고온초전도체 발견 20년, 응용기술 개발동향과 전망

고온초전도 전력기기 연구개발 동향 및 전망
조영식 공학박사 차세대초전도응용기술개발사업단 기술팀장

전기는 고급에너지로서의 사용 편리성과 친환경적인 특성 때문에 미래 사회 전체 에너지 소비에서 차지하는 비율이 증가하는 것이 세계적인 추세이다. 산업자원부의 제2차 전력수급 기본계획에 따르면 국내 최대전력수요는 연평균 2.7% 증가하여 2017년에는 6,874만kW, 판매 전력량은 4,165억kWh에 달할 것으로 전망되고 있다.
이러한 전력수요 증가에 원활히 대응하여 미래 첨단사회를 준비하기 위해서는 단위 선로 당 용량증대와 단락용량 문제해결 등 안정적이고 친환경적인 기술적 대안 제시가 절실히 요구된다.
고온초전도 전력기기는 단일기기당 대용량화가 가능하고, 전력손실이 거의 없으며, 환경친화적이면서도 공간을 적게 차지하는 본질적인 특성을 가지고 있다. 또한, 상전도 전력기기와 달리 냉각매체로서 오일, SF6 가스를 사용하지 않으므로, 폭발/화재의 위험성이 없고, 온실가스 문제도 없다. 국내에서는 21세기 경제 패러다임의 변화에 부응하는 새로운 성장견인산업을 발굴하고 국가경쟁력의 원천인 고품질의 환경친화형 국가전력 수급망을 구축하기 위해서 2001년도에 과학기술부 21세기 프론티어연구개발사업의 일환으로 차세대초전도응용기술개발 사업단(이하 초전도사업단)이 구성되어 초전도케이블, 변압기, 한류기, 모터 및 이들 기기의 핵심소재인 제2세대 고온초전도 선 (CC : Coated Conductor) 등을 개발하고 있다. 현재 2단계 3차년도 연구를 수행하고 있으며 2011년을 목표로 하여 실제 전력계통 적용을 위한 연구개발에 총력을 기울이고 있다. 미국은 에너지청(DOE : Department of Energy)에서 지원하는 SPI(Supercondcutivity Partnership with Industries) 프로그램으로 초전도 케이블, 변압기, 한류기, 모터 등의 전력기기 개발을 위해 막대한 투자를 하고 있다. 일본은 경제산업성이 지원하는 Super-ACE 프로그램을 추진하였으며 CC(Coated Conductor) 연구를 통해 가시적인 결과들이 도출, 최근에 CC를 이용한 초전도 케이블, 변압기, 한류기 등의 초전도 전력기기 개발을 시작하였다.
본 원고에서는 대표적인 고온초전도 전력기기에 대해서 기술의 특징, 개발동향 및 전망에 대해서 기술하고자 한다.

