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초전도 송전: 전력손실을 억제하는....

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글쓴이 최고관리자 등록일 13-04-29 14:19
조회 2,743
    일본의 발전소에서 만들어진 전력의 4.8%는 가정에 도달하기까지 전선의 전기저항 등으로 손실되고 있다. 연간 총 발전량은 약 1조 kWh이기 때문에 손실은 약 480억 kWh 정도이다. 이것은 100만 kWh급 원자력발전소로 약 7기분의 발전량에 해당한다. 동일본 대지진 후, 전력수급의 압박 때문에 전력 절약의 대응이 과제인 가운데 송전 손실의 저감에 효과를 발휘할 것으로 기대되고 있는 것이 전기저항이 제로가 되는 “초전도” 현상을 이용한 송전기술이다. 현재 일본 기압 및 대학에서 실용화를 위해 개발이 가속화하고 있다.

    초전도는 특정 금속 및 합금(초전도체)을 초저온으로 냉각하면 전기저항이 제로가 되는 현상이다. 1911년에 초전도가 발견된 후 100년 이상 되었지만, 산업응용은 의료용의 MRI(자기공명영상화장치) 등 일부에 한정되어 있다. 초전도체로 송전 케이블을 만들어 전기저항에 의한 손실 없이 전기를 보내는 “초전도 송전”도 구상은 있었지만 오랫동안 실용화는 이루지 못하였다. 초전도 상태를 만들어내기 위해서는 초전도체를 절대영도(-273.15도) 가깝게 냉각시켜야 하며, 냉각에 고가의 액체 헬륨을 필요로 하기 때문에 기술 및 비용면에서 높은 장벽이 있었기 때문이다. 그러나 최근 비교적 높은 온도에서 초전도 상태가 되는 “고온 초전도체”(특정 희소금속 및 희토류를 포함한 합금 등)가 개발됨으로써 초전도 송전의 실용화가 가까워졌다.

    고온 초전도체는 몇 종류 있으며 각각 초전도 상태가 되는 온도는 다르지만, 희소금속인 비스무트계 초전도체의 경우 ?160도 정도로 종래 초전도체보다도 대폭 높은 온도에서 초전도 상태가 된다. 때문에 냉각에는 비교적 값이 싼 액체질소(-196도)를 사용할 수 있으며, 초전도 케이블의 제조기술도 진화하여 냉각비용이 대폭 저감되었다.

    현재 전력회사 및 제조사를 중심으로 초전도 송전의 개발이 추진되고 있다. 스미토모전기공업은 초전도 송전 케이블의 개발을 추진하고 있다. 이 회사의 초전도 교류케이블은 직경 15cm의 단열관에 초전도 소재로 이루어진 3개의 심선(초전도체)을 통과시키고 그 주위에 냉각용 액체질소를 순환시키는 구조이다. 액체질소는 냉각펌프로 보내진다. 케이블의 거리가 길어지면 액체질소의 양도 증가하고 장거리가 되면 일전 간격으로 펌프를 설치할 수 있는 냉각기지가 필요하다.

    통상 송전에 교류와 직류가 있듯이 초전도 송전에도 교류와 직류가 있다. 일본 송전망의 대부분은 교류이기 때문에 초전도 송전의 개발도 교류가 주가 된다. 장점은 케이블을 제외하고 기존 송변전 설비를 그대로 사용할 수 있다는 점이다.

    초전도 교류송전의 실용화에 먼저 대응하고 있는 곳이 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)의 프로젝트 일환으로 개발을 수행하고 있는 스미토모전공, 도쿄전력, 마에카와제작소이다. 3사는 공동으로 도쿄전력 아사히 변전소(요코하마시)에 약 240m의 초전도 케이블을 설치하고 2012년 10월부터 전력계통과 연계하여 일반 가정에 송전하는 실증시험을 수행하고 있다. 1년 정도 걸쳐 성능을 확인할 계획이다. 이 변전소에서는 60만 kW(약 150만 세대분)의 전기를 보내고 있지만, 그 중 20만 kW(약 50만 세대분)을 초전도 송전으로 충당하고 있다. 이것에 의해 냉각에 사용하는 전력을 제외하더라도 종래 송전선과 비교하여 전력손실을 약 50% 저감할 수 있다.

