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개요1. 지구 온난화 문제인간 활동의 환경에 대한 영향은 최근에 이르러 전세계적으로 커다란 관심의 대상이 되어 왔으며, 특히 대기 중의 온실가스 농도의 증가에 기인하는 잠재적인 기후변화효과가 지구 환경 측면에서 크게 주목 받고 있다. 이들 가스 중의 하나가 전력산업 분야에서 주로 사용되고 있는 SF6가스이다. SF6가스는 1900년에 파리 약학대학에서 세계 최초로 합성된 이후 1947년경부터는 상업적으로 이용가능하게 되었으며, 그 우수한 절연성능으로 인하여 고전압 전력기기의 절연 매체로 사용되어 전력기기의 소형화, 고성능화에 지대한 공헌을 해 온 물질이다. SF6가스는 그 자체가 안전할 뿐만 아니라 무해한 기체이지만, 최근 지구환경보호에 대한 의식이 높아지면서 이 SF6가스가 극히 온실효과가 높은 물질임이 알려져 그 사용에 대해 전세계적으로 규제되는 경향에 있다. SF6가스는 1990년부터 IPPC(Intergovernmental Panel on Climate Charge)로부터 ‘과거에 평가되었던 가스 중 가장 온실효과가 높은 가스’로 지적되어 관측되고 있으며, 지구 온실화 정도를 수치로 환산한 지구 온난화 지수도 가장 높은 물질로 분류되어 왔다.2. SF6가스의 특징SF6가스는 상용 분야에서 연구 분야에 이르기까지 그 응용분야가 극히 광범위하여 현재까지 가장 활발히 사용되어온 분자기체 중의 한 종류로, 물리 화학적 성질과 다양한 기체 방전 특성 그리고 전력산업분야에서의 사용기술이 폭넓게 연구되어왔다.SF6가스는 정상상태에서 화학적 불활성, 무독성, 난연성, 비폭발성 그리고 열적안정성을 가지며, 일반적으로는 상대적 불활성 및 무독성에 의해 여타 생물자원에 대해 유해한 효과를 미치지 않는다는 점에서 환경적으로 안전하고 수용 가능한 물질로 간주되어 왔다. 또한 송전 및 배전설비에 적합한 여러 가지 성질을 가지고 있고, 실온 및 실온보다 상당히 높은 온도에서도 큰 전기부성효과를 나타내며, 이 전기부성효과에 의해 높은 절연내력과 우수한 아크 차단, 즉 소호효과를 나타낸다. SF6가스는 열전도성이 우수하고 방전 및 섬락 시 고기압 조건에서 분해된 후의 자기회복성도 우수하며, 섬락 시 중합반응을 일으키거나 탄소 또는 도전성 퇴적물을 생성하지 않고 200℃까지의 온도에서 전기설비에 사용되는 대부분의 고체 절연재료 및 도전재료와 화학적 양립성을 가진다. 우수한 절연 특성 및 열전도성 외에도 용기에 충진되었을 때 SF6가스는 실온에서 상대적으로 높은 압력을 가진다는 특성이 있다. SF6가스의 액화압력은 21℃에서 약 2,100kPa이며, 그 비점은 -63.8℃로 상당히 낮아 SF6가스 절연설비에는 400-600kPa 정도의 압력으로 충진된다. SF6가스는 실온에서 압력에 의해 쉽게 액화되기 때문에 금속제 원통용기 내에 압축저장이 가능하고, 이에 따라 취급과 사용이 용이하다는 장점을 가진다. 이런 다양한 장점으로 인해 전기 분야 산업체에서는 SF6가스를 전기설비에 오랫동안 다양하게 사용하여 왔다. 그러나 SF6가스는 방전 시 고독성 고부식성 화합물이 형성되며 이 화합물로부터 공기나 CH4와 같은 비극성 오염물질, 제거 곤란성 수증기, 도전성입자 및 도체 표면 거칠기에 대한 파괴 전압의 민감성, 저온조건에서의 부분적 액화 등과 같이 주위환경에 따라 아주 낮은 온도에서 나타나는 비이상적인 기체 거동 등의 단점을 가진다. 