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[해외기술특집] 차세대 고온 초전도 선재 개발 응용
2009-05-14

[차세대 고온 초전도 선재 개발 현황과 응용 전망]
차세대 고온 초전도 선재 개발 응용

교류 전기기기에의 응용

1. 개요
초전도 선재를 교류 전기기기에 응용함으로써 기기 성능의 비약적 향상, 혁신적 기기 실현, 에너지 절감과 CO₂배출량 삭감 등을 기대할 수 있다.
전력 응용을 중심으로 한 교류 전기기기에 초전도선재를 응용하려고 할 때, 구리를 이용한 기존 경합기기가 존재하기 때문에 사용이 쉽고 초기 코스트 · 운전 코스트를 포함하여 저코스트라는 점이 중요하다. 이때 초전도 선재가 비선형성이 매우 높은 도전 특성 때문에 초전도 선재에 교류 전류를 흘리거나 교류 자계를 걸거나 할 때 발생하는 교류 손실도 사용 및 코스트에 영향을 주기 때문에 이것을 저감하는 것도 중요하다. 간편한 사용과 냉각에 요구되는 운전 코스트의 관점에서 액체헬륨으로 식혀야만 하는 니오브계의 저온 초전도 선재와 비교해 액체질소 온도로 초전도 상태가 되는 고온 초전도 선재는 압도적으로 유리하다. 그 중에서도 기기 중에서 자계가 걸려도 액체질소에 의한 냉각으로 높은 임계전류 밀도를 유지할 수 있는 차세대 고온 초전도 선재가 우수하다. 또 초기 코스트의 관점에서도 귀금속인 은을 재료로 하지 않는 차세대 고온 초전도 선재는 비스무트계 고온 초전도 선재와 비교해 양산 단계에서 유리해질 가능성이 높다. 또 차세대 고온 초전도 선재는 초전도층이 박막 형태인 데 기인하는 전자 특성의 이방성을 잘 이용하거나 하는 등 후가공으로 세선화함으로써 교류 손실을 저감할 가능성도 있다.
최근 급속한 제조 프로세스 기술 발전에 의해 10㎜×0.1㎜ 단면으로 200A 이상의 전류를 초전도 상태로 흘리는, 길이가 200m 이상의 차세대 고온 초전도 선재가 제작됐으며 이것을 사용한 전기기기도 시험 제작됐다. 이로써 차세대 고온 초전도 선재도 전기공학의 대상이 됐다고 말할 수 있다. 이러한 상황 하에서 세계 각국의 연구 기관 · 기업 등이 차세대 고온 초전도 선재를 이용한 교류 전기기기 개발에 착수하고 있다.
여기에서는 송전 케이블, 한류기, 변압기, 모터에 부착하는 차세대 고온 초전도 선재 응용 전망에 대해 소개한다.

2. 초전도 송전 케이블
일반적인 초전도 송전 케이블의 개념도를 <그림 1>로 나타냈다.
과전류에서 케이블을 보호하기 위한 구리 연선을 중심에 두고 그 주위에 송전하기 위한 고온 초전도 선재를 동축 다층 상태로 배치한다. 그 주변에도 똑같이 동축 다층 배치된 고온 초전도 선재로 이루어진 실드층을 발생 자계 차폐를 위해 설치한다. 이러한 한상분의 도체를 삼상분 일괄하여 단열관 속에 넣고 액체질소를 순환시켜 냉각시킨다.
동선을 이용한 기존 CV 케이블에 비해 송전 손실이 낮고 CO₂배출량도 삭감할 수 있어, 콤팩트하고 가벼움에도 불구하고 대용량 송전이 가능하다는 것이 초전도 송전 케이블 이점이다. 단면 어스펙트비(초전도체 부분 폭의 두께 비)가 1만 정도로 상당히 큰 차세대 고온 초전도 선재를 이용해 송전 케이블을 구성하면, 단면 어스펙트비가 비교적 작은 비스무트계 고온 초전도 선재를 이용한 송전 케이블에 비해 교류 손실을 저감할 수 있다. 이것이 차세대 고온 초전도 선재의 송전 케이블로의 응용이 기대되는 이유 중 하나다.

