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[ESS기술과 축전설비 4]
초전도 플라이휠 축전장치의 개발
일정 온도 아래에서 전기 저항이 완전히 사라져 전류가 흘러도 손실이 발생하지 않는 ‘초전도 현상’을 이용해 전기를 저장하는 초전도 전력저장장치가 각광을 받고 있다. 그 대표적인 기술로는 초전도 베어링을 이용하여 전기에너지를 회전운동에너지로 저장하는 ‘초전도 플라이휠 기술’과 초전도 코일에 전류를 흘려 자기에너지 형태로 저장하는 ‘초전도 전력저장기술’이 있다. 본고에서는 일본 철도종연에서 연구개발을 추진하고 있는 ‘고온 초전도 자석’ 및 ‘초전도 플라이휠 축전장치’에 대해 소개한다.
번역·정리 김대근 기자
공익재단법인 철도종합기술 연구소(이하, 철도종연)의 전신이었던 국철철도기술 연구소에서는 도카이도(東海道) 신칸센의 개업(1964년)에 앞서 1962년에 리니어 모터 추진 고속철도의 연구개발을 시작해 이후 지속적으로 리니어 모터를 이용하는 고속철도 연구를 추진해 왔다. 이 연구는 초전도 자석을 차량에 탑재하여 부상주행하는 초전도 자기부상식 철도(이하, 초전도 리니어)의 형태로 결실을 맺었으며, 2011년 5월에는 중앙 신칸센의 건설주체가 국토교통장관에서 도카이 여객철도 주식회사(東海旅客鐵道株式會社)로 지명되어 드디어 꿈의 초전도 리니어가 현실화되는 날이 머지않게 되었다. 최근 철도종연에서는 초전도 리니어의 개발을 통해 지금까지 쌓아온 초전도 및 리니어 모터 등의 첨단 기술을 리니어 외의 재래방식철도 시스템에 응용·전개할 것을 목표로 하고 있는데, 그 응용연구의 하나로서 초전도 자석에 의한 강력한 자기 부상력을 이용한 초전도 플라이휠 축전장치의 개발을 진행 중에 있다. 본고에서는 초전도 리니어 개발의 경위를 간단히 소개한 후, 초전도 플라이휠 축전장치에 대해 설명하기로 한다.
초전도 리니어 개발의 경위 도카이도(東海道) 신칸센은 동경 올림픽의 개막을 앞둔 1964년 10월 1일에 개업했다. 개업 2년 전인 1962년 당시의 국철에서는 차기 목표를 ‘도쿄~오사카행 1시간’으로 정하여 신칸센을 뛰어넘는 초고속 철도 개발의 연구에 뛰어들었다. 그러나 재래철도에서와 같이 철의 레일과 철바퀴의 점착력에 의존하는 방법으로는 최고 속도를 내는 데 한계가 있기 때문에 완전히 새로운 구동방식을 채용할 필요성을 느끼고 비점착(非粘着) 구동 방식으로서의 리니어 모터의 적용성 검토가 시작되었다. 그 후 국철은 1970년에 미국의 브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Laboratory: BNL)의 연구자에 의해 고안된 초전도 자석을 이용하는 전자유도 부상방식을 채용하여 현재의 초전도 리니어의 기본적인 개념이 자리 잡히게 되었다. 2년 후인 1972년에는 고쿠분지(國分寺)의 철도기술연구소(현재의 철도종연) 내에 주행로(이하, 가이드웨이)가 설치되었다. 가이드웨이의 측면에 추진코일이, 바닥에는 부상코일이 부설되어 초전도 자석을 내장한 실험차가 주행하게 되었다. 이것이 초전도 자석을 이용한 리니어 모터 추진으로, 전자유도 부상주행에 있어 세계 최초의 성공 사례였다. 