화석연료 고갈, 기후변화로 인한 환경 문제 등은 신재생에너지, 에너지 효율을 최적화하는 스마트 그리드 구축과 전력IT제품 개발을 요구하게 되었고 세계 각국은 경제 불황에도 불구하고 이를 조기 실현하기 위한 정책적 지원을 아끼지 않고 있다. 또한 효율이 높고 온실가스 저감에 필요한 에너지 기술과 중전기기 개발을 국가 정책 과제로 정하고 기술 우위를 통한 세계 시장 선점을 위해 전력투구하고 있다. 그 기술 중 하나가 발전소에서 생산된 전력을 효율적으로 운송 · 저장 · 관리하기 위해 케이블, 변압기, 모터, 한류기 등 중전기기에 초전도 기술을 접목시킨 초전도 응용 기술이다. 우리 정부는 2008년 ‘저탄소 녹색성장’제시 이후, 2009년 ‘그린에너지 기술개발 전략로드맵’15개 기술 중 하나로 초전도 응용 기술이 선정됐지만, 이미 2001년 출범한 차세대초전도응용기술개발사업단에서 초전도 응용 기술 개발을 주도적으로 이끌고 있다. 이번 호에서는 경상남도 창원 한국전기연구원 내에 위치한 차세대초전도응용기술개발사업단을 찾아가 연구 개발 현황과 사업 성과를 들어봤다.
꿈의 신물질 초전도 1911년 네덜란드 라이덴(Leiden) 대학의 한 연구실의 카멜링 온네스(Heike Kamerlingh Onnes) 교수는 헬륨가스를 절대온도 4.2K에서 액화하는데 성공하여 저온에서 금속의 저항을 실험하는 중이었다. 온네스 교수는 이 액체헬륨을 이용해 고체수은을 냉각하면서 전기저항을 측정하던 중, 액체헬륨의 기화온도인 4.2K 근처에서 수은의 저항이 갑자기 ‘0’으로 떨어지는 것을 확인했다. 서서히 떨어지던 전기저항이 어느 특정한 임계온도를 넘어서 갑자기 사라져버린 것이다. 바로 이 순간이 초전도 역사의 출발점이다. 초전도(Superconductivity)란, 말 그대로 도체에 의한 ‘전기전도(Conductivity)’가 ‘상상을 초월한(Super)’것을 의미한다. 김호용 차세대초전도응용기술개발사업단장 직무대행은 “초전도 현상이 일어나면 저항이 0(Zero)이 되므로 저항으로 인한 열손실 없이 전류를 공급할 수 있다”고 설명한다. 모든 물체는 전류가 흐르면 전기저항이 발생하고 전류의 제곱과 전기저항을 곱한 열이 발생하는데, 이 열이 바로 전기적 손실이다. 보통 전기저항은 물질의 길이에 비례해 증가하지만 초전도 현상을 이용하면 다량의 전기를 손실 없이 멀리 보낼 수 있게 된다. 이러한 장점 때문에 초전도체는 전력 및 에너지뿐 아니라 초전도 전자추진선, MRI(Magnetic Resonance Imaging), 자기부상열차, 에너지 저장장치 등 의료, 수송, 전자, 고에너지물리, 기계 등 다양한 분야에서 연구가 진행 중이다. 최근에는 온실가스 감축 등 녹색성장과 관련해 기술 개발이 가속화됐지만, 에너지 · 환경 분야에서 초전도 기술은 미국, 일본, EU 등을 중심으로 1980년대 이후부터 활발한 연구가 진행돼 핵심기술 개발 단계를 넘어 시스템을 제작하고 현장에서 시험하는 단계에 이르렀다. 