초전도 재료의 전력분야 응용과 기술개발 전망

서울대학교 공과대학 재료공학부    유 상 임 교수

I. 서 언

  현재 주로 사용되고 있는 초전도 재료로는 대부분 임계온도(Tc)가 30 K 이하의 소위 저온초전도체로 Nb-Ti 합금이 주류를 이루고 Nb₃Sn이 일부 사용되고 있다. 이들 저온초전도체는 초고감도 자기센서나 고자장 발생용 초전도 전자석으로 다양한 응용기기에 사용되고 있으나 전력분야와 관련된 것으로는 전력을 자기에너지로 변환하여 저장하는 초전도자기에너지저장시스템(SMES)이 유일하다. SMES를 제외하고 이들 저온초전도체가 전력분야에 보다 광범위하게 응용되지 못한 가장 큰 제약 요소는 Tc가 너무 낮아 응용기기의 작동시 냉각 매체로 고가의 액체 헬륨을 사용해야함으로 경제성이 없기 때문이다. 이러한 저온초전도 재료의 응용 한계를 극복할 수 있는 가능성은 1986년 후 일련의 Tc가 30 K 이상의 고온초전도 재료가 발견되면서 부터이다. 특히, Tc가 액체질소 온도(상압하, 77.3 K) 이상인 Y-Ba-Cu-O계의 YBa₂Cu₃O_7-d (Y123, Tc = 90 K), Bi-Sr-Ca-Cu-O계의 Bi₂Sr₂CaCu₂O₈(Bi-2212, Tc = 85 K) 와 Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O10(Bi-2223, Tc = 110 K), Tl-Ca-Ba-Cu-O계(최대 Tc: 125 K), Hg-Ba-Ca-Cu-O계(최대 Tc: 134 K) 등의 금속 산화물 초전도 재료가 발견되어 고가의 희박한 액체헬륨 대신 값싸고 풍부한 액체질소를 냉매로 사용할 수 있게 된 것이다. 그러나 이들 재료 중에서 실제 응용성이 있는 재료는 Y(혹은 RE: 희토류원소)-Ba-Cu-O계와 Bi-Sr-Ca-Cu-O계이고 이밖의 재료들은 비록 임계온도는 높을지라도 유해성과 화학적 불안정성으로 응용성이 매우 낮다. 새로운 제조기술의 개발로 Bi-2212(85K)와 Bi-2223(110K) 초전도체의 경우, 응용가능한 높은 임계전류의 km급 장선재가 개발되어 이미 상업화 단계에 진입함에 따라 여러 전력분야 응용기기의 개발이 미국, 유럽, 일본 등 선진국에서 본격화되고 있고, Y-Ba-Cu-O계의 경우도 임계전류밀도가 높은 5-10cm 직경의 Y123 벌크결정 제조기술이 개발되어 상용화되고 있으며 이것을 사용하여 전기에너지를 운동에너지로 저장할 수 있는 플라이휠에너지저장장치(Flywheel Energy Storage System)가 개발되고 있다. 현재에는 Bi-2223에 비해 자장하 임계전류밀도가 월등히 높은 Y123를 장선화하려는 소위 Coated Conductor의 연구개발이 미국과 일본에서 활발하게 진행되고 있다. 국내에서도 2001년 과학기술부의 프론티어 사업으로 차세대초전도응용기술개발사업이 시작되어 전력분야 응용을 위한 초전도 선재 및 응용기기의 연구개발이 진행되고 있다. 본 특집에서는 다양한 고온초전도체의 응용분야 중에서 전력분야 응용과 기술개발 전망을 살펴보고자 한다.

II. 초전도 재료의 전력분야 응용 및 기술개발 전망

  전력분야에서 응용이 기대되는 분야는 선재로서 초전도 케이블, 초전도 변압기, 초전도 한류기, 초전도 모터 등이고 벌크 형태로 초전도 플라이휠저장장치를 들 수 있다.

