꿈의 송전망의 실현, 초전도 케이블

꿈의 송전망의 실현, 초전도 케이블

대학생신재생에너지기자단 17기 김민석

 

  현대 사회를 살아감에 있어서 전기는 우리와 뗄래야 뗄 수가 없다. 실제로 우리나라의 1인당 소비전력은 2017년 기준 9.869[Kwh]로 전 세계 국가 중 상위권에 위치하며, 개인의 범주에서 벗어나 국가의 단위로 나아가면 2000년 이후 연평균 전력 소비 증가율은 4.3%로 경제협력개발기구(OECD) 회원국 중 2위를 차지했다. 이처럼 우리나라의 전기 사용량은 비교적 높은 증가율을 보이며 수요가 많은 만큼 공급에 대해서도 생각하지 않을 수 없다.

우리가 전력을 사용하기 위해서는 발전소에서 생산한 전기를 송전탑 등으로 계통 연계를 통해서 수송, 변전을 하고 이와 같은 일련의 과정을 거쳐서 소비자들은 전력을 사용할 수 있게 된다. 하지만 이와 같은 배전 과정에서 발생하는 전력손실이 최근 5년간 8조 원이 넘은 것으로 나타났으며 전력손실은 계속 증가하는 추세이다.

 

기존 송전망에서의 전력손실

  한국전력공사의 '전력수송 중 전력손실량 및 손실액 자료'에 따르면 2014년 이후 지난 해까지 최근 5년간 송배전 전력손실 비용은 총 8조 2823억 원에 달했다. 지난해 전력손실량은 1935만 9355[MWh]로 당시 전력 구입 단가를 감안하면 1조 8521억 원의 손실금액이 발생했다. 특히 그 전년 손실량 1879만 97[MWh]보다 56만 9258[MWh] 더 많았고 손실액도 2114억이 더 늘었다. 전력이 생산된 이후 송변전과 배전되는 과정에서 전력 손실은 전체 전력량의 4~5% 정도로써, 수치상으로는 작아 보이지만 이로 인해 발생하는 전력 손실 규모는 한 해 평균 1조 6564억 원에 달한다.

 

       [자료1. 전력수송 중 전력손실량 및 손실금액]

출처 : 지앤이타임즈

전력의 수요가 늘어날수록 송전탑 등의 송전설비 증가로 인한 전력손실도 증가할 수밖에 없는데 이에 대한 근본적인 해결방안이 필요한 시점에, 한국전력공사와 LS전선에서 전력손실 없이 송전을 할 수 있는 꿈의 기술인 초전도 전력 케이블을 활용한 송전기술을 상용화했다고 한다.

 

초전도 케이블이란?

  초전도케이블은 초전도 도선을 통전 층으로 하여, 같은 크기의 기존 구리케이블에 비해 5배 이상의 전류를 통전할 수 있다. 초전도 케이블의 구조를 보면, 케이블의 형태를 유지하면서 고장 시 발생하는 대전류를 우회할 수 있는 구리 포머층, 대용량의 전류를 통전하는 초전도 통전층 그리고 구리 포머층과 초전도층 사이에는 절연층이 있다. 이러한 구조의 코어는 초전도 도선을 냉각하기 위해 액체 질소가 흐르는 냉각용기 안에 담겨 있으며 액체질소의 온도를 유지하기 위해 외부와 단열하는 진공층이 외각에 구비되어 있다.

초전도 케이블의 길이는 약 500m 단위로 제작되기 때문에 장거리 통전을 위해서는 케이블 간의 연결이 필요하다. 이를 중간 접속함이라고 한다. 초전도 케이블 양 끝 단의 종단 접속함을 통해 전류와 전압이 상도체로 만들어진 외부 전력기기로부터 인입된다. 초전도 케이블은 기존 상전도 케이블과 달리 통전층의 초전도성을 유지하기 위한 냉각이 필요하다. 냉각 시스템은 초전도 케이블 설계에서 가장 중요한 부분이다. 케이블 내부의 온도 유지를 위해서, 통전층의 발열량, (즉, 전력 손실량), 상도체부를 통한 외부로부터의 열 침입, 케이블 단열 특성을 고려하여 냉동기의 용량을 결정해야 한다. 또한, 액체 질소의 순환을 위한 가압 및 유속에 따른 펌프의 사양 및 배관 설계 등 기존의 상전도체 케이블과는 상당히 다른 시스템이다.

      [자료2. 일반 케이블과 초전도 케이블의 비교]

                                                                                                      출처: 전력연구원 사보 2019년 5월호

즉, 초전도 케이블은 영하 196도까지 온도를 낮춘 진공상태에 일반적으로 전선에 많이 사용되는 구리, 알루미늄 등의 도체 대신 일정 온도에서 전기저항이 0이 되는 초전도 물질로 대체해서 제작하는 케이블로써 이를 통해 송전 손실이 거의 없는 상태에서 전기를 흘려보낼 수 있다.

 

초전도 케이블의 기대효과

  그렇다면 초전도 케이블을 사용함으로써 얻을 수 있는 기대효과에는 무엇이 있을까? 기존의 구리 고체 대신에 초전도체를 사용하면 극저온에서의 전기 저항이 없어지므로, 전기를 보낼 때 기존 구리선 대비 송전손실을 10분의 1 수준으로 감소시킬 수 있다. 즉, 초전도 케이블이 상용화된다면 이러한 전력손실을 크게 감소시켜서 송전을 할 수 있게 되는 것이다.

이에 더해 한 번에 송전 가능한 전력량 또한 키울 수 있다. 초전도체 케이블의 크기는 기존 구리 케이블의 20%에 불과하지만 교류의 경우 5배, 직류의 경우에는 10배에 달하는 전기를 더 보낼 수 있으며 이러한 장점들은 송전효율을 극대화함으로써 더 많은 전기를 더 효율적, 경제적으로 소비자들에게 제공할 수 있게 된다.