전 세계적으로도 송전 케이블은 가장 실용화 가능성이 있는 초전도 전기기기 중 하나로, 비스무트계고온 초전도 선재를 이용해 개발이 진행되고 있다.
그런데 최근 차세대 고온 초전도 선재의 장척화 기술 진전에 입각해 일본과 미국이 좀 더 일찍 이를 이용한 송전 케이블 개발에 착수했다. 예를 들어 일본에서는 경제산업성 초전도 응용 기반 기술 연구 개발의 일환으로서 케이블 요소 기술 개발에 착수해 2007년도를 목표로 수십 m급 도체의 시험 제작을 검토한 바 있다.
초전도 케이블이 실용화되기 위해서는 코스트도 중요한 요소다. 코스트적으로도 가장 경쟁력이 높은 초전도 송전 케이블의 도입 형태는 대용량 송전 케이블의 신규 부설이 필요한 경우에 관로에 부설된 기존 소용량 구리 송전 케이블을 철거하고 남은 관로 속에 같은 지름으로 대용량의 송전이 가능한 초전도 송전 케이블을 부설한다는 것이다. 이 경우 대용량 구리 송전 케이블의 신설에 비해 터널 등의 건설비가 필요 없는 초전도 송전 케이블 신설은 총 코스트를 줄일 수 있다. 더욱이 향후 차세대 고온 초전도 선재 자체의 코스트가 저하되는 것을 고려하면 케이블 본체 면에서도 CV 케이블에 비해 코스트적으로 유리할 것으로 보인다. 그렇다면 신규 부설이나 기존 노후 케이블 교체 등과 같은 문제를 따지지 않고 생각해 본다면 초전도 송전 케이블의 경제성은 높아질 것이다. 또 이때는 기존 소용량 구리 송전 케이블이 부설된 지름이 작은 관로에 부설한다고는 할 수 없기 때문에, 케이블 지름을 비교적 크게 설계할 가능성이 높다. 같은 전류를 보내는 케이블 지름을 크게 하면 원주도체에 암페어 규칙 적용 시 예측할 수 있도록 케이블을 구성하는 초전도 선재에 걸린 자계를 줄일 수 있다. 그 결과 교류 손실이 저감되어 초전도 송전 케이블의 에너지 절감, CO₂배출량 삭감 효과를 한층 높일 수 있다.

3. 상전도 전이형 초전도 한류기
초전도 한류기는 전력계통에서 단락 사고 발생시 흐르는 큰 사고 전류를 억제하는 전력기기다. 한류기를 도입함으로써 전력 공급 신뢰성 및 전력 품질 향상을 기대할 수 있을 뿐 아니라, 차단기 용량의 제약으로 인해 기존에는 불가능했던 계통 연계가 가능해져 계통 구성의 유연성이 향상될 것으로 기대된다.
초전도 선재에는 임계전류라는 초전도 상태로 전류를 흘리는 상한이 있는데, 상한 초과 시 상전도 전이로 저항이 발생하는 것을 이용하면 한류기를 구성할 수 있다. 이것을 ‘상전도 전이형 초전도 한류기’라고 한다.
<그림 2>는 전력계통에 도입된 상전도 전이형 초전도 한류기를 모식적으로 나타낸 것이다.
초전도 한류기에는 초전도 코일의 인덕턴스만을 이용하는 정류기형 방식 등 다른 방식도 있지만, 구성이 단순하고 소형화할 수 있기 때문에 상전도 전이형 초전도 한류기의 장점이 많다. 상전도 전이형 초전도 한류기는 액체헬륨으로 차갑게 한 니오브계 저온 초전도 선재를 이용해 그 원리는 실증했다. 그러나 이 경우는 기화한 헬륨의 절연 성능이 나빠져 고전압화가 힘들고 냉각 코스트도 높아진다는 문제점이 있었다. 또 비스무트계 고온 초전도 선재는 그 단면을 차지하는 은의 비율이 높고 상전도 전이로도 큰 저항을 발생시키지 않아 상전도 전이형 한류기에 사용할 수는 없다.

