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초전도 순저보상 SMES의 개발
2005-01-25



이 원고는 일본 《電氣現場技術》誌에서 번역 전재한 것입니다.

초전도 순저보상 SMES의 개발 

츄우후전력주식회사(中部電力株式會社)_나가야 시게오(長屋 重夫)

SMES란(원리와 특징) 

초전도 현상을 이용한 전력기기의 하나로 SMES라 부르는 전력저장장치가 있다. SMES는 초전도 자기에너지 저장시스템(Superconducting Magnetic Energy Storage system)의 머릿글자를 딴 것으로 통상 초전도전력 저장시스템이라고 부른다.

SMES의 원리는 초전도선으로 만들어진 코일에 전력을 자기에너지로 저장하는 시스템이다. 초전도의 경우, 전기저항이 0이 된다는 장점에서 전류의 감쇠시 정수가 무한대가 되어 닫힌 코일이면 외부 전류가 그 속을 계속해서 흘러, 전류가 만드는 자기가 일정하게 발생하고 자기에너지로 전력이 보존되는 상태가 된다. 이것이 초전도전력저장의 이론으로 초전도자기에너지저장이라 부르는 것이다. 이 때, 에너지 교환이 일어나지 않기 때문에 저장효율이 높다고 알려져 있다.

<그림 1>에 SMES시스템의 원리도를 나타낸다. 전력계통과 초전도 코일 사이에는 교직변환장치나 차단기를 갖고, 초전도 코일 충전시에는 코일에 직류통전전류를 증가시켜 초전도 코일로 폐회로를 구성함으로써 전류전기에너지를 저장한다. 방전시에는 초전도 코일과 변환기의 회로를 닫고, 코일 통전전류를 저감시켜 외부에 에너지를 추출한다.

초전도기술은 전기저항이 0이 되는 현상을 이용해 고전류 밀도화를 꾀하고 통상 전기기기에 비해 대출력, 대용량, 고효율화를 실현하는 것이다. 그 중에서도 이 전력저장기술에 대한 응용은 초전도에서 특징이 발휘된다.

<그림 2>에 SMES와 다른 전력저장기술의 출력기능 면에서의 비교를 나타낸다. 일반적으로 전력을 저장하기 위해서는 어떠한 저장이 가능한 에너지형태에 전력을 변환할 필요가 있다.

예를 들면, 전기에너지를 일단 화학에너지로 변환해서 저장하는 NaS 전지나 리독스 플로우 전지 등의 2차전지에 대해서는 에너지 변환에 따른 손실 등으로 전력저장효율이 낮은 반면, 출력을 내기 위해서 저장부인 전지를 다수 직병렬 접속함으로서 에너지 저장량 자체가 커진다.

이 때문에 장시간에 걸친 에너지 방출이 가능해지고 야간에 전력을 축적해 주간에 전력을 방출하는 장시간의 부하평준화 용도에는 적절한 저장기술이 된다.

한편, SMES는 저장된 에너지 형태가 자기에너지가 되는데, 전류가 그대로인 형태로 존재하기 때문에 다른 전력저장장치에 비해 전력저장효율이 높고, 또한 순간대전력 입출력이 가능해진다. 또한 저장부에는 코일이지만 극저온으로 유지되기 때문에 일반적인 전기절연재료의 열적 열화가 없고 충방전의 전자력 변화에 따른 기계응력에 따른 재료피로가 예상되지만, 코일 구조의 최적설비로 수만회의 반복동작에도 열화되지 않는 것이 뒤에 소개할 자원에너지청의 SMES 개발국가 프로젝트에서 실증되고 있다.

이러한 점에서 SMES는 순간적인 에너지 방출이 요구되고 일시적으로 전압이 저하하는 이른바 순간전압저하를 방지하는 용도나, 신간선과 같은 전기철도 등의 반복이 빈번하고 또한 그 변동이 큰 부하의 피크전력을 자르는 용도에 최적인 전력저장장치가 된다.

또한 SMS 시스템은 저장부가 코일이기 때문에 동작책무에 필요한 에너지 양만으로 저장부의 용량을 출력과 시간에 맞게 자유롭게 구성할 수 있는 특징이 있다.