    한편, 초전도 직류송전은 기존의 교류송전망과 접속할 경우, 전력변환설비가 필요하다는 장점이 있지만, (1) 교류손실(초전도체에 교류전류를 흘리면 발생하는 특수한 전력손실)이 없기 때문에 전기저항이 거의 제로, (2) 초전도 교류송전과 비교하여 케이블의 단면적이 작고(심선이 1개), 냉각비용이 저렴, (3) 태양광발전 등 직류발전이 많은 재생가능 에너지와 호환성이 양호 등 장점이 많다. 특히 장거리 송전에도 거의 전력손실이 없기 때문에 “궁극의 송전시스템”이라고 말할 수 있다.

    일본에서의 연구는 츄부대학이 선도하고 있다. 이 대학에서는 200m의 초전도 직류송전의 실험설비를 만들어 2010년에 운전을 개시하였다. 이 대학을 포함한 실용화 계획이 홋카이도 이시카리시의 이시카리만 신항의 주변 지역에서 시작되었다. 홋카이도, 이시카리시, 오타루시 등 자치체와 데이터센터 운영을 위한 사쿠라 인터넷이 참가하여 올 여름에도 실증시험을 개시한다. 기간은 5년 이상으로 예정되어 있다.

    데이터센터에서는 대량의 컴퓨터와 정보통신기기 이외에 그것에 의해 발생하는 열에 대응하기 위한 냉각시스템 및 공조에 막대한 전력을 사용한다. 따라서 효율적인 전력소비가 상당히 중요하다. 계획은 이 지역의 태양광발전시설에서 만든 전기를 약 500m 떨어진 데이터센터에 초전도 직류로 보내는 것이다. 컴퓨터 등 IT 기기는 직류를 사용하지만, 태양광으로 발전한 전기를 직류 그대로 초전도 송전함으로써 전력변환에 의한 손실이 없다. 이 대학은 데이터센터 전체에서 전력소비를 최대 40% 삭감할 수 있다고 계산하고 있다.

    현재 교류와 직류 양쪽으로 개발이 진행되고 있는 초전도 송전이지만, 장래에는 어느 한쪽으로 수렴할 가능성이 있으며, 당분간은 각각의 장점을 살리는 형태로 실용화가 추진될 것으로 생각된다. 또한 많은 장점이 있는 반면에 과제도 있다. 최대 과제는 교류, 직류 모두 초전도 케이블 냉각비용의 삭감이다. 케이블에 액체질소를 순환시키는 경우 전력소비가 다소 크다. 냉각에너지가 클수록 전력시스템 전체의 에너지절약 효과가 저감된다. 특히 장거리 송전이 될수록 비용도 증가한다. 때문에 냉각펌프의 효율화 및 케이블 내로의 열침투 저감이 필수적이다.

    이시카리만 신항 지역의 계획에서는 에너지절약을 위해 이 지역에 있는 홋카이도 가스의 액화천연가스 기지의 이용이 검토되고 있다. 액화천연가스는 수송 시 -162도의 저온에서 액화되지만, 이 액화천연가스 냉열을 이용하여 액체질소를 만들면 냉각비용을 저감시킬 수 있다.

    초전도 송전은 원리적으로는 전기저항이 없기 때문에 제한 없이 멀리까지 전기를 보낼 수 있다. 때문에 초전도 직류 케이블을 사용하면 야간에 전력이 남는 국가에서 주간에 전력소비가 큰 국가로 초장거리 송전도 가능하다. 현재 국경을 초월하여 전력을 융통하는 국제적인 대규모 전력망 구상이 각국에서 제안되고 있다. 그 일례로 유럽에서 추진되고 있는 데저텍 프로젝트(Desertec project)가 있다. 아프리카 사막지역에 태양광 패널 및 대형 풍차를 설치하여 재생가능 에너지로 발전한 전기를 상온의 고압직류 케이블로 유럽, 북아프리카, 중동국가에 보내는 계획이다. 이 장거리 스마트그리드에 초전도 직류 케이블을 채용하려는 움직임이 있다.

    한편, 일본의 초전도 케이블의 성능은 세계 톱 수준이다. 앞으로 실증시험 등을 통해 냉각시스템을 포함한 초전도 송전의 완성도를 높이면 세계에 선도적으로 실용화할 수 있는 가능성이 크다.
     

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