장 효율이 높고, 전력의 충·방전 속도가 매우 빠르다는 특징을 갖는 새로운 전력저장 기술이다. 또한 현용 기술인 2차 전지나 플라이 휠 등의 다른 전력저장 장치로는 구현할 수 없는 수 ㎽ ~ 수십 ㎽ 규모의 대전력으로 에너지를 저장·방출할 수 있는 SMES 고유의 특성은 계통제어에 있어서 지극히 큰 장점을 가지고 있다. 비교적 소형의 초전도 코일이 이미 상용화되고 있으며 대형 초전도 코일의 경우, 핵융합 연구용으로 ITER(국제 열핵융합 실험로)나 LHD(대형 헤리컬 실험장치) 등의 연구개발이 진행 중이므로 직류에서 사용하는 대전류형의 초전도 도체나 대형 초전도 코일 및 대형 냉각시스템 등의 기술이 축적되었다. 그리고 산화물계의 고온 초전도 선재도 이를 이용해 소형 극저온 냉동기로 냉각되는 산업용 초전도 코일이 개발이 진행되어 액체 헬륨 온도에서는 20T를 넘는 고자장을 발생시킬 수 있는 코일용 선재가 개발되기에 이르고 있다. 따라서 SMES 개발에 필요한 대형 초전도 선재·코일 기술 및 극저온 냉각기술 등의 제반 기술 요건이 갖추어져 있다. 그러나 저온 초전도체를 사용한 SMES에서는 타 경쟁기술에 비해 비용이 높은 것이 단점으로 지적되고 있다. 최근 고온 초전도 도체가 발전됨에 따라 고온 초전도체를 적용한 SMES는 저온 초전도 SMES가 갖고 있는 문제인 저자계 운전, 고가의 냉각 비용 및 운전 및 유지 보수상의 어려움 등을 해결할 수 있어 보다 저비용으로 기술개발이 가능할 것으로 예측됨에 따라 본 기술개발이 추진되었다. 4. 개발 사례 및 기술 응용분야 가. 개발 사례 (1) 미국 미국의 초전도 선재회사인 ASC와 해군연구소인 NRL(Naval Research Laboratory)은 Bi-2223 선재를 이용한 전도냉각 마그넷을 제작하였다. 개당 440m의 선재로 더블 팬 케익을 34개 쌓아올렸으며, 총 선재 길이는 15km이다. 21K 운전에서 7.25 T, 2인치 실험공간에서 ±1%의 자계 균일도를 달성하였다. 2대의 Leybold 일단 냉동기를 이용하고 한 대는 코일, 또 한 대는 열쉴드와 고온초전도 전류리드를 냉각한다. 초기냉각은 36시간 이내로 냉동기의 소비전력은 6kW이다. 121.3A에서 7.25T, 24시간 연속운전을 실시하여 안정하게 운전하는 것을 확인하였다. 또 교류여자에서의 손실측정도 실시하였다. (2) 일본 중부전력은 Bi2212 초전도체를 이용한 고온 SMES용 코일을 개발하였다. 자기 자장 4.2K에서 2,500A급의 통전 용량을 가진 500m 길이의 Bi2212 연선을 이용한 1MVA급 순간 전압강하 보상용 SMES 코일을 개발했다. 1MVA급 순간 전압강하 보상용 SMES 코일은 φ1의 니크롬선의 주위에 6개의 φ1의 Bi2212 선재를 (1+6) 연선 한 도체를 솔레노이드 형태로 권선하여, 각 요소 코일 간에 알루미늄 전도판을 사이에 두어 18개를 적층하여 제작되었다. 코일의 외관 및 제원은 각각 <그림 5> 및 <표 1>과 같다.

(3) 독일 독일의 FZK(Forschungszentrum Karlsruhe)에서는 아래의 <그림 6>에서와 같이 10개의 코일로 구성된 toroidal형 고온 초전도 코일 시스템을 제작 평가하였다. 하나의 솔레노이드 코일은 외경이 360㎜, 인덕턴스는 4.37H 이며 저장용량은 운전전류 300A에서 200kJ 이었으며, 최대 253kJ을 달성하였다.