1. 초전도 케이블
대도시에서 빌딩의 집중, 도시기능이 고도화되면서 전력 수요가 급증하는 현상이 일어나고 있다. 전력수요 고밀도화에 대한 대책으로 지중케이블을 대용량화하거나, 복수회선을 신·증설하고 있으나 도심 지하공간은 지하철, 통신, 수도, GAS 및 빌딩 등이 복잡하게 얽혀 있어 지중케이블용 관로 및 전력구를 확보하는데 어려움이 많다.
이런 문제를 해결하기 위하여 고전압화와 강제냉각방식 등으로 케이블의 용량을 증대시키고 있으나 지금 현재 거의 한계에 도달한 상태이다. 그래서 손실이 현저하게 적고 에너지밀도가 매우 큰 고온초전도 전력케이블이 이러한 문제를 해결할 수 있는 기술로 인정되고 있다.
고온초전도 전력케이블은 표 1과 같이 기존 케이블인 구리도체 대신 고온초전도 도체를 사용한 저손실·대용량 전력수송이 가능한 전력케이블로서 대도시의 전력공급문제를 해결할 수 있는 환경 친화적 신개념의 전력케이블이다. 또한 기존의 전력케이블에 비해 초전도 케이블은 765kV나 345kV의 초고압이 아닌 154kV 또는 22.9kV의 저전압으로 대용량 송전이 가능하기 때문에 종래 변전소의 고전압송전을 위한 주변기기를 간략화 시킬 수 있다. 초전도 전력케이블은 송전손실이 극히 작고 같은 용량의 구리케이블에 비해 20% 수준 크기로 송전이 가능하여 추가 건설공사 없이 이미 설치되어 있는 도심의 전력구(케이블용 지하터널) 또는 관로를 사용할 수 있어 매우 경제적이며 도심의 부지, 전력공급 문제 등을 해결할 수 있다.
고온초전도 전력케이블은 그림 1과 같이 세부적으로는 for
mer, 초전도도체, 전기절연 등으로 구성된 케이블 코아와 열 절연을 위한 cryostat의 부품과 냉각시스템, Termination 등으로 구성되어 있다.
고온초전도 전력케이블을 개발하고 있는 연구기관 및 국가는 미국에 상당히 편중되어 있으나 한국을 포함한 아시아권의 연구개발도 미국 못지않게 활발한 연구개발이 진행되고 있다.
미국에는 Southwire Co.와 ORNL(Oak Ridge National Lab.)이 공동으로 2000년 2월부터 2005년까지 Georgia 주의 Carrollton 공장 내에 12.5kV, 1.25kA, 3상으로 30m 시스템을 설치하여 공장 내의 전력공급용으로 30,000시간의 성공적인 운전을 하였으며, Pirelli 그룹은 2002년 Frisbie 변전소에 WD(Warm Dielectric) 방식의 초전도 케이블로서 24kV급 120m를 포설하였으나 케이블 극저온 용기의 진공문제로 프로젝트를 중단하였다. 현재 DOE의 지원을 받은 SPI (Super
conductivity Partnership with Industries) 프로그램으로는 LIPA project, AEP Ohio project 및 Albany project 3대 초전도 전력케이블 프로젝트가 실계통 운전을 목표로 진행 중에 있으며 이에 대한 요약설명은 표 2와 같다.
일본 스미토모전공과 동경전력이 공동으로 개발한 100m급 초전도 전력케이블 실증시험이 끝나고, 스미토모전공은 미국의 IGC-Superpower와 협력하여 Albany project로 진출하였다. 이후, 일본 내에서는 Super-ACE project를 중심으로 후루카와 전공에서 500m급 단상 초전도 전력케이블을 개발하여 CRIEPI에서 실험을 완료하였다.
그림 2는 CRIEPI에 특성 시험을 위해 설치되어 있는 500m급 초전도 전력케이블의 사진이다. 본 개발은 고저차, U-bending, 지하포설 등 실제 포설 및 운전상황을 고려하여 평가를 진행하여 초전도 케이블의 실계통 적용에 필요한 연구 결과를 확보하였다.
중국은 저온부터 시작하면 30년이 넘는 초전도 연구개발 역사를 자랑한다. 최근에 고온초전도에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, IEE CAS그룹과 InnoPower사에서 특히 초전도 전력케이블 연구를 활발하게 진행시키고 있다.
InnoPower사는 Bi-2223 wire를 제작 판매하고 있는 중국의 InnoST사와 중국의 운남전력과 공동 출자로 만들어진 회사로서 2004년 6월 30m급 초전도 전력케이블을 중국계통에 최초로 설치하였다.
전압계급은 35kV이며, 정격전류는 2kA로 설계되었다. 최근 대부분의 초전도 전력케이블이 Cold Dielectric으로 설계되고 있는 것에 반하여 본 프로젝트는 절연방식이 WD 방식으로 설계되었으며, 8대의 GM 냉동기를 설치하여 냉각시스템을 개발 운전하고 있다.

현재 국내에서 2001년부터 21C 프론티어연구개발사업의 하나인 차세대초전도응용기술개발사업에서 한국전기연구원 주관으로 LS전선(주), 한국기계연구원 등이 공동으로 초전도 전력케이블 개발을 진행하고 있으며, 그림 4는 개발 완료된 3상, 30m 초전도 케이블의 사진이다.
22.9kV, 50MVA, 3상 30m Cold Dielectric 방식의 전기절연과 1개의 cryostat에 3상을 모두 설치하는 구조의 초전도 케이블로서 2005년 7월 장기실증시험을 성공적으로 완료하였다.
2006년은 2단계의 3차 년도로서 22.9kV, 50MVA급 초전도 케이블의 제품화를 위한 기반을 확보하고 2세대 도체를 이용한 초전도 케이블 개발을 진행할 계획이다. 또한 154kV급의 송전용량을 대체할 수 있는 대용량 초전도 신전력계통을 대비한 22.9kV, 150MVA 이상의 초전도 케이블 연구와 154kV급 연구개발을 계속 진행할 계획이다.