차세대 고온 초전도 선재는 액체질소 냉각에 사용 할 수 있고, 상전도 전이 시 저항이 크다는 점 때문에 상전도 전이형 초전도 한류기에는 좋은 선재다.
현재 일본에서는 앞서 언급한 초전도 응용 기반 기술 연구 개발의 일환으로, 차세대 고온 초전도 선재를 이용한 상전도 전이형 초전도 한류기의 요소 기술 개발이 개시됐다.
해외에서도 지멘스사와 미국의 선재 메이커인 아메리칸 슈퍼 컨덕터사가 동종 기기 개발에 착수하여 2~3년 동안 원리 실증이 이루어질 것으로 기대된다.

4. 초전도 변압기
현재의 변압기는 철과 구리로 구성되어 백여 년 이상의 역사를 가진 기기다. 그 설계는 철의 포화 자속밀도 1.7T, 구리선의 정상 전류 밀도가 상한 2~4A/㎟라는 제약 속에서 코스트 또는 효율의 최적화를 목표로 이뤄졌다. 현재 기기 설계상 파라미터는 장기간의 데이터에 기초하여 어느 정도의 폭은 있지만 거의 일정치로 수속돼 있다. 그런데도 임계전류 밀도의 자계 · 온도 의존성이 뛰어난 차세대 고온 초전도 선재를 이용한 변압기의 초전도화는 ① 초전도 권선이 철의 포화 자속밀도를 훨씬 상회하는 자계를 쉽게 발생시키고, ② 동작 자계 속에서 구리의 수십 배 되는 전류 밀도를 가지며, ③ 냉동기의 냉각 효율까지 고려해도 구리의 줄(Joule) 손실에 비해 압도적으로 저손실이라는 획기적인 특성을 만들어 낸다. 기기의 소형 · 경량 · 고효율화라는 관점에서 백년 이래 역사상 상식을 벗어날 정도의 빠른 진화를 달성한다는 가능성을 가지고 있다. 그 실현에는 성숙한 변압기의 설계 지침을 근본부터 재인식함과 동시에 저온으로의 냉각이라고 하는 신규 기술의 개발이 필요 불가결하다.

차세대 고온 초전도 선재를 이용한 변압기의 초전도화에 관한 연구는 일본에서 본격적으로 진행 중이다. 일본 경제산업성의 초전도 응용 기반 기술 연구 개발의 일환으로, 2007년 배전용 20㎹A-66/6.9㎸ 삼상기의 요소 기술 확립을 목표로 한 저교류 손실화 기술, JEC 규정의 350㎸ 낙뢰 임펄스 · 140㎸교류 과전압에 견디는 서브쿨 액체질소를 이용한 냉각 · 절연 기술, 킬로 암페어급 대전류 · 저손실 도체 구성 기술, 여자 돌류 · 단락 과대 전류 등에 대한 내(耐)과전류 기술의 연구 개발이 시작됐다. 모두 소형 모델 코일을 시험 제작하여 개발한 기술을 검증하도록 계획됐다.
고온 초전도 변압기 연구 개발은 비스무트계 고온 초전도 선재를 이용해 선행됐다. 예를 들어 일본 경제산업성에 의한 교류 초전도 전력기기 기반 기술 연구 개발 프로젝트로, 2㎹A-66/6.9㎸ 단상기의 개발이 이뤄졌다. 이 단상기의 외관 사진을 <그림 3>으로 나타냈다.
차세대 고온 초전도 선재를 이용한 초전도 변압기의 외관도 기본적으로는 이와 비슷할 것으로 예상된다. 이런 비스무트계 고온 초전도 선재를 이용한 선행 연구 성과를 계승하여 차세대 고온 초전도 선재의 잠재적인 저교류 손실 특성을 살림으로써, 경쟁력 있는 초전도 변압기를 개발할 수 있을 것으로 기대된다.

