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[기술특집] 초전도 모터 연구개발 현황
2009-07-01

차세대 초전도 응용 기술 개발 현황
초전도 모터 연구개발 현황


차세대초전도응용기술개발사업단(www.cast.re.kr)
두산중공업㈜ 기술연구원_김영춘 박사
(055)287-3711 / yeongchun.kim@doosan.com

개요

최근 과도한 에너지 생산과 지속적인 에너지 소비증가로 지구의 환경부하가 증대되어 환경문제가 대두됨에 따라 에너지의 효율적인 이용과 대체에너지 개발이 전 세계적 이슈가 되고 있다. 에너지의 효율적인 이용 분야로는 고효율 조명 및 고효율 전자기기, 고효율 모터 등에 대해 관심이 매우 높다. 특히 수입된 화석 연료의 많은 부분이 전력 생산을 위해 사용되고, 또한 발전된 전력의 60% 이상을 모터가 소비하는 상황에서 발전기나 모터의 에너지 효율증대는 매우 시급하며, 그 효과가 직접적이고 매우 크다. 대체에너지 개발 분야에서는 태양에너지를 이용한 태양전지, 파도의 힘을 이용한 조력발전, 바람을 이용한 풍력발전 등에 대한 연구개발이 진행되고 있다.

녹색성장과 초전도 기술

녹색성장 기술은 <그림 1>에서 보는 것처럼 높은 에너지 효율과 보다 낮은 CO₂를 발생하는 제품을 개발 · 생산함으로써, 이를 통해 경제 성장 촉진 및 생태 건전성을 제고하는 기술이다.
초전도 기술은 녹색성장 기술의 대표주자 중 하나로 미국의 에너지성(DOE, Department of Energy)에 의하면 초전도 기술 적용을 통해 2025년 기준, 연간 10.8TWh의 에너지 절감 효과와 1.6Mtons 수준의 탄소 저감 효과를 기대할 수 있는 것으로 보고됐다. 따라서 초전도 케이블, 초전도 한류기, 초전도 변압기 그리고 초전도 모터 · 발전기 등의 초전도 응용기술은 에너지 절감 등의 효과를 통해 경제 성장 동력으로 활용할 수 있는 녹색성장 기술임에 틀림없다.
이 중 초전도 회전기기(발전기 · 모터)는 기존의 회전기기에 사용되는 구리선 대신 초전도 선을 계자에 적용해 일반 회전기기 대비 효율을 1.5~2.3%정도 향상시키고, 부피와 무게를 1/2~1/3까지 줄여 소형, 경량화가 가능하며, 또한 소음이 작은 신개념의 회전기기이다.


초전도 회전기기(발전기 · 모터)

초전도 회전기기는 앞에서 언급한 바와 같이, 기존의 기술적 한계를 극복하고, 새로운 기술 패러다임을 열고 있는 초전도 기술을 적용하여 고효율화, 소형 경량화, 고신뢰성을 보장하는 신개념 초전도 발전기 · 모터를 개발해 에너지 절약, 전력 품질 향상, 친환경, 고부가가치를 창출하는 새로운 산업 영역 개척이 가능한 고성능 차세대 회전기기를 의미한다.
최근 유가 급등 및 친환경에 대한 요구로 선박의 전기 추진 시스템 및 신재생에너지 분야 중 하나인 풍력발전 등의 수요가 급증하고 있다. 아울러 2세대 고온 초전도 선재 및 신공법의 등장으로 빠른 시일내에 초전도 선재의 가격이 구리선 가격보다 싸게되어 초전도 기술을 적용한 발전기 시장도 패러다임의 변화가 예상된다. 신재생에너지 수요 증가에 따라 풍력발전 시스템의 경우, 발전 효율을 좌우하는 핵심기기인 풍력발전기의 성능 향상을 위해 초전도 풍력발전기의 개발 요구 또한 급증하고 있다.
이러한 관점에서 초전도 모터 기술은 향후 5년 내에 상용화가 가능하며, 초전도 발전기 기술은 향후 10년 내에 상용화가 가능할 것으로 예측되고 있어 녹색성장 산업을 통한 국가의 지속적 발전에 기여가 가능한 기술이다. 따라서 풍력용 초전도 발전기와 이미 시장 진입이 임박한 선박 추진용 초전도 모터 개발은 집중적으로지원해야할분야이다(<그림2>참조).