미국은 에너지성(DOE : Department of Energy)의 SPE 프로그램 등 국가연구개발사업으로 추진해 현재 138㎸/574㎹A 초전도 케이블 두개, 13.8㎸/60㎹A 초전도 케이블, 138㎸ 초전도 한류기 세 개 등을 개발했으며, 36.5㎿ 초전도 모터를 실증시험 중이다. 또한 SuperPower사와 AMSC사를 중심으로 핵심소재인 초전도 선을 개발하고 있다. 일본은 66㎸/5㎄와 275㎸/3㎄의 초전도 케이블, 초전도 에너지 저장장치(2MJ SMES : Superconducting Magnetic Energy Storage), 66㎸/2㎹A 초전도 변압기, 초전도 선 등을 개발하고 있다. 중국은 35㎸ 초전도 케이블, 10.5㎸/1.5㎄와 220㎸/460㎹A 초전도 한류기, 365㎾ 초전도 모터 등을 개발하고 있다. 김호용 단장 직무대행은 “케이블, 변압기, 한류기, 모터 등 초전도 전력기기는 구리 도체보다 100배의 통전 능력을 갖는 초전도 선을 사용하기 때문에 기존의 전력기기보다 크기와 에너지 손실을 50% 이상 줄일 수 있다”며, “발전량을 감소시켜 전력소비량을 억제할 뿐 아니라 CO₂발생을 줄이고 환경오염의 주범인 냉각유와 SF6 대신 액체질소를 사용하기에 친환경적”이라고 말했다.
차세대초전도응용기술개발(DAPAS) 사업 우리나라도 2001년 교육과학기술부가 지원하는 21세기 프론티어연구개발사업 중 하나로 차세대초전도응용기술개발사업단(CAST : Center for Applied Superconductivity Technology, 이하 CAST)을 출범하고 2011년까지 약 1,400억 원을 투입해 차세대초전도응용기술개발(DAPAS : Development of Advanced Power system by Applied Superconductivity technologies, 이하 DAPAS) 사업을 본격적으로 시작했다. 김호용 단장 직무대행은 “DAPAS란 초전도 기술응용 분야 중 국가 경쟁력의 근간이 되는 전력분야에 초전도 기술을 접목시켜 고효율(Efficiency) · 친환경(Environment-friendly)적 국가 전력 공급기반을 구축하는 데 핵심 하드웨어 기술을 개발하는 사업”이라고 설명했다. CAST는 이러한 DAPAS를 운영 · 관리, 기술 및 연구 지원과 홍보 업무 등을 담당하며, DAPAS의 연구 성과를 토대로 초전도 기술 상용화를 최종 목적으로 한다. 그 조직을 살펴보면 사업을 기획 · 평가하고 관리하는 사무국과 연구개발팀, 사업 운영방안 및 해외 기술 동향 등에 대한 자문을 제공하는 위원회와 자문단 등으로 구성된다. CAST는 DAPAS 1단계 3년간 초전도 전력기기개념 정립을 위한 소형 실험기 개발에 성공했으며, 2단계 3년간 중용량의 모델기 개발을 통한 시스템 핵심 원천기술을 확보했다. 이를 바탕으로 2007년 시작한 3단계(Pilot) 사업 4년 동안 대용량 실증기개발을 통해 초전도 전력기기의 실용화 기반 구축을 목표로 막바지 연구에 박차를 가하고 있다.