2. 초전도 변압기
초전도 변압기의 기본 구조는 일반 변압기와 크게 차이가 없으며, 기본적인 구조는 1차 권선과 2차 권선 사이에 자기 결합이 잘되도록 철심을 두는 형태이다. 초전도 변압기의 설계는 기본적으로 일반 변압기와 동일한 기준이 적용된다. 그러나 초전도 선을 사용하기 때문에 일반 변압기와는 다른 열적 또는 기계적인 측면에서 초전도선을 냉각시키고 온도를 유지해야 하는데 그러기 위해서는 극저온 용기가 필요하다. 초전도 변압기는 1차, 2차 권선만 냉각시키고 철심은 상온에 위치하도록 하기 위해 가운데가 빈 저온 용기에 권선을 설치하고 철심은 저온 용기의 중심으로 통과시키는 구조를 가진다.
 초전도 변압기가 일반 변압기에 비해 갖는 장점을 살펴보면 다음과 같다.

가. 효율 상승
초전도체의 대표적인 특징은 저항이 없다는 점이다. 저항이 없으므로 전류가 흐를 때 발생하는 주울 열 손실, 즉 동손이 없기 때문에 초전도 변압기는 일반 변압기보다 효율이 높다. 그러나 일반 변압기의 경우에도 변전소 등에서 사용하는 대용량 변압기의 효율은 현재 99% 이상이어서 초전도 변압기를 사용함으로서 개선할 수 있는 효율 상승 폭은 0.2% 정도로 낮은 편이다. 하지만 전력 계통 시스템에서 사용하는 전체 변압기 수량을 고려한다면 효율상승으로 인한 운전비용의 감소와 에너지 절약 효과는 크다.

나. 무게 및 부피 감소
초전도 변압기의 다른 장점으로 무게와 부피의 감소를 들 수 있다. 일부 대도시의 경우 초전도 변압기의 고효율로 인한 에너지 절약효과보다 변압기의 부피 및 무게감소 효과가 매우 중요하게 고려된다. 특히, 우리나라 대도시의 경우 154kV급 60MVA 배전용 변압기는 빌딩의 지하에 설치되어 운전되고 있다. 하지만 2017년에 150%의 부하용량 증가가 예상되고 있어서 배전용 변압기의 용량 또한 증가하여야 한다. 일반 변압기를 사용한 용량 증가는 설치장소의 면적 제한 때문에 많은 어려움이 있으며, 이 문제를 해결하기 위한 방안으로 일반 변압기의 크기를 1/3 혹은 1/2로 줄일 수 있는 초전도 변압기의 필요성이 고려되고 있다. 그림 5는 100MVA 초전도 변압기와 60MVA 일반 변압기를 비교하여 나타낸 것이다.

다. 안전하고 환경 친화적
일반 변압기에서는 권선의 냉각과 절연을 위해 절연유를 사용한다. 30MVA급 변압기에 들어가는 절연유는 대략 23,000ℓ가 되며 이 절연유는 환경오염을 유발하고 변압기의 과열 시 화재나 폭발할 수 있는 문제점이 있다. 초전도 변압기의 초전도권선 냉각을 위해 사용되는 냉매는 77K의 온도를 가지는 액체질소를 사용한다. 액체질소는 값이 싸고 환경오염과 폭발 위험이 없기 때문에 초전도 변압기의 냉매로 적합하다. 또한, 냉매인 액체 질소는 초전도 변압기 권선의 절연도 담당한다. 