최근의 IT관계 기술혁신을 지탱하는 반도체나 액정의 제조공장은 송전선에 대한 낙뢰 등으로 인해 발생하는 순간전압저하, 이른바 순저 대책이 큰 문제가 되고 있다. 현재 일본의 전력계통에서 발생하는 순저는 대부분의 경우, 1초 이하이고 순저 보상장치로서는 이 1초간의 전압저하 보상이 동작책무가 된다. SMES 최대 특징이 이 1초간의 동작책무에 있고, 다른 전력저장방법, 예를 들면 콘덴서는 보상시간이 0.1초에서 0.2초 정도로 짧고 전지의 경우에는 반대로 표준적인 시간단위, 단시간 사양으로도 십수분 정도로 과잉 전력저장부를 갖게 된다.

<그림 3>에 출력 1만kW에서 1초간, 전력을 공급하는 데 필요한 저장부의 비교를 나타낸다. 여기에서는 나트륨 황산(NaS) 전지와 레독스 플로우 전지를 보여주는데, SMES는 보상에 필요한 1초분의 저장부를 구성할 수 있기 때문에 압도적으로 소형이 되고 또한 이 정도의 대출력을 단기기로 보상할 수가 있기 때문에 종래의 보상장치와 같이 각각의 기기나 제조라인에 설치하지 않고 수전점에 설치함으로써 공장 전체를 보상할 수 있게 된다.

순간전압저하 보상 SMES

상기와 같은 특징을 이용해서 이번에 미에현에 새로이 건설된 샤프(주)의 최신새액정 공장에서 (주)도시바와 공동으로 세계 최대 규모인 5000kW의 출력을 갖는 순간전압저하 보상용 SMES를 개발하고 현재, 실증시험을 시행하고 있다. <그림 4>, <그림 5>에 초전도 코일의 사양과 시스템 외관을 나타낸다.

이 SMES의 특징은 우선 5000kW의 대출력이 가능하고 종래의 보상장치에서는 어려웠던 뱅크 단위의 보상, 결국 공장 전체의 일괄보상을 가능하게 한다. <그림 6>에 SMES 결선도를 나타낸다. SMES는 순간을 빠르게 검출하는 고속검출기, 전력계통에서 초전도 코일 측에 고속(약 1/2 사이클)으로 교체해서 부하에 공급하는 고속교체 스위치와 변환기, 그리고 에너지 저장부인 초전도 코일, 코일 냉각용 냉동기, 코일의 보호장치 등으로 구성된다.

SMES는 전기에너지를 자기에너지로 저장하고 있다. 이 때문에 자계를 높이면 저장밀도가 올라가 장치의 소형화를 도모할 수 있게 되는데, 누전자장의 문제가 발생한다.

이번 SMES는 4개의 솔레노이드 코일에 인접한 코일의 극을 반전시켜 4중극에 배치함으로서 코일이 발생시키는 자장을 인접한 코일의 자장으로 상쇄시켜 이 누전자장의 문제를 해결하고 고자계화에 따른 소형화를 실현한다.

여기에서 초전도에는 쿠엔치라는 현상이 존재한다. 이 쿠엔치는 초전도가 갖는 3개의 한계, 온도, 전류, 자장의 한계점을 넘을 때에 발생해 각각이  상호 특성 상에서 의존성을 갖기 때문에 통상, 복합적으로 발생한다.

초전도의 특징을 가장 잘 살린 마그네트를 설계할 경우, 전류와 자장에 대해 각각의 한계치에서 여유도를 갖고 설계하게 되는데, 이 여유도만큼 이용하고자 하는 능력 이상의 것을 만들게 된다. 순저 SMES 개발에 있어서도 통상의 초전도기기와 마찬가지로 이 쿠엔치에 대해 여유도를 크게 하거나 보호, 감시 등 대책이 필요해져, 이번에 종래의 초전도 상식을 뛰어넘는 제어기술의 개발에 성공하고 이 시스템을 연구했다.

상식을 뛰어넘는 제어기술이란, SMES에서는 쿠엔치를 허용하는 세계 최초의 초전도 기기라는 것이다. 쿠엔치 발생으로 인한 문제는 초전도 상태고에 흐르고 있는 대전류를 얼마나 안전하게 처리하는가 하는 점에 있다. 이 때문에 가능한 한 빨리 쿠엔치를 검출하고 고속으로 전류를 차단, 보호저항 등으로 전기에너지를 한숨에 열로 변환해서 보호한다.

이것이 종래 쿠엔치 보호인데 여기에서 순저보상이라는 동작을 생각해 보면 이것이 초전도 코일에 저장되어 있는 전기에너지를 순간적으로 방출시키는 동작이고, 이 때 코일에 흐르는 전류는 한숨에 작아진다. 이것은 쿠엔치가 발생할 경우의 보호동작과 마찬가지이고 반대로 적극적으로 쿠엔치를 제어하고 이를 시스템에 적용시킴으로써 여유도를 억제한 설계가 가능해진다. <그림 7>에 쿠엔치제어의 사고를 나타낸다.

