초전도 전력 저장장치 독자개발 성공

세계 최초로 1초에 1.03 MW 공급

[프라임경제]국내 기술로 정전시 대용량 전력을 긴급 공급할 수 있는 세계 최고 수준의 ‘초전도 전력저장 장치’들을 개발했다. 이에 따라 병원, 은행, 반도체 라인, 군부대 등 주요시설의 정전을 방지할 수 있을 뿐 아니라 전력 저장장치 세계시장을 선점할 기회 확보했다.  

전력저장 장치란 전기를 저장하였다가 필요시 뽑아 쓸 수 있는 장치로 휴대폰이나 자동차용 소형 배터리가 대표적이지만 병원, 은행, 반도체공장, 군부대 등 주요 시설들이 정전에 대비하여 대용량의 산업용 전력저장 장치를 보유하고 있다. 

현재 산업용 전력저장 장치로는 납축전지(자동차 배터리)를 여러개 연결하여 사용하지만 낮은 효율, 대규모 설치공간, 짧은 수명, 유해 환경물질 배출 등의 문제점을 안고 있다. 따라서  세계 각국은 납축전지를 대신할 수 있는 새로운 형태의 전력저장장치 개발에 노력하고 있으며, 초전도 전력저장장치가 유력한 대안으로 부상했다.

 ‘초전도 전력저장 장치’란 일정 온도 아래에서 전기 저항이 완전히 사라져, 전류가 흘러도 손실이 발생하지 않는 초전도 현상을 이용하여 전기를 저장하는 기술로써 대표적으로는 초전도 베어링을 이용하여 원통을 무저항 상태로 회전시켜 전기에너지를 회전운동 에너지로 저장하는 ‘초전도 플라이휠 기술(SFES)'과, 초전도 코일에 전류를 흘려 자기에너지 형태로 저장하는 ’초전도 전력저장기술(SMES)'이 있다. 

스페스(SFES), 스메스(SMES) 모두 산업용 전력저장장치이지만, 스페스(SFES)는 전력저장 용량을 최대화하는 것이 목적인 반면, 스메스(SMES)는 대용량 전력을 순간적으로 공급하는 것이 목적이다. 미국, 일본은 2004년에 5kWh 스페스(SFES) 개발에 이미 성공하였으며, 우리나라도 2005년 5kWh급 스페스(SFES)를 개발하여 본격적인 기술경쟁 중이며, 스메스(SMES) 는 일본, 프랑스 등과 경쟁하고 있다. 

금년에 우리나라가 세계최대 100kWh급 스페스(SFES) 초전도 베어링을 개발한데 이어 세계 최초로 1초에 1.03MW 전력을 공급할 수 있는 스메스(SMES)개발에 성공함으로써 병원, 은행, 반도체 라인, 군부대 등 주요 국가시설들을 정전피해로부터 보호할 수 있고, 세계 산업용 전력 저장장치 시장을 선점할 기회를 확보한 것으로 볼 수 있다. 

한전 전력연구원(대전 소재)은 2010년 세계 최대 저장용량인 100kWh급 SFES 개발 프로젝트를 진행 중이며, 금년 8월에는 핵심부품인 초전도 베어링 제작에 성공했다. 초전도 베어링이란 초전도체로 자석을 띄우는 자기부상 원리를 이용하여 무저항 회전이 가능하게 하는 장치로써, 원통의 무게와 회전속도를 결정하여 저장용량을 좌우하는 핵심부품이다. 

5kWh급 베어링은 회전원통의 무게가 200kg, 회전속도는 10,000rpm이지만, 상용화 모델인 100kWh급은 최소 2톤의 원통을 지탱해야하므로 새로운 형태의 베어링의 설계가 필요하다. 100kWh급 SFES는 산업용 축전지를 대체하는 것은 물론, 풍력이나 태양광 발전단지에서 생산한 불안정한 전력을 일시 저장하였다가 전력시스템에 공급함으로써 전체 전력시스템의 안정성을 높일 수 있다.  

전기연구원(창원 소재)도 금년 8월, 1초에 1.03MW의 대용량 전력을 공급할 수 있어 순간정전이나 전압급락에 대응이 가능한 SMES 개발에 성공했다. 순간정전은 낙뢰가 발생하거나 대용량 전기설비가 갑자기 가동할 경우 주변 기기들의 전압이 급락하는 현상으로, 반도체 공정과 같은 미세공정에는 치명적이지만, 매년 30여 차례나 발생하고 있다.  

현재는 납축전지 등 여러 전력저장 장치를 동원하여 기기별로 전압을 보상하는 방법을 쓰고 있으나, 보상속도가 느리고 용량이 부족한 것이 한계다.

 산업자원부는 스메스(SMES) 개발을 위해 금년까지 3년간 51억원을 지원하였으며, 스페스(SFES) 개발을 위해 2010년까지 5년간 225억원을 지원할 계획이다.

용어설명
□ 고온초전도 : HTS(High Temperature Superconductor)
고온초전도란, 절대온도 영도에 가까운 저온 초전도와 비교하여, 임계온도가 100K(-173℃)부근으로 비교적 높은 온도에서 초전도를 나타내게되므로 가격이 싼 액체 질소를 사용할 수 있다. 고온 초전도는 도체가 산화물질(酸化物質)이라는 데서 산화물초전도(oxide superconductivity)라고도 한다.

저온 초전도체는 초전도 물질이 금속이나 합금이기 때문에 그 임계온도가 절대영도(絶對零度)에 가까워, 초전도상태로 만들기 위해서는 값비싼 액체헬륨으로 냉각해야만 했다. 따라서 다른 넓은 분야에서 초전도를 응용하기 위해서는 임계온도가 더욱 높은 초전도체의 발견이 필수적이었다. 1986년 IBM 스위스 취리히 연구소의 A.뮐러와 G.베드노르츠은 바륨 ·란탄 ·구리를 섞어서 구운 세라믹이 임계온도 30°K에서 초전도체가 된다는 사실을 발견하였다. 이러한 발견은 초전도물질을 금속이 아니라 산화물에서 착안하였다는 점에서 획기적인 성과로 평가되어 발견자들은 1987년도 노벨 물리학상을 받았다.

□ 초전도 플라이휠 : SFES(Superconducting Flywheel Energy Storage)
초전도체 속에 자기력선이 들어가지 못하는 현상(마이스너 효과)를 이용하는 것으로, 초전도체는 자기력선을 통과시키지 않고 초전도체의 외부로 밀어내는 성질을 이용하여 비접촉 초전도 자기베어링을 구현할 수 있으며, 동일 회전축에 관성이 큰 플라이휠을 설치하여 운동에너지 형태로 전기에너지를 저장하는 기술이다.

□ 초전도전력저장 : SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage)
초전도 에너지저장(이하 SMES)의 에너지저장 요소는 전기저항이 영(零)인 초전도 도체의 성질을 이용하여 아래 그림에서와 같이 초전도 코일에 직류전류를 흘리면 자장이 형성되어 자기에너지 형태로 에너지를 영구전류 특성에 의해 손실 없이 저장하는 시스템이다.