이때의 실험차는 리니어 동기모터(Linear Synchronous Motor)와 궤도의 길이를 연관시켜 LSM200이라고 이름을 지었다. 같은 해인 가을에는 현재에도 철도종연에서 보존되어 전시되고 있는 ML100(실험차)이 철도 100주년을 기념으로 공개 주행을 실시했다. [사진 1]에 보이는 ML100의 ML이라는 것은 “Magnetic Levitation”(자기부상)의 머리 글자로, 100이라는 숫자는 철도 100주년에서 유래한 것이다. 그 후 미야자키현(宮崎縣)과 야마나시현(山梨縣)의 실험선에서 주행실험을 진행해 현재에 이르고 있다. 재래방 식철도의 철바퀴에 상당하는 초전도 자석은 △철도 바퀴의 중량을 전자력으로, 비접촉으로 지지하여 △추진력을 전달해 △가로 방향으로 가이드(안내)한다라는 3가지 중요한 역할을 수행하고 있는 ‘초전도 리니어 시스템’ 중에서도 가장 중요한 부분이 되며, 그 신뢰성 향상 및 소형 경량화, 고성능화가 연구의 주된 부분을 차지해 왔다. 초전도 자석은 액체 헬륨으로 4K(-269℃)라는 극저온까지 냉각할 필요가 있으며, 이것을 저온으로 유지하는 차재(車載) 냉각기를 포함해야 하는 등 기술적으로 매우 어려운 개발 요소였지만, 수많은 선인들의 노력 덕택에 철도 시스템으로서의 영업운전에 견딜 수 있는 수준까지 도달했다.  고온 초전도 자석의 연구 철도종연에서는 2005년도부터 국토 교통성 초전도 자기부상식 철도 실용기술 평가 위원회의 제언을 받아 초전도 리니어의 신뢰성 향상 및 코스트 저감 등을 목표로 한 기초 연구를 계속해서 이어나가고 있다. 그 가운데 현재에는 고온 초전도 자석의 개발을 강력하게 추진하고 있다. 최근, 액체질소온도(-196℃: 77K) 부근에서도 초전도가 되는 희토류계 고온 초전도 선재(이하, RE계 선재)의 개발 진전으로 시판에도 들어가게 되었다. 이 RE계 선재는 고자장 환경에서도 뛰어난 특성을 보이기 때문에 철도종연에서는 이 선재를 차량에 탑재하는 초전도 코일에 적용하여 초전도 자석의 고성능화를 목표로 하고 있다. RE계 선재를 이용하여 액체냉매 및 냉동기를 탑재하지 않는 획기적인 소형 고온 초전도 자석을 시험 제작하였다.([사진 2] 참조) 이 초전도 자석은 실제 기기의 1/4 사이즈의 레이스 트랙형 코일을 내장하여 코일 온도 50K로 1T(테스크: 자장의 단위)의 자장을 발생시킬 수 있다. 또 처음에 저온의 헬륨가스로 20K 정도까지 코일을 냉각하면, 코일 온도 50K 이하를 액체냉매 및 냉동기가 없는 상태에서 8시간 이상을 유지할 수 있기 때문에 영구자석과 같은 운용이 가능하다. 실제 기기를 크게 상정하면, 스케일 효과에 의해 약 3배가 되는 24시간 이상 동안 50K 이하를 유지할 수 있게 된다. 장래적으로는 밤에는 차량기지로 초전도 자석을 냉각하고, 낮에는 차재 냉동기를 탑재하지 않은 채 주행하는 운용도 가능하게 되었다. 그렇게 되면, △차재 냉동기의 중량만큼 경량화가 가능해지고, △차재 냉동기 전력만큼의 차상전원을 절감할 수 있으며, △고압가스보안법의 적용을 받지 않게 되는 등의 이점으로 차재 초전도 자석을 더욱 쉽게 사용할 수 있게 된다. 현재에는 코일 성능의 향상에 관한 연구가 진행되고 있으며, 소형이면서 45K로 실제 기기 수준의 5T의 자장을 발생시키는 고온 초전도 자석의 개발에도 성공하였다.