5. 초전도 모터
고온 초전도 선재를 이용한 초전도 모터의 연구개발은 비스무트계 고온 초전도 선재를 이용해 이전부터 유럽과 미국을 중심으로 활발하게 이뤄져 왔다. 장척 차세대 고온 초전도 선재를 얻을 수 있게 된 지금, 이것을 초전도 모터에 적용하는 것은 당연하다.
모터를 초전도화하는 목표는 철의 포화 자속밀도 1.7T 이상의 자계를 직류 사양에서도 지장이 없는 초전도 회전 계자 권선으로 발생시켜 전자기 권선도 무철심화함으로써 현재의 상전도기와 비교해 압도적으로 소형 · 경량화되도록 하는 것이다. 아메리칸 슈퍼 컨덕터사에 의하면 ‘대용량일수록 초전도기는 경량이 된다’는 시산(試算) 결과도 나왔다고 한다.
일본은 현재 차세대 고온 초전도 선재의 임계전류밀도 자계와 온도 의존성을 고려하여 회전 계자 권선은 30~40K 정도의 가스가 통과하는 배관에 의한 전도 냉각 방식으로 고자계를 목표로 하고 있다. 또 한편으로 고전압, 교류 사양이 되는 전자기 권선은 64K의 서브쿨 액체질소로 침적 냉각하는 방식을 채용하는 개발이 진행되고 있다. 이 전 단계인 초전도 고정 자계와 상전도 회전 전기자의 15㎾ 8극 모터는 이미 제작이 됐으며, <그림 4>는 완성된 자계 코일 1개의 사진이다.


초전도 코일 응용

1. 개요
초전도 선재는 작은 전력으로 대전류를 흘릴 수 있어 권선 · 코일화하여 대공간에 강자계를 발생시킬 수 있다. 그리고 비스무트계 고온 초전도 선재를 이용한 단결정 인상 장치용 및 NMR용, 자기 부상식 철도용 등 코일의 시험 제작과 개발 연구가 진행됐다. 전력 응용으로는 초전도 코일을 이용한 전력저장 장치(이하 SMES)의 실용화가 가장 기대되고 있다. SMES는 전력계통의 안정화 및 전력 품질의 유지 · 개선에도 높은 성능을 발휘할 수 있고 계통 제어의 고도화에 기여할 것으로 기대되기 때문에, 일본에서는 자원에너지청 국가 프로젝트 ‘초전도 전력 저장 시스템 요소 기술 개발 조사 : 단계 1’(1991~1999년)을 시작으로 하여 연구 개발을 진행해 왔다.
여기에서는 SMES용을 중심으로 차세대 선재로서 기대가 높은 이트륨계(이하 Y계) 선재를 이용한 코일 개발 현황을 소개한다.

2. Y계 초전도 코일
IBAD/PLD 장척 선재(70m)를 이용해 ㈜후지쿠라 그룹이 <그림 5>와 같은 소형 솔레노이드 코일을 시험 제작 및 시험했다. 그리고 Y계 선재의 초전도 특성 자계 각도 의존성 및 테이프 형상의 선재를 솔레노이드 모양으로 말았을 때의 영향 등을 평가했다.

코일은 1층 112턴 12층으로 감아 내경 60㎜, 권선부 두께로 높이가 각각 23.5㎜, 133㎜다. <그림 6>은 과냉각 액체질소 중(66K)에서 여자 실험으로 얻은 Ⅰ-Ⅴ 특성(전류-전압 특성)을 나타낸 것이다.
임계전류는 114A(10~9V/㎝ 기준)로 양호한 여자 특성을 얻을 수 있어 130A 통전으로 코일 중심발생 자계 0.27T를 발생했다.

3. SMES용 Y계 코일 개발
SMES는 초전도에 의한 에너지 저장 기술의 매력인 높은 에너지 변환 효율과 반복 충방전에 의한 노화가 없는 성능 특성이 뛰어난 전력 기기로, 기술적으로 실용 가능하다. 그러나 한편으로 보급을 늘리기 위해서는 코스트 면에서도 다른 경합 기술에 대해 우위성을 가져야 한다.
고온 초전도 SMES에는 다음과 같은 특징이 있다.
① 운전 온도 범위를 고온과 광범위 중에서 선택 할 수 있다.
② 냉동기 전도 냉각 방식을 채용할 수 있는 가능성이 있다.
③ 큰 온도 마진과 열용량에 의해 높은 열적 안정성과 큰 과부하 내량을 기대할 수 있다.
④ 고자계화에 의한 콤팩트화 가능성이 있다.

이러한 특징으로 인해 제작 · 운동 코스트(냉각 코스트) 저감, 운전 · 제어성 향상을 기대할 수 있다.
<그림 7>은 일본에서 1999년부터 5년 계획으로 진행된 신에너지 · 산업기술종합개발기구(NEDO) 프로젝트 ‘초전도 전력 저장 시스템 기술 개발 : 단계 Ⅱ’가운데 ‘고온 초전도 SMES 기술 조사’로 실시된 개념 설계에 기초한 부하 변동 보상용 · 주파수 조정용 500㎾h(1.8GJ) SMES용 초전도 코일의 초기 코스트를 비교한 것이다.