이번 필드 시험 개시에 있어 실부하에 접속한 상태에서 순간모의 신호로 액정공장의 중요부하에 대한 전력공급을 전력계통에서 SMES측으로 교체해 0.5초 후에 전력계통으로부터의 급전으로 돌아가는 순간보상동작시험을 실시했다. <그림 8>에 시험결과의 실파형을 나타낸다. 이 시험시의 부하용량은 3200kVA로 액정공장 내의 중요부하가 정지하거나 오동작하는 부조리가 발생하지 않고 문제없이 보상동작한 것을 확인하고 있다.

이번 실필드 시험은 2003년 7월부터 개시해 이미 1년 이상 순조롭게 가동되고 있고, 올해 4월까지 시험을 시행할 예정이다.

SMES 실용화에 대해

이번 실필드 시험은 지금까지 핵융합이나 가속기 등 시험·실험장치로 응용되어 온 초전도 기술이 실용전력기기로 처음으로 사용된 것으로 기존에 SMES의 대출력 응답성을 살려 이번에 2배의 출력을 갖는 1만kW기의 개발에 힘쓰고 있다. 1만kW기는 5000kW기에 비해 저비용화를 실현하면서 보다 높은 신뢰성과 성능을 갖는 것으로 점점 초전도기술이 전력기기로 실용화된 제1호가 된다.

또한 순간보상 SMES는 산업응용분야에 대한 실용화를 맞이한 것이지만 전력분야로의 SMES 실용화에 대해서도 앞서 서술한 자원에너지청의 국가 프로젝트로서 NEDO(독립행정법인 신에너지 산업기술종합개발기구)의 개발이 이루어지고 있다. 전력분야에는 순간보상으로 성능 면이나 신뢰성 면에서, 그리고 무엇보다도 그 규모 면에서 더욱 고도의 능력이 요구되고 있지만 당사에서는 이 프로젝트에 참가해 1999년도부터 2003년도에 걸쳐 SMES 시스템의 심장부라고 할 수 있는 코일 기술개발을 실시하고 전력용으로 대용량·고출력이 가능한 종래에 없는 획기적인 고성능·저비용 도체를 개발해 당사 칸세이변전소 내에 건설된 초전도 시험센터에서 변전부하보상으로 이례가 없는 반복 1만회의 반복 충·방전시험에 성공했다.

<그림 9>에 개발한 초전도 요소 모델코일, <그림 10>에 초전도시험 센터에서의 시험상황 사진을 나타낸다.

이들의 성과를 기초로 2004년부터 새로이 4개년 기간으로 저비용 고효율 대용량 전력변환기술이나 고신뢰장수명 냉동기의 개발 등에 힘써 차세대 SMES 시스템을 개발하고 실계통 연계시험으로 SMES 시스템으로서의 실증을 시행하는 프로젝트 ‘초전도 전력네트워크 제어기술개발’을 추진한다.

또 보다 높은 온도, 보다 높은 자장에서 사용이 가능한 고온초전도체를 이용한 SMES의 개발도 시작되고 있어 이 차세대 SMES가 등장하면 순간보상뿐만이 아니라 더욱 폭넓은 응용이 가능해진다. 20세기 초두에 발견된 초전도이지만, 1세기의 개발을 거쳐 지금까지 개발을 계속해 온 초전도기술의 전력 대응이 서서히 시작되고 있다.

시사용어 소사전  

GNP인종주의

미국의 뿌리깊은 유색인종차별과 남아프리카공화국의 아파르트헤이트정책이 피부색에 따른 백인종의 우월감에서 비롯되는 인종주의라면 이 GNP인종주의는 준주변부국가에서 주로 발생한다. 대표적 국가로는 한국을 꼽을 수 있겠다. 이는 한 개인의 피부색에 따른 차별과 멸시, 냉대가 아닌 그 개인이 속한 국가의 1인당 GNP에 따라 개인의 인격을 결정해버린다. 같은 한민족이라도 연변의 조선족이나 까레이스키 출신이면 우습게 알며 같은 백인종이라도 러시아 사람을 착취하며 같은 유색인종이라 할지라도 동남아시아나 남부아시아의 사람들을 우습게 보는 양태가 GNP인종주의의 모습이라 하겠다.

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