또한 SF6가스는 적외선 흡수력이 크고 화학적 불활성 때문에 지구 대기권으로부터 신속히 제거되지 못한다. 이런 성질 때문에 그 화학적 불활성으로 성층권 오존 파괴에 영향을 주지 않음에도 불구하고 SF6가스는 잠재적 온실가스로 지정되었다. 신기술 연구 개발 목적1. 전력개폐용 SF6가스 고효율 리사이클링 장치 개발의 필요성현재 국내에서 사용되고 있는 개폐기, 차단기 및 개폐장치(이하 GIS)의 대부분과 일부 변압기 등 대다수의 전력기기는 SF6가스를 절연매질로 한 가스절연방식의 제품이다. 특히 변전소에 설치, 운영되는 GIS의 경우 매우 많은 양의 SF6가스를 사용하고 있다. 그러나 SF6가스는 일반상태에서 무색, 무취, 무해하나 화기와 접속하는 순간 유해가스로 변질되는 특성이 있으며, 또한 지구온난화를 유발하는 대표적 환경 오염물질의 하나로 2005년 2월에 발효된 교토의정서에서도 그 사용을 규제하고 있다. 이로 인하여 전세계적으로 대체 절연물질을 개발, 적용하고 있는 추세이지만, GIS의 경우 국내는 물론 해외에서도 아직까지는 SF6가스를 이용한 절연방식을 적용하고 있는 국가가 대부분이다. 170kV GIS의 경우, 주기적인 정밀 점검 시 GIS 내부에 충진되어 있는 SF6가스를 전부 빼낸 후 점검을 실시하며, 빼낸 SF6가스는 수분, 불순물 등의 혼입으로 인한 절연성능 저하를 우려하여 그대로 버린 후 새 가스를 주입하고 있는 실정이다. 이런 현상은 GIS의 증설 시는 물론 GIS 뿐만 아니라 개폐기 및 차단기 등의 SF6가스 절연방식의 중전기기 점검 및 제품 교체 후 폐기 시 등에서도 동일하게 나타나고 있다. 이렇게 버려지는 가스로 인하여 환경오염이 가속화되고 있다.이런 실정으로 인하여 미국, 독일, 일본 등 기술 선진국의 경우 SF6가스의 리사이클링이 가능한 회수장치를 개발, 사용하고 있다. 이와 같이 교토의정서 발효 및 환경오염 방지를 위하여 신뢰성 있는 전력기기용 SF6가스 고효율 리사이클링 장치의 개발이 절실한 상황이다. 또한 청정개발체제(CDM : Clean Development Mechanism) 사업에의 활용도 가능하다. CDM사업이란 전 세계적으로 심화되고 있는 기후변화 현상을 완화시키기 위해 추진되고 있는 선진국과 개발도상국간의 온실가스감출을 위한 협력사업이다. 이런 CDM사업을 통해 선진국은 개도국에서 온실가스를 줄일 수 있게 되어 자국의 감축 비용을 최소로 낮출 수 있으며 반면에 개도국은 친환경 기술에 대한 해외 투자를 받게 되어 자국의 지속가능한 발전을 유도할 수 있다.현재 우리나라가 유엔 기후변화협약(UNFCCC)에 등록된 11개 CDM 사업을 통해 감축 가능한 이산화탄소의 양은 1,237만 6000톤으로 중국, 브라질, 인도에 이어 세계 4위를 기록하고 있다. 사업자들은 CDM 사업을 통해 얻은 감축실적 크레딧(Certified Emission Reductions : CERs)을 선진국에 판매할 수 있다. 현재 4~5유로 정도에 거래되고 있으나, 2008년 이후 CER의 거래가 본격적으로 활성화 될 경우 약 15~20유로까지 가격이 올라갈 것이라는 게 에너지관리공단 CDM 인증원 측의 전망이다. 따라서 UNFCCC에 등록 CDM 사업으로 얻은 CER이 톤당 15유로로 거래된다고 가정할 때 약 2,230억의 수익이 예상된다. 