초전도 회전기기의 원리 및 구성

발전기(모터)는 기계적(전기적)인 동력(전력)을 전력(동력)으로 변환해 전기에너지를 최초로 발생시키는 전기 기계다. 대형 발전기는 수력, 원자력, 화력, 복합발전소 등에 주로 쓰이고, 중 · 소형 발전기는 산업 분야에 광범위하게 이용되고 있다.
산업과 사회가 발전함에 따라 점차 대용량, 고출력, 고효율의 전기 기계에 대한 요구가 증가하고 있으나, 기존 발전기는 사용하는 철심이 고자장에서 포화되는 특성을 갖고 있어 출력 및 성능 향상에 걸림돌이 되고 있다. 따라서 대용량화 시 전기적 손실이 에너지 효율 저하와 부피, 무게, 소음, 진동의 증가를 수반하게 되어 대용량화의 장애 요인으로 작용하고 있다. 이에 반해 초전도 회전기기는 기존 제품의 구리선을 전기 손실이 없는 초전도 선으로 대체함으로써 고자장화 구현이 가능해 대용량, 소형, 경량, 고출력, 고효율화를 달성한 혁신적인 기술이다(<그림 3> 참조).

초전도 회전기기는 발전기의 회전하는 부분에 계자권선, 토크튜브, 댐퍼를 포함한 회전부 조립체인 회전자와, 발전기의 회전하지 않는 부분에 전기자권선, 복합재코어를 포함한 고정부 조립체인 고정자로 구성돼 있다. 초전도 계자권선은 회전자의 핵심 부분으로, 외부로부터 전기를 받아서 강력한 자석을 만드는 초전도 코일을 말한다. 토크튜브는 회전축에 전달된 힘을 계자권선부에 전달하고 외부로부터 냉각된 초전도 권선으로의 열 침입을 차단하는 부품이며, 댐퍼는 외부의 전자장 변화에 의해 초전도 계자권선에 인가되는 교란을 차단할 목적으로 설치하는 변동자속 차폐막에 해당된다. 전기자권선은 발전기에서 운동에너지가 전기에너지로 변환되어 전기를 발생시키는 권선이며, 복합재코어는 초전도 권선에서 발생한 강력한 자장을 전기자권선에 전달하고 전기자권선을 지지하는 구조물에 해당된다. 그 외에도 초전도 권선에 전기를 공급하는 여자기 및 초전도 권선 냉각을 위한 냉각 장치 등이 있다.

초전도 회전기기 시장 및 기술 동향

2020년 기준 초전도 풍력발전기 시장은 약 30억 달러 정도로 예측, 향후 2012년경이 되면 풍력 시장은 대형화, 단지화, 해상 풍력 및 타 분산전원과의 연계를 통해 전체 발전량 대비 3.5% 수준으로 예측되고 있다. 발전용 대형 초전도 발전기 시장은 원자력, 수력, 화력발전소용 신규 대용량 발전기 수요와 기존의 발전소에 설치되어 있는 발전기가 노후화 됐을 경우 유지 보수를 위한 시장 등으로 2020년 기준 연간 110억 달러 정도의 규모로 예측된다. 미국의 에너지성(DOE)과 국제초전도산업연맹(ISIS : International Superconductivity Industry Summit)의 자료에 의하면 2020년경에는 발전기 시장의 50% 정도인 54.7억 달러가 초전도 발전기로 대체될 것으로 예측했다. 이 외에도 전기추진용 발전기 시장 규모는 2020년 기준으로 약 13억 달러규모로 예측되고 있으며, 국내 풍력발전용 초전도 발전기 시장은 2012년 기준 1,500억 원/년 수준으로 예측되고 있다.

● 미국
미국의 AMSC사는 NIST의 지원을 받아 TWMC와 공동으로 10㎿급 풍력용 초전도 발전기 개발에 착수해 2010년에 완료할 예정이며, 선박용 5㎿, 36.5㎿급 초전도 모터를 개발했다.

● 독일
SIEMENS사는 BMBF의 지원으로 선박용 4㎿A급 초전도 발전기를 개발 완료했으며 16㎿A급을 개발 중이다. 또한 4㎿급 선박용 발전기 · 모터도 개발 중에 있다.

● 유럽
Converteam(ALSTOM)은 2006년부터 영국 DTI의 지원으로 8㎿급 풍력용 초전도 발전기를 개발해 2010년 실증시험을 완료하고 2011년 상용화 예정으로 개발 중이다.

● 일본
IHI를 비롯한 스미토모 등이 12.5㎾, 400㎾ 선박 추진용 초전도 모터를 개발했으며, 가와사키중공업 등도 1㎿급 선박 추진용 초전도 모터를 개발 중에 있다.

● 국내
국내에서는 두산중공업㈜, 현대중공업㈜, 유니슨㈜, 효성중공업㈜ 등에서 풍력 시스템 개발을 진행해 왔고, 초전도 기술을 적용한 발전기 · 모터 개발은 유일하게 2003년부터 두산중공업㈜가 한국전기연구원과 공동으로 진행하고 있다. 현재 선박 추진용 5㎿급 저속형 초전도 모터를 개발하고 있으며, 그 동안 75㎾급 고속형 모터와 1㎿급 고속형 개발을 완료하고 현재 신뢰성 시험을
진행하고 있다.

