[중전기 차세대 성장 동력, 초전도 전력 기기 ②] 초전도 전력 기기의 기술 동향

초전도를 흔히들 '꿈의 기술'이라 부른다. 그도 그럴 것이 전기 저항이 전혀 없어 초전도체로 만든 회로 안에 전류가 흐르기 시작하면 전력 손실이 일절 없다. 이로 말미암은 전력 산업 패러다임의 변화는 가히 상상을 초월한다. 초전도 현상은 1911년 네덜란드의 헤이커 카메를링 오너스가 액체 헬륨으로 극저온 실험을 하던 도중 처음 발견했다. 획기적인 발견이었음에도 아주 낮은 임계 온도가 걸림돌이었다. 그러다 1986년 고온 초전도체를 발견하면서 초전도 전력 기기는 현실에 한층 가까워졌다. 초전도 케이블을 비롯해 지금 여러 나라에서 초전도 전력 기기를 개발 연구 중이다. 그중 일본에서 진행 중인 'Y계 프로젝트'를 중심으로 초전도 전력 기기의 기술 동향을 살펴본다.

초전도는 전기 저항이 '제로(0)'이기에, 전류가 흐를 때 발생하는 에너지 손실을 억제하고 기기를 소형화할 수 있다. 또한, 큰 전류를 흘림으로써 코일에 의한 강한 자계도 만들 수 있다. 이러한 장점을 가진 초전도 선재와 전력 기기의 개발상황을 소개한다.

초전도 선재의 개발 상황
초전도 물질을 코일이나 케이블 등 기기로 이용하려면, 구리선과 같이 가늘고 긴 선으로 만들어야 한다. NbTi 등 금속계 초전도 재료는 가늘고 길게 만드는 것은 쉬운 반면, 초전도로써 이용하려면 고가의 액체 헬륨으로 온도(약 -270℃)로까지 냉각해야 한다는 단점이 있다.
저가의 액체 질소로 온도(77K=-196℃)에서 초전도 상태가 되는 고온 초전도 물질을 1986년에 발견한 이후 20년 이상이 흘렀다. Bi(비스무스)를 주재료로 하는 Bi 선재는 연구 개발 결과 1500m가 넘는 선재를 개발해 전력 케이블뿐 아니라 전기자동차용 모터, 선박용 모터 등으로 최근 시험 제작 개발을 확대하고 있다.
한편, 고온 초전도 물질로 Y(이트륨)을 이용한 초전도가 있다. Y, Ba, Cu, O 원소로 구성되며, Y 대신 Ho, Sm, Gd 등 희토류 원소로 치환하면 성능이 달라진다. 이 모두를 아울러 Y계 초전도 물질이라 하고, 이를 선재화한 것을 Y계 선재라고 한다. Y계 선재는 선재 강도가 강하고, 사용하는 재료의 전체 비용이 저렴하며, 자계 중 전기적 성능이 우수함에도 불구하고 그동안 선재화가 어려웠다. Y계 초전도 물질은 금속 기판 위에 초전도 물질을 나열해 선재로 만든다. 이때 결정 방향이 일치하지 않으면 초전도 선재로써 성능이 향상되지 않는다. 이온빔이나 레이저를 구사한 증착법 등 고도의 기술 개발로 금속 기판 위에 결정 방향을 일치시킨 Y계 선재의 제작이 가능해졌으며, 성능도 향상됐다. <그림 1>은 현 단계에서 완성한 선재다. 이 선재는 1㎝ 폭으로 300A 이상 되는 전류(임계 전류)를 흘릴 수 있다.
길이는 500m다. Y계 선재의 성능은 현재도 착실히 향상되고 있으며, 이 선재를 이용한 전력 기기 개발도 진척 중이다.

전력 기기의 개발 상황
일본은 소형이면서 대전류를 통전할 수 있는 Y계 선재를 이용해 전력 계통 제어 기술에 해당하는 초전도 전력 저장 시스템(이하 SMES), 송전 기술에 해당하는 초전도 케이블 및 초전도 변압기를 개발하는 프로젝트(이하 Y계 프로젝트)를 2008년부터 시작했다. <그림 2>는 프로젝트 개념도를 나타낸 것이다. Y계 프로젝트를 중심으로 SMES, 전력 케이블, 변압기, 한류기의 최신 개발 동향을 소개한다.

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SMES | SMES는 초전도 선재로 만든 코일에 영구전류를 흘림으로써 전기 에너지를 저장하는 장치다. 에너지를 저장한다는 점에서 이차전지와 동일하나, 매우 짧은 시간에 큰 전기 에너지를 넣고 뺄 수 있는 특징이 있다. 지금까지 Nb계 금속계 초전도선을 이용해 SMES를 개발해 왔으며, 순간 전압 강하 대책 장치로써 실증 시험을 하고 있다. 부하변동 보상 장치로써 10㎹A급 입출력이 가능한 SMES는 금속의 용융鎔融 · 압연壓延에 크게 변동하는 전기 부하를 보상하며, 전원 전압을 안정화하는 성능 검증을 행했다. 이때 개발한 SMES의 외관이 <그림 3>이다.