초전도 플라이휠 축전장치의 개발철도종연에서는 위에서 설명한 2005년 이후, 초전도 리니어의 기초연구와 더불어 초전도 리니어에서 축적된 초전도 기술 및 저온 기술 등을 재래방식철도에 적용하기 위하여 갖가지 연구를 진행해 왔다. 그 응용연구의 하나로서 초전도 플라이휠 축전장치의 개발을 추진하고 있다. 초전도 플라이휠 축전장치는 [그림 1]에서도 나와 있듯이 무거운 플라이휠을 회전시켜, 그 회전 에너지의 형태로 에너지를 저장하는 축전장치이며,「무거운 것을 전자력으로 비접촉으로 지지한다」라고 하는 면에서는 초전도 리니어의 차재 초전도 자석과 같은 역할을 수행하고 있다. 차재 초전도 자석은 리니어의 몸체를 지지하며, 이 플라이휠에서 초전도 코일은 플라이휠을 지지한다. 양쪽 모두 주행 또는 회전에 따른 진동에 견뎌야 한다는 점은 같다. 지금까지 축적해 온 차재 초전도 자석 개발의 기술적 지견이 여기에 서 많은 도움이 되었다. 다음으로 철도에 있어서의 축전장치의 필요성에 대해 설명한다. 전기철도차량에서는 회생 브레이크로 주행 시의 운동 에너지를 전기 에너지로 전환해 다른 열차의 역행(力行) 등에 다시 이용하고 있지만, 감속하고 있는 열차 부근에 역행 중인 열차의 부하가 없는 경우, 회생은 축소되거나 사라져버려 감속열차의 운동 에너지는 기계 브레이크에서의 열에너지로 소비된다. 이 에너지를 축적할 수 있다면 에너지 효율 향상 및 기계 브레이크의 유지보수 저감에 이바지하게 되는 것이다. 필요한 축적 에너지는 회생 축소의 실태 조사로부터 최저 36MJ(10kWh)로 보고 있다. 따라서 전기철도의 분야에서 축전장치는 지상설비, 차상설비를 불문하고 요구되고 있으며, 축전의 매체로서는 2차전지, 이중층 커패시터 등도 개발되고 있지만, 단주기(短週期)에서 빈번하게 에너지가 출입하는 축전매체로서는 플라이휠 축전장치가 유효하다고 본다. 철도종연의 초전도 플라이휠은 초전도 벌그체(초전도체 덩어리)와 초전도 자석(코일)을 조합한 초전도 자기 베어링을 채용하고 있다는 점이 특징이다.([그림 1] 참조) 베어링을 초전도화함으로써 플라이휠의 중량을 늘릴 수 있게 되어 축적 에너지양도 증가시킬 수 있게 되었다. 또 자기베어링은 비접촉이므로 유지보수에 번거로움이 없고 시간이 들지 않는다. 지금까지의 요소시험에서 2000kg의 플라이휠을 3600min-1 로 회전시키는 데 성공했으며, 플라이휠의 형태를 바꾸면 철도 응용에 필요한 최소한의 축적 에너지인 36MJ를 달성 가능하다는 예측도 얻었다. 또 시스템 구성의 타당성을 검증하기 위해 초전도 자기베어링 및 플라이휠을 진공용기에 내장하여 전자력을 통해 외부와의 에너지 수수(授受)를 비접촉으로 실시하는 장치를 제작함으로써 완전 비접촉 상태에서 회전체를 지지할 수 있다는 점도 확인했다. 이 연구와 관련하여 철도종연은 야마나시현과「초전도 등을 이용한 전력저장기술의 연구 추진에 관한 협정」을 체결하고, 플라이휠을 비롯한 초전도 관련 기술 등을 이용한 전력저장기술을 통해 재생가능에너지를 보다 효율적으로 이용하여 야마나시현에서 추진하는 에너지의 자급자족화에 협력하는 활동을 전개해나가고 있다. 재생가능에너지와의 조합이라는 면에서도 철도 응용과 마찬가지로 단주기에 빈번하게 에너지를 출입해야할 필요성이 있으므로 플라이휠 축전장치가 유효하다고 하겠다.  <Energy News>
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