따라서 선진국들은 1990년대 초부터 1~100㎿급 초전도 발전기 · 모터를 개발 · 실증했으며, 최근에는 Global Major 업체 위주로 독자 기술을 보유, 주로 풍력발전용 발전기 및 선박용 발전기 · 모터 개발에 집중하고 있다.
국내 기술 수준은 선진국 대비 80~90% 수준이며, 2~3년의 기술 격차를 보이고 있으나, 2012년경이면 거의 대등한 수준에 도달할 것으로 판단된다.
현재 초전도 발전기 · 모터에 있어서 시장 진입의 가장 큰 장애 요소는 신뢰성이 충분히 검증된 데이터를 만들어낼 수 있는 검증 설비 구성에 소요되는 비용이 과다해 적절한 검증시험을 수행할 수 없다는 점이다. 또한 핵심 요소 중 하나인 초전도 선재의 가격이 경쟁력을 가질 수 있는 5~20달러/㎄m 이하의 수준에 도달하지 못하고 있다는 점이다.
아울러 핵심 요소 중 하나인 극저온 냉동기의 신뢰성 및 가격이 경쟁력을 가질 수 있는 MTBF 1,0000hr 이상/50달러/W 이하의 수준에 도달하지 못하고 있다는 것과 AC loss 저감 문제의 해결도 남아있는 과제다.

초전도 회전기기 시장 및 기술 요구 사항

수입 · 생산되는 화석 연료의 절반 이상을 발전용으로 사용하고 있으며, 특히 원유가격의 급등 및 환경문제 등으로 인해 발전 단계에서 효율을 높이는 문제가 매우 중요하다. 풍력발전은 점차 대형 단지화, 해상화 추세에 있으며, 주요 선진사들이 기존 시장을 철저하게 장악하고 있어 이를 돌파하지 못하면 생존이 어렵다. 따라서 우리나라 기술이 시장에서 경쟁력을 확보하는 최우선 과제는 가격과 성능 면에서 차별화된 기술 개발이다. 초전도 발전기를 통해 발전용 대형 발전기는 0.3~1% 정도의 효율 향상, 풍력발전의 경우 97~99% 수준의 고효율 및 1/2~1/5 수준의 소형, 경량화로 30% 이상의 건설비 절감을 실현할 수 있어 파급 효과가 엄청날 것으로 기대된다.
이러한 신기술을 적용하는 신제품은 시장에서 수요자의 선택을 받기 위해 기본적으로 다음 3가지 사항이 전제되어야 한다. ① 기존 제품 대비 가격 경쟁력 ② 충분한 실증 데이터를 확보한 신뢰성 ③ 저렴하고 편리한 유지 보수 등이다.


마무리

기존 회전기기의 기술적 한계를 극복하고 새로운 기술 패러다임을 열고 있는 초전도 기술로, 녹색성장을 견인할 고효율화, 소형 경량화, 고신뢰성을 보장하는 신개념의 초전도 발전기 · 모터를 개발하면 에너지 절약, 전력 품질 향상 및 친환경 및 고부가가치를 창출하는 새로운 산업 영역의 개척이 가능하다. 이러한 초전도 회전기기는 최근 산업 사회의 고도화 및 에너지 사용량 증가에 따른 수급의 문제와 더불어 정보 통신 분야의 급속한 발달 추세와 지구환경보전을 위한 Green Round 협정 등에 따라 구체적인 전력 품질의 질적인 고도화가 요구되고 있다.
이러한 사회적 요구에 부응하기 위해 초전도 기술을 적용한 초전도 회전기기는 기존 발전기 대비 70%의 대폭적인 손실을 저감할 수 있다. 또한 0.3~2% 이상의 효율 향상이 가능하며, 로터의 손실에서 발생하는 열로 야기되는 반복 열 충격(Thermal Cycling)에 의한 수명 저하 문제도 해결할 수 있다. 긴 수명과 높은 전류밀도로 고자장을 구현할 수 있으므로 초전도 회전기기는 1/3~1/5 수준의 소형화 및 경량화의 구현이 가능하다. 이에 따라 제품 제작비용의 저감 및 건설비용의 저감으로 원가 경쟁력을 확보할 수 있다. 아울러 산업적 측면에서는 양질의 전기에너지 생산이 가능하고, 에너지 자원 절약 효과, 새로운 전원 설비 확충 압력의 완화, 전력계통 및 전기 시스템 전반의 효율 및 안정도 향상, CO₂배출 억제에 기여 할 수 있다.