라. 과부하 내력 증가
대용량 변압기 수명은 대략 30~40년 정도로 보고 있다. 변압기를 30년 이상 사용하기 위해서는 변압기 내부의 온도가 가장 높은 지점인 110℃를 넘어서는 안 된다. 만일 이 한계를 20℃ 이상 초과해서 사용한 기간이 총 100일을 넘긴다면 변압기 수명은 25% 감소한다. 또한 초과 사용 기간이 10%를 넘어서면 수명은 절반 이하로 줄어든다. 한 여름철의 전력 수요는 이 기간을 제외한 1년 중 평균 수요의 2배 가까이 증가하는데 이 기간 수요에 맞춰 용량이 결정된 변압기이기 때문에 여름철을 제외한 나머지 기간에는 정격의 50% 정도 밖에 사용하지 못하여 운전 효율이 높지 못하다. 반대로 변압기 용량을 낮춰 설치한다면 변압기 수명이 급격히 감소하므로 지금의 일반 변압기로는 이 문제를 해결할 수 없다. 초전도 변압기의 경우, 정격 전류 이상의 부하 전류를 흘린다고 하더라도 일반 변압기와 같이 절연이 열화되는 일은 발생하지 않는다. 정격의 200% 정도의 부하 전류가 흘러도 변압기 수명에는 아무런 영향이 없으므로 1년 중 몇 주밖에 되지 않는 피크 부하에 맞춰 변압기 용량을 결정할 필요가 없으며, 따라서 연간 운전 효율은 일반 변압기보다 훨씬 더 좋아지게 된다. 
현재, 이러한 일반 변압기의 단점을 극복하기 위하여 차세대초전도응용기술개발사업의 일환으로 2001년부터 2011년까지 3단계로 나누어 100MVA / 154kV급 변전소용 초전도 변압기 개발에 관한 연구가 진행 중에 있다.
1단계(2001년~2004년) 연구 목표는 22.9kV/6.6kV 1MVA급 단상 초전도 변압기 개발을 통하여 고온초전도 변압기 제조기술 확립 및 초전도 변압기 기본 특성 및 운전 특성을 도출함으로서 3단계에서 제작될 100MVA급 초전도 변압기의 제작 관련 기초 기술을 확보하였다.
2단계(2004년~2007년) 연구 목표는 100MVA 초전도 변압기를 개발하기 위하여 선행되어야 되는 핵심 기술(절연, 권선, 냉각방식)개발을 목표로 한다. 현재 100MVA 초전도 변압기의 개념 설계 및 냉각 방식, 권선 형태에 대한 연구 및 기술 개발이 진행 중에 있다.
3단계(2007년~20011년) 연구 목표는 앞서 연구된 성과를 바탕으로 100MVA / 154kV급 변전소용 초전도 변압기 개발 할 계획이다.