DAPAS 대표적 성과 김호용 단장 직무대행은 “다소 시작은 늦었지만 부단한 노력으로 세계 정상급 기술과 어깨를 견줄만한 성과를 이뤘으며, 꿈으로만 생각하던 초전도 응용 기술 상용화가 이제 눈앞에 와 있다”며 그간의 성과를 설명했다. 한국전기연구원, LS전선㈜, ㈜CVE, 한전 전력연구원, 기계연구원 및 2개의 대학으로 구성된 연구팀이 맡고 있는 초전도 케이블은 22.9㎸/50㎿A를 개발, 국제공인시험기관인 캐나다 KINECTRICS사의 입회 시험에 성공하는 쾌거를 이뤘다. 3단계 사업에서는 22.9㎸/150㎿A 및 154㎸/1GVA 초전도 케이블 개발을 목표로 154㎸/1GVA 초전도 케이블 코아 설계 및 제작 기술 개발을 완료한 상태다. 초전도 변압기는 154/22.9㎸, 100㎿A 초전도 변압기 핵심부품 설계 기술 개발을 목표로 한국산업기술대학 외 2개의 대학이 참여하고 있다. 2단계 사업까지 고전압화, 대용량화의 핵심요소 기술을 확보했으며, 현재 교류 손실을 기존 대비 30% 수준으로 제작이 가능하다. 세계 최초로 고성능 · 저비용의 22.9㎸/630A급 독자모델을 개발한 초전도 한류기는 22.9㎸/3000A 및 154㎸/4000A 개발을 목표로 한전 전력연구원, LS산전㈜, 연세대 외 5개의 대학이 참여하고 있다. 현재 22.9㎸/3000A 설계 및 핵심부품 개발을 완료했다. 초전도 모터는 5㎿(6700마력)급 개발을 목표로 두산중공업㈜, 한국전기연구원 외 2개의 대학이 참여하고 있다. 현재 세계적 수준의 1㎿/3600rpm 대용량 고속 모터 기술을 확보했으며, 5㎿/120rpm 설계 및 핵심부품을 개발하는 성과를 이뤘다.
LS전선㈜가 제작한 154㎸/1GV 초전도 케이블 코아 및 시제품
LS산전㈜가 제작한 22.9㎸/3000A 초전도 한류기 설계 결과 및 핵심 부품
두산중공업㈜가 제작한 5㎿/120rpm 초전도 모터 설계 결과
장선의 초전도 선 제조를 위한 연구용 장비 RCE(Reactive Co-Evaporation)
실제 생산이 가능하도록 ㈜서남이 개발한 초전도 선 생산 시스템(Pilot)
우리나라 고유의 제조 원천 기술을 개발한 초전도선 과제는 1㎞/500A급 초전도 선 개발을 목표로 ㈜서남, 한국전기연구원 외 8개의 대학이 참여하고 있다. 현재 ㎞ 길이의 장선을 500m/h 이상 빠르게 제조할 수 있는 연구용 장비를 개발했다. 특히 DAPAS 참여기업인 ㈜서남은 정부의 대형 실용화사업 예산과 자체 투자로 200㎡ 규모의 Clean Room, 1500㎞/year Coated Conductor 등 실제 생산 가능한 Pilot 제조 장비를 개발하는 업적을 남겼다. 향후 ㈜서남에서 생산된 초전도 선은 초전도 전력기기 개발에 사용될 예정이다. 김호용 단장 직무대행은 “22.9kV급 초전도 케이블 및 한류기는 전력계통 시험을 통해 검증한 후 2012년 상용화할 계획”이라며, “지금과 같은 개발추세라면 나머지 DAPAS 연구 성과들은 사업이 마무리되는 2011년 이후 3~4년 간 두산중공업㈜, ㈜CVE, LS산전㈜, LS전선㈜ 등 참여기업 주도로 제품 생산 기술 등 부가적인 실용화 기술을 개발한 후 2015년에는 시장에 진입할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 이렇듯 조기에 초전도 기술을 상용화할 수 있게 된 것은 산 · 학 · 연 일체형 연구팀을 구성해 연구목표를 현실과 동떨어진 이상을 추구한 기술이 아닌, 기술환경 변화를 고려한 ‘Moving Target’으로 관리해 수요자의 요구를 적극 수렴하고 실제적용이 가능하도록 제품 사양을 선택했기 때문이다. 또한 기술 개발로 그치지 않고 초전도 전력기기의 실계통 투입을 위해 수요자 워크숍 및 협의체 발족 등 안팎으로 노력한 결과 2008년 11월부터 5년간 DAPAS에서 개발된 22.9㎸ 초전도 케이블 및 초전도 한류기의 ‘실계통 운영기술 개발사업’을 착수하게 됐다. 지식경제부의 ‘실계통 운영기술 개발 사업’은 한국전력공사 주도로 LS산전㈜, LS전선㈜ 등이 참여하게 된다. 아울러 국방핵심과제로 해군 함정에 초전도 모터를 적용하는 사업도 추진된다.