Y계 프로젝트는 전력 계통 안정화에 이바지하는 것을 목적으로 2GJ(예를 들어 200㎿×10초) 에너지를 저장하는 SMES를 개발하고자 한다. 대전류 · 고자계에 의한 후프 응력(밖으로 퍼지려는 전자력)을 견디는 코일 구성, 냉각을 포함한 시스템조합 등이 중요 과제다.

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전력 케이블 | <표>는 전 세계적으로 계획 · 실시 중인 초전도 전력 케이블의 계획과 실적을 나타낸 것이다. 일본은 2002년 66㎸, 1㎄, 100m 길이의 초전도 케이블을 개발해 장기 시험을 했다. 미국은 대규모 정전 발생 이후 전력 유통 설비가 취약하다는 지적에 따라, 또한 초전도 선재를 개발하는 기업이 상당히 적극적으로 나서는 데 힘입어 다양한 초전도 케이블 프로젝트를 실시해 왔다. 특히 Albany나 LIPA 프로젝트는 개발한 초전도 케이블을 실제 전력 계통에 도입해 실증 시험 중이다.
초전도 케이블의 개발 목적은 기존 관로를 그대로 활용하면서 케이블을 소형화해 도시에서 늘어나는 전력 수요에 대응하는 것, 거기다 송전 시 수반되는 손실을 줄이는 것이다. 초전도 케이블은 액체 질소에서 냉각하기에 냉각 손실이 발생하지만, 대전력을 송전할 경우 이 냉각 손실을 다 포함해도 기존 케이블보다 1/3~1/2로 손실을 줄일 수 있다. 일본 경제산업성이 2008년 3월 지구온난화 대책 기술을 정리해 발표한 <쿨 어스 에너지 혁신 기술 계획>을 보면, 중점적으로 다룰 에너지 기술 21개 중 '초전도 고효율 송전 기술'을 포함한다.
Y계 프로젝트는 66㎸, 5㎄, 삼상 일괄 대전류 케이블과 275㎸, 3㎄ 단상 고전압 케이블 기술을 개발 중이다. 시스템에서 손실 저감, 소형 설계, 저온에서 절연 재료의 특성 파악 등이 중요 과제다.

변압기 | 초전도 변압기는 기존 변압기와 비교해 '저손실', '소형화'및 냉매가 액체 질소에서 '불연不燃'의 특징을 지닌다. Y계 선재를 사용해 저손실 및 고전류 밀도의 권선을 구성하는 동시에 철심의 단면적을 작게 할 수 있다.
Y계 프로젝트는 66㎸/6㎸ 20㎹A급 배전용 변압기 실용화를 위한 기술을 개발한다. 기존 변압기와 비교해 손실을 1/6로 줄이는 동시에 중량 1/2, 면적 2/3로 해 도시 지하에 많이 설치하는 변전소의 건설공간 축소를 목표로 한다. Y계 선재를 이용한 코일의 저손실화, 기존 전력 기기와 동등 이상의 높은 신뢰성 확보, 정상 운전 시와 사고 시 보호 등이 중요 과제다.

한류기 | 초전도 물질에 임계 전류 이상의 전류가 흘렀을 때 일반 금속과 마찬가지로 저항이 발생한다. 이러한 특징을 적극 활용한 기기가 초전도 한류기다. 한류기는 전력 계통 내에서 단락 · 지락 사고 시 발생하는 과대 사고 전류를 아주 짧은 시간에 한류 억제함으로써 전력 계통에 사고가 확대되는 것을 막는 기기다. 초전도 한류기는 사고 시 시동에서 사고 전류를 한류 억제할 수 있다.

<그림 4>는 Y계 선재를 이용한 초전도 한류기며, <그림 5>는 전기 회로도를 나타낸 것이다. Y계 선재에 니크롬을 붙여 임계 전류를 넘겼을 때 정해진 저항이 발생하도록 고안했다. 이 선을 이용해 삼상코일을 구성한다. 코일은 액체 질소 속에 담가 냉동 압축기에서 상시 냉각한다. 이것을 전압 · 전류 계측(VT · CT), 차단기 등과 함께 패널 안에 구성했다.
시험 제작한 이 한류기는 한류 실증 시험에서 6.6㎸에서 모의 단락 사고 전류 1550A를 840A로 한류한 뒤, 22㎳ 시간 내에 회로를 안전하게 차단해 양호한 한류 차단 특성을 보였다. 현재 가정용 발전기를 설치한 곳에서 실증 시험을 계속하고 있다.

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초전도 전력 기기의 기술 개발 동향을 중심으로 소개했다. 이 외에도 초전도 기술에 더 흥미가 있는 사람은 일본 (재)국제초전도산업기술연구센터에서 매달 발행하는 인터넷 잡지《초전도 Web21》을 참고하길 바란다.

정리 전화영 기자