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[차세대 고온초전도 선재를 이용한 전력기기의 응용 ③]
초전도 전력저장시스템(SMES)
초전도 기술을 이용한 전력기기 중 자기 에너지로 전력을 저장하는 SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage system)는 초전도 코일 내에 손실이 거의 없이 전류가 계속 흐름으로써 전기에너지(전력)를 효율적으로 저장하는 시스템이다. SMES는 전력 네트워크의 다양성 및 유연성을 높이기 위해 필요불가결한 에너지 버퍼 기능을 구비하며, 향후 지구환경대책을 추진함에 있어 주요 핵심기술 중 하나가 될 것으로 기대를 모으고 있다. 일본에서는 2008년부터 개시한 국가 프로젝트 「이트륨(Y)계 초전도 전력기기 기술개발」 중 Y계 초전도 선재를 이용한 SMES용 초전도 코일의 구성기술 확립을 도모했다. 본고에서는 먼저 세계의 SMES 개발현황과 과제에 대해 살펴본 후 해당 프로젝트 성과의 일부를 소개한다. 정리 편집부 세계의 SMES 개발현황과 과제 [표 1]에 나타난 바와 같이 일본뿐 아니라 세계적으로 Y계 초전도 선재를 이용한 SMES 개발이 진행되고 있다. 그 예로 미국의 프로젝트에서는 계통규모의 MWh급 SMES의 시연을 위해 2.5MJ 코일이 제작되었다. 현재 77K에서 1.7MJ 데모용 코일의 제작과 시험이 완료된 상태다. 한국에서는 Bi계 초전도 선재를 이용한 600kJ SMES를 개발하고, 이어 Y계 선재에 의한 2.5MJ급 SMES의 개발에 들어갔지만, 코일의 손상을 해결하지 못하여 2012년도에 개발이 일시 중단되기도 했다. 또한, Y계 초전도 선재 외에도 MgB2 초전도 선재를 이용한 SMES와 액체수소를 결합한 에너지 저장에 관한 연구가 유럽과 일본에서 진행되고 있다. SMES에 저장되는 에너지는 발생자계(B)의 2승과 코일반경(r)의 3승에 비례한다. 따라서 전력저장량을 증대시키기 위해서는 자계를 높이고 코일을 대형화할 필요가 있다. 또 코일에는 코일의 발생자계(B), 전류밀도(J), 코일지름(r)의 곱(B×J×r)에 따른 전자력(電磁力)이 작용하므로 고전류 밀도의 통전과 고자계의 발생을 지름이 큰 코일로 실현하려고 하면 전자력이 너무 커져버려 작용하는 응력이 코일의 강도를 초과하기 때문에 코일의 특성저하 및 파괴가 발생할 우려가 있다. 이에 따라 코일의 통전전류를 제한하고 전류밀도를 저하시켜야만 했기에 초전도 선재의 특성이 충분히 발현되지 못한다는 문제점이 생겼다. 이에 대한 대응으로서 Y계 초전도 선재는 선재 자체에 기계강도가 높은 기재를 사용할 수 있기 때문에 코일의 고자계화에 적합하다고 할 수 있다. 고자계화에 의해 고(高)저장밀도 및 콤팩트화를 실현함으로써 사용 선재량(물량) 절감 및 냉각시스템의 부하경감(전게의 국가 프로젝트에서는 운전온도 20K를 상정)에 따른 운전 코스트 저감 등 비용을 대폭적으로 줄일 수 있다. 