물론 현재 진행되고 있는 온실가스 감축 의무의 확산 정도에 따라 그 이상의 수익도 충분히 가능하다. 이러한 분위기를 반영하듯 국내 전자, 전기 관련 업체로 CDM 사업에 등록이 줄을 잇고 있으며, 현재 수자원공사 및 동서발전, 중부발전, 한전에서도 집중적으로 이 사업을 추진 중에 있다. 이런 추세에 따라 이 전력개폐용 SF6가스 고효율 리사이클링 장치 적용 제품은 국가 경쟁력 강화 및 수익 증대에도 지대한 영향을 줄 수 있을 것으로 기대된다.2. 국내외 관련기술 현황일본의 경우, 회수 가스의 순도를 99% 이상 유지해 주는 회수 장치를 개발, 완료하였으며, 미국이나 유럽의 경우도 SF6 가스 관련 전문회사가 이미 오래전부터 회수 장치를 개발, 전세계적으로 판매 및 사용하고 있다.한편, 국내의 경우에는 GIS 제작 업체가 GIS 납품 시 회수 장치를 제작하여 함께 납품하고 있으나, 이는 대기압까지의 회수만 가능하여 회수 및 재생장치의 사용은 전량 수입에 의존하고 있으며, 그나마도 고가의 제품이기에 대기업 또는 일부 중견 기업체에서만 사용하고 있는 실정이다.일부 중전기기를 제조하는 국내 기업의 경우 고체 절연 방식을 적용, SF6가스의 사용을 배제하는 제품을 개발하였거나 개발하는 중으로, 아직까지 확대 사용은 하지 못하고 있으며 여전히 주력 제품은 가스절연 방식의 제품이다. 특히 GIS의 경우에는 대체 절연 방식이 적용 개발된 제품이 전무하다. 이러한 상황에서 대체 절연 방식 제품의 개발 완료 및 확대 사용 시까지는 아직 많은 시간이 필요하며, 기존 제품의 유지 관리 측면에서도 빠른 시일 내에 신뢰성 있는 가스 회수 장치를 개발, 사용하여야 할 것이다. 신기술의 내용1. 신기술 개발의 목표1) 개발제품의 명칭 전력기기용 SF6가스 고효율 리사이클링 장치2) 용도SF6 가스 사용 중전기기(GIS 등)의 유지관리, 점검, 증설 시 제품 내부의 SF6 가스 회수 후 재사용3) 성능 및 특성① 가스 회수 시간은 현재 작업시간(80% 회수 시) 보다 빠르며(61.5%) 회수율 99% 이상 확보② 수분 및 불순물의 유입에 의한 가스 순도 저하 방지 및 필터링을 통한 기사용 가스의 재활용③ 계측기 적용을 통한 가스 순도 즉시 확인 가능④ 저장 탱크는 본체와 장·탈착이 가능한 구조⑤ 액화 1000ℓ(50bar)급 압력용기 저장 탱크 개발⑥ 0.2Torr 진공 가능한 Vacuum Pump 부착2. 신기술 개발 내용 및 범위1) 주요 개발 내용의 개략도 <그림 1>, <그림 2> 참조2) 수입 제품과 개발 제품 비교① 수입 제품 : 수입 제품은 가스 회수용 또는 오일 컴프레서를 사용하고 있다. 그러나 오일 컴프레서의 경우 기기 오작동 또는 정전으로 인한 기기의 순간정지 시, 내부 탱크 및 호스 등에서 발생하는 압력의 차이로 인해 컴프레서용 오일의 역류가 발생, 회수 가스와 섞이는 등 사고 발생 위험이 있다. 실제로 관련 업계에서 동 사고가 발생하여 장치는 물론 가스를 전략 폐기하였던 전례가 있다. 또한 연결 밸브를 풀고 조이는 과정에서 압력 차이로 인하여 순간적으로 공기가 유입, 불순물이나 수분이 침투하게 되어 가스의 순도를 저하시키는 등의 문제점이 있다.② 개발 제품 : 개발 제품은 가스 회수용 컴프레서를 Oilless 타입과 동등 이상의 컴프레서를 적용하여 오일 역류에 의한 사고 발생을 억제하며, 연결 밸브 부분도 셀프 클로징 방식을 적용하여 밸브가 풀리기 전에 가스의 이동 경로를 차단, 불순물 유입을 봉쇄하고자 한다. 