개념 설계에서는 12개의 요소 코일로 구성된 토로이덜형 코일을 상정하여 권선 사용량을 최소화하는 설계가 시도됐다. 여기에서는 ‘제1장 : 차세대 고온 초전도 선재의 특성과 연구 개발 동향’인 <그림 5>에서와 같이, Y계 선재는 고온 · 고자계에서 다른 초전도 선재와 비교해 높은 통전 특성을 가지고 있다. <그림 7>의 코스트 비교에서 알 수 있듯이, 고성능 · 저코스트 Y계 선재의 개발이 진행되면 고온 운전 및 코일을 고자계 · 콤팩트화함으로써 SMES 실용화 실현을 위해 극복해야 할 저코스트화가 가능해진다.
현재 전력계통 제어용 SMES 실용화를 목적으로, 토탈 SMES 시스템의 저코스트화 및 실계통 연계시험에 의한 네트워크 제어 시스템 기술 개발 · 검증을 위한 NEDO 프로젝트 ‘초전도 전력 네트워크제어 기술 개발 : 단계 Ⅲ’이 2004년도부터 실시됐다. 이 프로젝트에서는 SMES 시스템 구성 기술인 전력 변환기, 냉동기, 고자계 산화물 코일, 전력 리드 개발과 함께 SMES 시스템 실계통 연계 실험을 실시할 계획이다. 그 중에서 금속계(5T)가 넘는 고자계화를 목적으로, Y계 코일 개발이 이루어지고 있다. 사용 선재는 가속 제조가 가능한 다단 IBAD/CVD-YBCO 선재로, Y계 선재를 개발하는 ‘초전도 응용 기반 기술 연구 개발’프로젝트에서 제공받고 있다.

<그림 8>은 프로젝트 내에서 시험 제작 및 실험한 적층형 팬케이크 코일(520턴)이다.
테이프 모양 선재의 특징을 살리자 최소 곡선 지름이 36㎜(외경 : 64㎜, 높이 : 77㎜)가 됐다. 과냉각 액체질소 중(65K)에서 세계 최대급 0.65T의 자계를 발생시키는 소형 고자계 마그넷이 실현되어, 콤팩트하고 저코스트인 SMES 실현을 목표로 꾸준하게 기술 개발이 진전되고 있다. 프로젝트 마지막 연도(2007년)에는 변환기와 조합한 소규모 Y계 SMES 시스템의 기초 검증 시험을 계획했다.

4. 마무리
여기에서는 SMES 응용에 대해서 일본 NEDO 프로젝트를 중심으로 그 개발 현황을 소개했다. 민간 및 해외에서도 연구 · 개발이 활발히 진행되는데, 예를 들어 일본 주부전력㈜는 SMES 국가 프로젝트의 성과를 살려 순시전압 저하 보상용으로 출력 5㎹ A-5MJ의 NbTi 초전도 코일을 이용한 SMES 시스템을 개발했다. 2003년 7월부터 실 필드로 최첨단 액정 공정에 도입하여 2년이 넘는 시험 기간을 거쳐 순저보상 운동뿐 아니라 지금까지 검증되지 않았던 장기의 신뢰성 및 보수성 등을 파악할 수 있었다. 더욱이 이런 연구 성과를 기본으로 10㎹A-10MJ 순저 보상 SMES 시스템을 제작하여 2005년 10월부터 필드 시험을 개시했다. 향후 SMES용을 중심으로 Y계 코일 개발이 진행됨에 따라 초전도 코일 응용이 전개되길 기대한다.

초전도 케이블(Superconducting Cable)
극저온 상태에서 전기저항이 '0'이 되는 초전도 현상을 이용하여 송전하는 케이블로 직류, 교류 두 가지 방식이 있다. 직류 방식은 도심지의 대전력 송전용 지중케이블과 대용량 장거리 송전용으로 쓰이며, 교류 방식은 전력시스템에 병입이 가능하여 도심지의 대용량 지중송전방식으로 연구 개발되고 있다.

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