먼저 초전도 케이블은 동일한 단면적을 가지는 기존의 구리도체에 비해 100배의 통전능력을 가지므로 초전도선을 사용하면 저손실의 대용량 전력수송 및 소형화가 가능하다. 향 후 대도시의 전력수요의 증가가 예상되므로 기존의 도심지 지하 전력구내에 설치된 전력케이블을 대체하면 냉각을 위한 부대시설을 고려하더라도 동일 면적에 수십 배의 전력을 수송할 수 있으며 변전소 내 대용량 케이블로도 사용될 수 있다. 이 케이블을 위한 초전도 재료로는 Bi-2223 선재가 가장 유력하다. 특히 미국의 경우, 2001년 디트로이트에 100MVA급 케이블을 설치할 계획을 수립하여 진행 중에 있고, 일본의 경우도 최근 1GVA급 케이블을 동경전력과 중부전력 등의 전력회사에서 설치할 계획을 수립하여 진행 중에 있다. 국내의 경우 현재500MVA급 케이블을 개발하기 위한 연구가 진행 중에 있다. 초전도 케이블의 실용화를 위해서는 코아의 설계 및 제작기술, 케이블용 극저온 단말 및 접속재 제작기술, 선재의 고강도화 기술, 통전 및 과전 시험 및 신뢰성 평가기술, 극저온 관로 및 냉각시스템 기술, 실계통 연계 및 보호기술 등이 다양한 기술이 종합적으로 요구된다. 이 기술은 상당히 발달되어 실 배치를 고려할 단계에 이르렀으나 광범위한 실용화는 고가의 Bi-2223 선재를 대량생산에 의해 저렴화하는 것이 관건이다.

다음에 초전도 재료는 발전소에서 생산된 전력을 수요밀집지역까지 끌어오기 위해서는 높은 전압으로 승압하거나 낮은 전압단계로 감압하는 변압기에도 응용될 수 있다. 변압기의 핵심도체를 초전도선으로 대체하면 기존의 변압기에 비해 손실과 중량 및 부피를 절반 이하로 현저히 줄일 수 있으며 폭발의 위험성도 없기 때문에 그 응용성이 매우 높다. 이 밖에도 산업체 구내 지하 변압기나 고속전철용 수변전 변압기에도 사용할 수 있는 등 수요도 상당히 많다. 선진국에서는 이미 수 백kVA급 초전도 변압기를 개발하여 시험운전을 하였으며 1-10MVA급 초전도 변압기 개발할 계획을 수립하여 진행 중에 있고, 국내의 경우 현재 1MVA급 초전도 변압기 개발을 목표로 연구가 진행되고 있다. 의 핵심기술로는 권선설계 및 권선기술, 초고압 절연 설계기술, 극저온용기 설계 및 제작기술, 초전도 변압기 특성평가 기술, 교류손실 해석기술, 전력계통 연계기술 등이 요구된다. 현재 실용화에 가장 난제가 되는 것은 고온초전도 선재의 교류손실이다. 상용화되고 있는 Bi-2223 초전도 선재는 교류손실이 너무 크므로 이를 낮출 수 있는 기술이 연구개발되고 있으나, 근본적으로는 교류손실이 월등히 낮은 Y123 장선재의 개발이 요구된다.

초전도 재료는 한류기에도 응용될 수 있다. 한류기는 낙뢰나 단락 등의 사고로 인해 전력계통에 이상전압이나 전류가 흘러 계통에 설치된 각종 전력기기에 손상을 방지하기 위해 설치된 일종의 차단기이다. 기존의 한류기는 전기를 완전히 차단함으로서 정전을 유발하지만 초전도 한류기는 초전도가 가지고 있는 특성을 이용하여 높은 고장 전류를 정상상태로 바꾸어 줌으로 사고시 정전 없이 계통을 보호하여 정상적으로 운영할 수 있게 해주는 신개념의 전력 기기이다. 이러한 초전도 한류기는 계통안정화용 조류기외에도 송배전설비 보호용으로 사용될 수 있으므로 수요가 엄청나다. 선진국에서는이미 15 kV급 소용량 초전도 한류기를 성공적으로개발한 바 있고, 현재는 100-300MVA급의 대용량 초전도 한류기 개발 계획을 수립하여 진행 중에 있고, 국내의 경우 현재 6.6 kV급 고온초전도 한류기 개발을 목표로 연구가 진행되고 있다. 초전도 재료로는 Bi-2223 코일이 현재는 가장 유력하나, 보다 고 임계전류 특성을 가지는 Y-123 장선재가 개발되면 대체될 가능성이 높다. 초전도 한류기의 핵심기술은 대용량 초전도코일 제작기술, 코일 보호 기술, 대용량 전력전자회로 기술, 전력계통 적용 및 운전 기술, 초전도 한류기용 Cryostat 기술 등이 요구된다. 초전도 한류기는 기존의 전력 기기 중 가장 대체의 필요성이 크고 수요도 많으므로 실용화 속도가 매우 빠를 것으로 전망된다.