고강도 코일화 기술의 개발
고강도 초전도 팬케이크 코일 구조의 개발 앞서 설명했듯이 초전도 선재에 작용하는 응력이 초전도 선재의 강도를 넘지 않는 코일 구조가 필요하다. 이에 대한 대응으로 「Yoroi-coil(Y-based oxide supercon ductor and reinforcing outer integrated coil)」이라 불리는 팬케이크 코일 구조가 「Y계 초전도 전력기기 기술개발 프로젝트」에 의해 개발되었다. [그림 1]에 Yoroi-coil 구조가 전자력에 견디는 개념을 모식적으로 나타냈다. 팬케이크 코일의 권선은 전자력에 의해 확장되도록 응력을 받고, 그 응력이 권선의 외주(外周)에 배치된 틀재로 전달된다. 틀재는 코일 상하면의 측판(側板)과 접합되어 있으며(측판과 권선부는 접합되어 있지 않음), 측판이 틀재에 전달된 응력을 지지함으로써 초전도 선재뿐 아니라 코일 구조체 전체에서 응력을 지지하게 된다. 이와 같이 틀재 및 측판 등 「Yoroi」를 이용함으로써 코일 권선을 넓히려는 응력(이하, 후프 응력)을 코일 구조 전체에서 분담하여 지지할 수 있게 된다. [표 2]의 제원을 갖는 Yoroi-coil 구조를 채용한 더블 팬케이크(DP) 코일을 시험제작하고([그림 2]에 코일 외관을 나타냄), 외부자계를 인가한 상태에서 DP코일에 통전하여 후프 응력에 대한 내성을 평가하였다. 도호쿠대학 금속재료연구소 강자장(强磁場) 센터에서 8T의 외부자계하 액체헬륨 중 1500A까지 DP코일에 소인 통전한 결과 및 코일에 작용하는 후프 응력의 계산결과를 [그림 3]에 나타냈다. 후프 응력은 B×J×r로 계산하고, 실질적으로 응력을 부담하는 선재 하스텔로이™ 기판에만 응력이 작용하도록 했다. 코일에는 유도로 발생한 전압만 측정되어 상전도 전이에 기인하는 저항분에 의한 전압발생은 확인되지 않았다. 코일 권선에 작용한다고 가정하면 후프 응력은 최대 1.74GPa로, Y계 초전도 선재의 불가역 응력을 훨씬 넘어가지만, Yoroi-coil 구조의 보강 효과에 의해 초전도 선재에 작용하는 응력이 대폭 저감되었다고 판단된다. 이상에서 Yoroi-coil 구조는 2GPa급의 전자력에 견딜 수 있어 기존 코일설계에서의 기계강도에 따른 제약을 대폭 완화할 수 있을 것으로 기대되고 있다.   
코일보호 기술Y계 초전도 선재를 비롯해 고온 초전도 선재는 어떠한 요인으로 인해 부분적 상전도 전이가 발생했을 시 상전도 영역의 전파가 매우 느리기 때문에 상전도 부분 확대로 발생하는 전압에 의한 상전도 전이 검출이 매우 어려워진다. 그리하여 전도냉각 SMES용 Y계 초전도 코일의 보호를 위해 집합도체(대전류 용량으로 하기 위해 테이프상의 Y계 초전도 선재를 여러 장 적층하여 집합 도체화) 내 전류의 전류(轉流, commutation)로 상전도 전이를 검출하는 방법을 고안하여 실증시험과 수치 시뮬레이션에 의해 그 유효성을 검증했다. 먼저 소선절연(素線絶緣) Y계 초전도 선재 4개를 사용하여 집합 도체화함으로써 더블 팬케이크 코일을 제작하고, 코일 안에 히터를 설치해 그 발열(열교란)에 의해 상전도 영역을 모의적으로 발생시켰다. 각 소선의 전류는 코일전류단자 부근에 설치한 홀 소자를 이용하여 추정했다. [그림 4]에 코일 및 홀 소자를 설치한 부분의 사진과 모식도를, [그림 5]에 그 대표적인 시험결과를 나타냈다. 시험결과, 히터 투입(0.6W)에 의한 국소적 열교란으로 소선 1개(tape1)에 상전도 영역이 형성되고, 그에 따라 다른 소선에 전류(轉流, commutation)가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 한편, [그림 5](b)에 보이는 바와 같이 코일 양단전압(V coil) 측정에 의한 상전도 전이 검출은 노이즈의 영향 등으로 상당히 어렵다는 것을 알 수 있었다. 또한, 이 프로젝트를 통해 코일 내 전류분포 및 발열온도분포 해석용 계산기 프로그램을 개발하여 실규모 코일에 있어서도 전류의 전류(轉流)에 의한 검출이 가능하다는 점을 제시했다.   <Energy News>
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