3. 초전도 한류기
최근에 전력계통에서 고장(사고)에 대한 가장 근본적인 해결책으로 제시되고 있는 것이 초전도 한류기(Superconducting Fault Current Limiter)이다. 초전도 한류기는 전기저항 ‘0’이 되는 초전도 현상을 이용하여 정상 운전 시에는 발생저항이 전혀 없다가, 계통에서 고장 발생 시에 별도의 감지 장치 없이 스스로 저항이 발생하는 신개념의 차세대 전력기기이다. 현재 계통에 설치되어 있는 차단기들은 용량에 따른 약간의 차이는 있지만 대개 사고발생 후 3~5 주기가 지난 후에야 완전한 절환이 이루어진다. 이 3~5 주기 동안에는 정상전류의 약 20배 이상의 전류가 전력기기에 인가되게 된다.
이러한 고장 전류는 전력기기의 피로도 증가나 열화 현상을 일으키는 직접적인 원인이 되고 있으며 때에 따라서는 전력기기의 파손이나 폭발들을 유발한다. 초전도 한류기는 고장발생 1/4주기 이내에 스스로 동작이 시작되는 데다, 고장 전류를 차단하는 시간을 단축시키는 것이 아니라 고장 전류의 크기를 감소시키는 것이기 때문에 전력계통의 안정화에 매우 중요한 역할을 수행할 수 있다. 특히 초전도 전력케이블, 초전도 변압기 등 대부분의 초전도 전력기기들이 기존의 전력기기에 비해 무저항, 무손실 특성을 활용한 소형화 및 고효율화를 추구하는 반면, 초전도 한류기는 기존 전력시스템에 없던 전혀 새로운 첨단기기이다.
초전도 한류기가 계통에 적용되면 고장전류가 감소하여 계통의 안정도가 향상된다는 장점을 가지면서 동시에 기존 차단기의 교체시기를 늦출 수 있어서 경제적인 파급효과가 매우 크다. 예를 들면, 154kV 송전급 모선연계(bus-tie) 부위에 초전도 한류기를 설치하게 되면 기존의 50kA 정격의 차단기 약 64대 이상의 교체를 막을 수 있으며 단순히 차단기의 교체 비용만을 계산하더라도 최소 96억원 이상의 경제적인 이득을 가질 수 있는 것으로 파악된다. 이외에도 병원이나 인텔리전트 빌딩과 같은 고급 부하의 고장전류에 대한 보호 역할이나 고장전류에 의한 변압기의 열화를 방지해 주는 효과 등을 산출해보면 초전도한류기 설치로 인한 경제적, 사회적 파급효과는 막대하다고 할 수 있다.
현재 초전도 한류기는 미국, 독일, 일본 등의 대학, 연구소 및 기업에서 활발하게 개발 중에 있으며 특히 대부분의 프로젝트가 전력회사와 함께 진행되고 있어 상용화의 임박을 예고하고 있다. 독일에서는 초전도체 제작회사, 전력운용회사 등이 모두 참가한 CURL10이라는 프로젝트를 통하여 고온 초전도체인 Bi2212 벌크를 이용한 10kV/10MVA급 초전도 사고전류제한기 개발을 2004년에 완료하였고 실제 전력계통에서 실증시험에 성공하였다. 그림 6은 CURL10프로젝트의 한류기 및 시험장을 보여준다. 또한 일본의 Toshiba에서는 송전급인 66kV/
750A급 사고전류제한기를 개발 중에 있으며 현재 주요 핵심 부품인 직류 리액터형 초전도마그네트의 개발이 성공적으로 완료된 상태이다.

국내에서는 차세대초전도응용기술개발사업의 일환으로 2001년부터 2011년까지 10년 동안 송전급인 154kV/2kA급 초전도 한류기의 상용화를 목표로 연구가 수행 중에 있다. 2001년 9월부터 시작하여 1단계 3년 후인 2004년까지 6.6kV/200A급 초전도 한류기 개발, 2단계 3년 후인 2007년까지 22.9kV/630A급 초전도 한류기 개발, 마지막 3단계 4년 후인 2011년까지는 154kV/2kA급 초전도 한류기를 개발하는 것이다.
1단계 목표인 6.6kV급 초전도 한류기는 그림 7과 같고, 유도형 및 저항형 초전도 한류기가 연세대학교와 한전 전력연구원 주관으로 각각 개발되어 단락 시험을 완료한 상태이다. 그림 8은 단락시험 결과를 보여주는 그래프로 한류기가 없는 경우 고장 전류는 5.5kA이상 올라가게 되며, 모의실험이 아닌 실제 단락사고라고 가정하면 정상 시 전류의 20배에 달하는 전류가 약 0.1초의 시간 동안 계통에 흘러 막대한 피해를 줄 것으로 예상된다.
하지만, 그래프에서 초전도한류기가 있는 경우에는 사고가 발생하자마자 전류를 제한하기 시작하여 전류가 서서히 증가하고 있으며 사고 발생 후 0.05초 이후에도 1.7kA로 고장 전류를 제한하는 것을 확인할 수 있다.
현재는 2단계 연구가 진행되고 있는 상황이며 연세대학교와 현대중공업이 공동으로 제2세대 초전도선을 이용한 무유도권선형 초전도 한류기를, 한전 전력연구원과 LS산전이 공동으로 Bi 벌크를 이용한 배전급 초전도 한류기를 각각 개발 중에 있다. 1단계 연구를 성공적으로 마치면서 6.6kV급 proto-type 한류기를 개발하였으며, 2단계 연구에서는 초전도 기술뿐만 아니라 고전압 절연과 고효율 냉각을 고려한 실용화급 한류기의 개발을 목표로 진행 중이다.