또한, 초전도 재료는 산업용 모터에 응용될 수 있다. 초전도 모터는 자로의 형성과 집중을 위해 철심을 제거한 공심형 초전도 계자코일을 사용함으로써 고출력, 고효율, 소형화, 경량화 및 대용량화가 가능한 차세대 모터이다. 따라서 선박용 구동장치나 고속전철 등의 운송용 구동장치에 적용될 전망이다. 미국의 경우 Bi-2212 초전도 선재를 사용하여 1,000 마력급 초전도 모터를 개발한 바 있으며 5,000 마력급을 개발 중에 있다. 국내의 경우 현재 100 마력급 초전도 모터를 개발 중에 있다. 핵심기술은 고자장 공심형 계자코일 및 전기자 제작기술, 극저온 회전기용 냉매급배 장치 기술, 초전도 모터 시험평가 및 특성해석 기술, 초전도 모터용 Cryostat 기술 등이다. 현재 개발된 Bi-2223 선재로 초전도 모터를 제작하는 경우 용량의 한계가 크므로, 자장하 임계전류특성이 월등히 좋은 Y123 장선재가 개발되면 보다 대용량의 초전도 모터가 개발될 전망이다.

마지막으로, 앞서 살펴본 초전도 선재의 전력분야 응용과 달리, 초전도 벌크를 응용하면 대용량의 전력 저장용 기기인 플라이휠에너지저장장치를 만들 수 있다. 이 장치는 전기에너지를 이용하여 자기부상된 플라이휠을 고속으로 회전시켜 기계적인 에너지로 저장하였다가 필요시 다시 전기에너지로 변환하여 전력수효가 발생하는 요소에 공급하는 장치이다. 미국, 일본 및 유럽에서는 수 kWh급 초전도 플라이휠을 개발한 바 있으며 지금은 수백 kWh-1 MWh급을 개발 중에 있다. 국내에서도 한국전력이 소형의 플라이휠을 개발 중에 있다. 이러한 초전도 플라이휠의 부상을 위해 상용화된 직경 5-10 cm 두께 약 2cm의 Y-Ba-Cu-O 벌크 초전도체가 사용되고 있다. 핵심기술은 부상시스템의 설계 및 제작 기술, 고속 회전시 초전도벌크내의 손실 저감 기술, 냉동기술 등이다.

III. 결 언

   21세기 고도의 정보통신사회는 보다 친환경적이며 고품질의 전기에너지를 안정적으로 수급함과 아우러 이를 실현하기 위한 주요 전력기기 개발 능력과 실용성 있는 재산권의 확보가 국가 경쟁력을 좌우할 것으로 전망된다. 앞서 열거한 초전도 재료 전력분야 응용의 경우, 미국, 일본, 독일 등에서 이미 실 계통 투입시험용 모델기가 개발되어 시험단계에 있고, 2010년 경 기종의 전력기기 시장의 약 10%가 초전도 기기로 대체될 전망이다. 우리나라의 경우는 아직 실용화를 위한 모델기도 개발해본 사례가 없으나 2001년 21C프론티어 사업의 하나로 착수된 <차세대초전도응용기술개발사업>은 21세기초 도래할 것으로 예상되는 초전도산업시대의 국제경쟁력확보에 일익을 담당할 것으로 기대된다.

월간 세라믹스   2002년   4월호  게재