(4) 프랑스 넥상스(주) 프랑스는 DGA(방위성)에서 연구개발비를 지원 받아, 그레노블 고자장연구소와 함께 800kJ 고온 SMES 개발을 진행하였다. 이 프로젝트는 세계 최초의 20K cryogen free 마그넷으로 2003년 2월부터 2006년 7월까지이며, 개발된 초전도 코일의 주요제원은 <표 2>와 같다. 그러나 2007년 초, 그레노블 고자장연구소에서 이에 대한 시험평가를 수행하였으나, 시험 시 온도 상승으로 내부 코일에 소손이 발생하여 아쉽게도 실패하였다고 발표하였다. (5) 국내 국내의 SMES 연구는 1985년 20kJ 저온 SMES 연구를 시작으로 현재까지 꾸준하게 진행되고 있다. 개발 초기부터 현재까지 수행되었던 국내에서의 연구개발 실적을 정리하면 아래 <표 3>과 같다. 한국전기연구원은 한국기계연구원과 현대중공업 및 대학과 공동으로 2004년부터 2007년까지 3년 동안, 아래 <표 4>에서와 같이 고온초전도 도체를 사용한 600kJ급 고온 SMES 시스템을 개발하였다.

특히 이번에 개발된 600kJ급 고온 SMES 시스템은 아래의 <그림 7>에서와 같이 충·방전 특성을 시험을 실시한 결과, 초기 계획했던 운전전류 275A에서 360A까지 시험한 결과 안정적으로 운전됨을 확인할 수 있었다. 이 결과는 저장용량이 1.03MJ이라는 의미하며, 따라서 아래 <그림 8>과 같이 국내 독자적인 기술로 현재까지 개발된 것 중 세계 최대 용량 개발에 성공함으로써 이번 개발을 통해 우리의 기술이 세계적 수준임을 다시 한번 입증하였다.

나. 기술 응용분야 SMES의 속응성 및 대용량 충·방전 특성을 이용한 전력회사에서의 응용이 기대되며, 민감한 부하특성을 가지는 반도체 제조, 은행, 병원, 전산센터 등의 보호용 전원으로도 활용이 가능하다. 또한 연속 공정을 갖고 있는 제지, 화학 및 철강 플랜트에도 응용될 수 있다. ·전력회사 및 군용 ·반도체 제조회사, LSI 제조회사 ·화학, 철강, 석유플랜트 ·기계 가공업계 ·통신, 은행, 병원, 계산 센터 및 데이터 센터 등 [ 응용 분야 ]

5. 향후 과제 향후에는 궁극적으로 중·대용량 SMES 기술개발이 필요하지만, 이를 위해서는 설비의 방대하므로 초기 투자비 과다, 초대형 극저온장비 운용기술의 어려움 및 대형화에 따른 전자력에 대한 지지 등의 어려움이 있기 때문에, 현재 기술로 개발이 가능한 소용량 SMES부터 실용화시키면서 이를 통해 습득된 기술을 바탕으로 용량을 늘려가 최종적으로는 중형 및 대형화를 실현하는 것이 국내외적 연구개발 추세이다. 이번에 개발된 1MJ급 고온 SMES 시스템은 전력산업기반기금을 통해 개발된 것으로, 이를 통해 확보한 기술개발 경험을 바탕으로 향후 2 단계, 4 년 동안 준 상용화 수준인 수 MJ급 고온 SMES 시스템을 개발한 후, 충분한 현장시험을 거쳐 3 단계에는 상용화할 계획이다. 현재는 SMES 시스템이 타 경쟁기술과 비교할 경우, 가격은 다소 고가이나 기술적으로 우수하므로 전력품질 장애로 큰 피해를 받고 있는 산업현장에서는 우선적 활용이 기대되며, 또한 SMES 원가 결정의 주요 요인인 초전도 선재의 저 가격화가 활발히 진척되고 있어 조만간 여러 산업현장에서 한층 더 확대할 것으로 전망하고 있다. 따라서 향후 연구개발의 성공 여부가 실용화로 갈 수 있는 해답이라고 기대하면서, 마지막으로 본 고가 독자들께 SMES 기술에 대한 이해에 조금이나마 도움이 되었기를 기대해 본다.