국가 신성장 동력 창출과 세계 시장 선점 김호용 단장 직무대행은 “기술 개발도 중요하지만 제품을 판매하기 위해서는 관련 특허 확보도 무시할 순 없다”고 강조한다. 사업단에서는 이를 위해 특허 맵 분석을 통해 공백 특허, 대응 특허, 원천 특허 회피 방안 등을 개발자에게 제시해 만반의 준비를 갖추고 있다. 또한 초전도 전력기기 국내외 규격화를 위해 사업단 산하에 초전도 기술 표준화 추진 위원회를 구성하고 세계 시장에서 주도권을 갖기 위한 노력도 게을리 하지 않는다. 이러한 노력에 힘입어 “올해 세계 최초로 초전도 케이블 관련 국내 규격이 제정될 예정”이라고 김호용 단장 직무대행은 밝혔다.
CAST는 2009년 4월 29일 창원 CECO에서 ‘ 2009년도 DAPAS 프로그램 연구책임자 워크숍’을 열어 3단계 3차년도 목표달성과 연구 성과 확산을 위한 노력 강화 등을 다짐하는 자리를 가졌다.
CAST는 우리의 기술을 세계에 알리기 위해 국제 워크숍 및 컨퍼런스 유치도 적극적이다. 2007년 초전도 선 분야 세계 최대 규모의 국제학회인 ‘CCA 2007(International Workshop on Coated Conductors for Application)’을 국내에서 개최했고, 2008년에는 극저온 분야의 세계 최대 국제학술대회인 ‘ICEC 22 - ICMC 2008(International Cryogenic Engineering Conference 22 and International Cryogenic Materials Conference)’을 개최했다. 그리고 2009년 11월 10일부터 3일간 초전도 전력기기 실 전력계통 적용 및 실용화 추진 등과 관련된 학술 발표 및 기술 정보 교류를 위해 매년 미국에서만 개최되던 ‘9th Annual EPRI Superconductivity Conference’가 우리나라에서 개최돼 전력기기 분야의 우수한 석학들이 모일 예정이다. 향후 초전도 응용 기술이 상용화됨으로써 대용량 초전도 전력계통이 갖춰지면 18조 원의 부가가치를 창출할 것으로 전망한다. 아울러 1,194억 달러 규모의 거대 시장 선점은 외화 획득 차원을 넘어 에너지 안보와 국가 경쟁력 강화로 어이진다. 김호용 단장 직무대행은 “DAPAS 출범 당시 우리나라 초전도 기술은 세계 정상급 기술에 비해 30~60% 수준에 불과한 열악한 조건이지만 실현가능하다는 긍정적인 생각과 열정으로 부딪혀 이제 95% 수준까지 향상됐고 초전도 한류기는 세계 최고의 기술력을 보유하게 됐다”며, “높은 이상과 열정 그리고 할 수 있다는 믿음이 있다면 그 누구라도 극복하지 못할 위기는 없다”라고 자신 있게 말했다. 초전도기기 응용 기술은 전력산업에 있어 새로운 패러다임을 여는 매개체 중 하나임에 틀림없다. CAST는 그 매개체를 갈고 닦아 세상에 내놓을 날을 준비하고 있다. 세계 시장 선점이라는 포부를 안고 내일을 준비하는 CAST. 오늘도 연구동 불빛은 밤늦도록 꺼질 줄 모른다.
글_백종윤 기자 <자료제공 : 차세대초전도응용기술개발사업단 www.cast.re.kr / (055)280-1045>
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