초전도 전력기기 적용 가능성을 논할 때 현재의 고온초전도 선과 냉각설비 가격만을 고려하는 것은 무의미하다. 그 이유는 초전도 기술은 첨단 미래기술로서 기술적 진보가 가장 빠른 분야 중의 하나이므로 향후 실제 적용시점에서는 급격한 기술발달로 인해 초전도 전력기기의 가격과 부피가 대폭 감소할 것이기 때문이다. 이는 최근 1~2년 사이에 고온초전도 선의 가격 하락 및 CC 급성장의 예를 보더라도 자명한 사실이다.
초전도 전력기기는 저압으로 대용량화가 가능하다는 초전도 전력기기의 기본특성과 국내 전력산업 환경을 고려하여, 초전도 사업단은 초전도 전력기기를 적용하는 ‘대용량 초전도 신전력계통’의 개념설계하고, 이를 적용하기 위한 노력을 하고 있다. 대용량 초전도 신전력계통이란 초전도 전력기기를 대용량 전력을 필요로 하는 대도시에 기존의 154kV 송전망을 22.9kV 대용량 배전망으로 교체하는 것을 말한다.
이 방안이 실현되면, 도심부에 증설되는 154kV 변전소를 변압기가 없는 22.9kV 개폐소로 대체할 수 있다. 22.9kV 개폐소는 154kV 변전소에 비해 부지면적이 20~30%에 불과하고, 변전설비 비용도 30% 이하로서 훨씬 저렴하다. 22.9kV 초전도 케이블 역시 기존의 154kV 상전도 케이블에 비해 관로나 전력구의 점유면적이 1/3 이하로 대폭 축소되므로 도심부의 토목공사비가 대폭 절감되며, 공사로 인한 도심 교통난도 덜 수 있다. 즉 도심내부의 환경 및 민원문제를 극소화하면서 경제적이고 안정적인 전력수급망을 구현할 수 있다.
초전도 전력기기를 기반으로 한 신전력계통은 기존 전력공급방식의 페러다임을 바꾸는 것으로 미래 에너토피아의 한 단면이 될 것이다. 앞으로 CC와 극저온 기술 등의 제반 연구가 지속적으로 발전되면서 가까운 미래에 초전도 전력기기의 적용을 볼 수 있을 것으로 기대된다.

표 1. 기존케이블과 초전도케이블의 비교
 항 목      고온초전도케이블       OF 케이블      CV 케이블
 Former    Flexible Pipe or         Spiral Tape        없음
               Spiral Tape
 도체       고온초전도도체              구리              구리
 도체구조  Tape형태의 적층      원형압축연선   원형압축연선
 냉매        액체질소 (77K)         OF 절연유        없음(냉각수)
 절연        냉매함침                 OF절연유         XLPE 압출
               복합절연방식                함침
 냉각계통  액체질소순환 및      PT등 유압        냉각수
               냉동기부착              조절장치

그림 1. 초전도케이블 시스템 및 케이블 코아의 구성
표 2. 미국 DOE SPI 프로그램에서 진행 중인 3대 초전도 전력케이블 프로젝트

   Install         Long Island      Bixby Substation,       Albany,
  Power           Authority                 Ohio              New York 
 Period            2002-2006            2003-2006           2003-2006
 Nation           France&USA       Denmark&USA      Japan&USA
 Length               620m                    300m                  350m
 Volt/Current   138kV/2.5kA       13.2kV/2.5kA        34.5kV/2.5kA

그림 2. Furukawa에서 개발하여 CRIEPI에 설치한 초전도 전력케이블

그림 3. 푸지변전소내의 30m 초전도 전력케이블의 설치모습

그림 4. 국내에서 개발 중인 고온초전도 전력케이블 시스템

그림 5. 100MVA 초전도 변압기(좌측)와 60MVA 일반 변압기(우측)

그림 6. 독일 CURL10 프로젝트의 10kV급 한류기.
오른쪽은 RWE 변전소에 모선 연계용으로 설치한 모습 (2004년 4월부터 1년간 시험)

그림 7. (a)한전 전력연구원 (b)연세대학교에서 각각 개발한 6.6kV급 초전도한류기의 내부

그림 8 초전도 한류기가 설치되지 않은 경우의 부하에 흐르는
전류 vs. 초전도 한류기가 설치된 경우의 부하에 흐르는 전류

필자약력
창원대 전기공학과 박사
차세대초전도응용기술개발사업단 기술팀장