따라서 미국, 일본, EU 등은 초전도 회전기기가 21세기의 자원, 에너지, 환경문제를 해결할 수 있는 가장 확실한 해결책 중 하나이며, 개발 성공 시 높은 부가가치와 여타 기술에 비해 기술 파급 효과가 월등히 크다는 점을 주목하고, 초전도 발전기 기술 개발을 국가 전략적인 대형 과제로 선정해 장기적인 개발 전략을 수립, 강력한 산 · 학 · 연 공동연구체계를 구성해 연구 개발에 박차를 가하고 있다. 우리나라도 CO₂발생 저감과 에너지 생산부터 소비에 이르는 과정에서 효율을 향상시킬 수 있는 녹색성장기술 중 하나로 초전도 회전기기를 선정해 단계적인 지원을 추진할 계획이다.
초전도 회전기기 기술은 전력기기 산업을 한 단계 발전시켜 새로운 활력을 불어넣고, 21세기 기술제국주의에 대처하며 국가 녹색성장 및 일자리 창출에 기여할 수 있는 성장동력 산업 제품 원천기술이다. 또한 고효율화, 소형 경량화, 고신뢰성의 확보를 통해 에너지 절약, 전력품질 향상, 친환경, 고부가가치를 창출하는 새로운 산업영역 개척이 가능한 기술 분야이며, 고성능의 차세대 초전도 회전기기 개발을 통해 녹색성장을 주도적으로 견인할 것이라 기대된다

마이스너 효과(Meissner Effect)
도체 위에 간격을 유지한 상태로 자석을 두면 자석에서 발생되는 자기장이 도체에 도달하고 도체 내부에 자기장이 침투한다. 그런데 어떤 특정 온도(임계온도) 이하가 되어 시료에 초전도 전이가 일어난 경우(초전도 상태가 된 경우), 보통 물질과 달리 자기장을 밖으로 밀어내는 성질(차폐전류가 발생)이 있어 자석은 초전도체와의 거리를 그대로 유지하면서 위에 떠 있게 된다. 이때 초전도체 내부의 자속밀도(B)를 측정하면 0이 되고 이러한 초전도체의 완전반자성을 마이스너효과라고 한다. 하지만 이때 주위 온도가 올라가 임계온도 이상이 되면 시료는 초전도의 성질을 잃어버려(이를 현상이라고 한다) 자석은 더 이상 떠있지 못하게 된다.
마이스너 효과는 외부에서 가해진 자기장을 상쇄시키기 위한 전류(차폐전류)가 초전도체에 흘러서 외부의 자석과 반대되는 자극을 만듦으로써 나타나는데, 자기장을 밀어내는 자기부상 효과를 이용해 자기부상 열차나 초전도 베어링 등을 제작할 수 있다.

조셉슨 효과(Josephson Effect)
2개의 초전도체가 매우 얇은 절연막을 사이에 두고 격리돼 있을 경우, 터널 효과에 의해 전자가 특수한 쌍(쿠퍼쌍)을 이루어 절연막을 통과하는 현상을 말한다. 1962년 B.D.조셉슨이 예언했고, P.W.앤더슨 등이 실험적으로 확인했다.
반도체나 일반적인 금속 속의 전자는 각각 별개로 행동하지만, 조셉슨 접합 안의 전자는 나란히 운동하며, 그 모양은 간섭성의 파동으로서 기술된다. 조셉슨 접합을 통해 직류전류를 흘려보낼 때, 한계전류까지는 절연막이 있음에도 불구하고 초전도체 사이에 전위차(電位差)가 발생하지 않고 직류전류가 흐른다(직류 조셉슨 효과). 그런데 직류전류가 한계전류를 넘으면, 초전도체 사이에 전위차가 생겨 교류전류가 흐르게 된다(교류 조셉슨 효과). 이 때 교류주파수는 직류전압에 비례하고, 외부로부터 전자기파(마이크로파)를 조사(照射)하면 간섭현상이 생겨, 교류주파수가 전자기파 주파수와 같을 때 직류전류가 생긴다.
이에 대한 응용 연구는, 조셉슨 전류가 외부 자기장에 민감하게 반응하는 것을 이용해 자기장 · 전류 · 전압 등의 고감도 측정 장치, 교류 조셉슨 효과와 외부로부터 가한 전자기파와의 간섭을 이용한 검파기(檢波器) 등에 응용된다. 또한 컴퓨터의 연산소자로서 이용될 수 있다. 한편 국제적인 전압표준은 1976년 1월부터 기존의 표준전압방식에서 조셉슨 효과를 이용한 방식으로 바뀌었다.

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