또한 가스의 순도를 확인 가능한 계측기를 적용, 항시 사용 가스의 순도를 확인할 수 있도록 개발하였다. 3) 개발 신기술 제품① 신기술 제품 기본 사양● 외관 - 본체 : 1150 × 2100 × 1200(mm) - 저장 Tank : 840 × 2420 × 1400(mm), 1000ℓ● 압축기 : 13.9㎥/h, 50bar● 송출기 : 30㎥/h, <1mbar● 진공펌프 : 40㎥/h, <0.2Torr ② 신기술 제품 성능 사양● 회수율 : 99% 이상 → 기존 제품(회수율 85%) 대비 획기적 증가● 회수시간 : 300kg(6bar.G) 기준 - 회수시간 3.23시간 → 기존 제품(회수시간 85% 기준 5시간 이상) 대비 획기적 감소● 가스 순도 : 가스 순도 측정기 부착 - 회수 및 주입 즉시 가스 순도 확인이 가능하여 재사용 가스의 관리가 용이● 기타 - 배관 진공 작업 불필요 : 자동 잠금 밸브 적용 - 작업이 간단한 원터치 방식3. 기존 기술과의 비교① 기본 사항 비교 : <표 2> 참조② 회수 시간 비교 : <표 3> 참조③ 필터 비교 : <표 4> 참조신기술 활용 실적 및 전망1. 활용전망 및 분야1) 활용전망지구온난화의 대표적 주범인 SF6 가스의 99% 이상 회수 및 재사용을 통하여 환경 오명 예방 및 각종 비용 절감이 가능하므로 관련업계 등에서 폭넓게 사용 가능하다.2) 활용 분야① SF6가스 사용 설비를 제작하는 반도체 및 전기 관련기기 제작사② 차단기 등의 중전기기 전문 제작업체③ GIS의 설치 및 점검을 실시하는 전문업체④ GIS 및 SF6가스 절연기기를 실질적으로 운영하는 한국전력공사 등에서 활용, 환경오염 예방 및 해당 기기의 유지 보수 등의 용도로 활용 가능하다.2. 기술적 파급 효과1차적으로는 SF6가스 회수 장치 개발을 통하여 유해 가스의 필터링 기술의 습득이 가능하며, 2차적으로 관련 부품(Dry Compressor, Vacuum Pump)에 대한 기술 습득으로 현재 사용 중인 SF6가스 절연 방식의 중전기기 뿐만 아니라 향후 대체 절연 매질(현재 전세계적으로 검토되고 있는 환경 친화적 절연 방식인 고체 절연방식과 압출 공기 절연방식, N2가스 절연방식 등)을 사용하는 제품제작에 있어서 완전한 진공도 확보 기술 습득 및 고압 질소가스를 이용한 중전기기 개발이 가능하다.3. 경제적 파급 효과현재 국내에 사용되고 있는 기존 가스 회수 장치의 경우, 회수에 많은 시간이 소요되고 회수율이 저조하지만, 대다수의 사용자가 고가의 수입 제품을 구입하여 사용하고 있는 실정이다. 이러한 때에 개발품 적용 시 수입 대체 효과가 탁월하며 SF6가스의 회수·재활용을 통한 유지비 절감 등 경제적 이익 효과가 매우 크다.또한 제품 개발 후 수출을 통한 경쟁력 극대화가 가능할 뿐만 아니라 환경오염 예방을 통한 부가가치는 금전적인 면을 따지기 힘들 정도로 매우 크다 하겠다.1) 직접비용① 장비 구입비용 절감 : <표 5> 참조② 향후 4년간 신기술 적용 제품에 의한 수입대체 절감 예상액 : <표 6> 참조③ 인건비 절감 작업시간 단축으로 인한 인건비 절감 효과 발생 - 기존 대비 가스 회수 작업 시간 약 40% 단축으로 인한 인건비 절감 효과 발생.
<Energy News>
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