또한 기존 전력산업에서 전력손실을 최소화하기 위한 핵심은 승압 과정이였는데, 이제는 전력손실을 줄이기 위해 전압을 높이는 시대에서 나아가 저항이 없는 상태에서 전기를 보낼 수 있는 시대가 됐다. 초전도 케이블을 이용하면 전압을 올릴 필요도 없을뿐더러 절연을 위해 발생하는 많은 비용이 절감되며, 변전소 건설 역시 최소화할 수 있다. 원래 도심까지 전력을 보내기 위해서는 최대 5개의 변전소가 필요했지만, 초전도 케이블을 이용하면 1개의 변전소만 건설해도 문제없이 송전이 가능하다. 또한 이런 장점들을 활용해서 도심지 전력 공급을 위한 초전도 플랫폼 (대도시 부하 밀집 지역의 효율적, 경제적 전력망 구축, 한정된 공간 활용 및 기존 설비 환경 개선을 통한 전력전송 용량 확보하는 새로운 개념의 송배전 시스템의 모델) 건설을 계획 중이다. 대형 변전소 등 대규모 전력 시설은 도심지 외곽에 짓고 소형 초전도 플랫폼을 도심 중심지에 건설하는 방식이다. 전력설비 건설을 반대하는 민원과 도시 전력 수요 증가 문제를 모두 해결할 기술적·사회적 대안이 될 것으로 기대한다.

            [자료3. AC 154kV 초전도 케이블 및 중간접속함(제주초전도센터)]

출처: 한국전력공사

 

초전도 케이블의 현재 상황과 향후 전망

  현재 한국전력공사는 초전도 송전을 세계에서 처음으로 상용화하면서 관련 업계와 세계 시장을 선점할 수 있는 교두보를 확보하게 됐다. 미국과 일본, 유럽 국가들이 초전도 송전기술을 앞서 개발했으나 상용화한 것은 우리나라가 처음이다.

한전이 개발·준공한 23[KV], 50[MVA] 차세대 송전 시스템은 신갈-흥덕 변전소 간 약 1km 구간에 초전도 전력 케이블을 활용한 송전기술을 상용화한 것이다. 초전도 송전 분야에서 미국은 610m 구간(138kV 574MVA), 일본은 250m 구간(66kV 200MVA)을 각각 실증 연구하는 데 그치고 있는 반면에 우리나라는 1km 이상 구간에 초전도 송전망을 상용 구축함으로써 세계에 거듭 기술력을 인정받게 됐다. 이와 같은 초전도 상용화 사업이 성공하며 우리나라는 국제에너지기구(IEA)가 지난 연말 발행한 백서에 ‘세계 최초 초전도 상용국’으로 등재되기도 했다. 한전은 이런 성과를 발판 삼아 초전도 송전 프로젝트의 다음 단계에 돌입했다. 우선 역곡~온수변전소 사이 초전도케이블 시스템 설치, 2023년부터 상업운전을 시작할 예정이다. 초전도케이블 시장은 전력 수요의 증가 및 노후 설비 교체, 전력망의 안전성 향상 등의 이유로 전 세계적으로 점차 확대되고 있다. 2018년 410억 원 규모를 기록한 초전도케이블 시장은 2019년 1,000억 원대를 넘어선 1,235억 원에 이어 2021년 2,000억 원, 2023년 3,500억 원에 달하는 등 연평균 53.6%의 비약적인 성장을 할 것으로 예상되고 있으며 앞으로 5년 내에 시장 규모가 1조원을 돌파할 것으로 전망되기도 한다.

시간의 흐름에 따라 기술 개발은 더욱 가속화되고 있는 요즘 미래의 세상은 어떻게 변화하게 될까? 초전도 케이블 역시 보다 나은 우리의 미래를 위해 반드시 필요한 혁신 중 하나일 것이다. 다양한 산업 분야에서 많은 새로운 기술들이 개발되고 있는 이 시기에 신기술에 대한 우려와 거부보다 기대와 신뢰에 기반하여, 초전도 케이블의 현장 적용을 앞당겨서 양질의 전력을 효율적, 경제적으로 사용할 수 있기를 바란다.

 

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참고문헌

[기존 송전망에서의 전력손실]

1) 지앤이타임즈 (Green Energy Times), "전력 송배전 과정서 손실 5년간 8조2823억", 2019.10.10, http://www.gnetimes.co.kr/news/articleView.html?idxno=55297

2) 한국전력 블로그 굿모닝 KEPCO!, "꿈의 송전기술, 초전도 케이블을 한전이 만든다", 2019. 7. 1, https://blog.kepco.co.kr/1537

[초전도 케이블이란?]

1) EPJ (Electric Power Journal), [전력톡톡] 후발주자의 반란… 초전도 케이블 상용화, 2019.12.06, http://www.epj.co.kr/news/articleView.html?idxno=23712,

2) 서울신문, 한국전력공사, 송전 손실 90% 줄인 초전도 송전기술 상용화, 2020.02.25, https://www.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20200626019059,

[초전도 케이블의 현재 상황과 향후 전망]

1) 서울경제, [대한민국의 힘, 혁신 공기업] 한전 '초전도 송전' 세계 첫 상용화…글로벌 에너지시장 공략 속도낸다https://www.sedaily.com/NewsVIew/1YZ26QV0G5

2) LS전선, 초전도케이블 국산화… 글로벌 시장 이끈다 2016-03-28

https://www.etoday.co.kr/news/view/1308941,

3) 중알일보, ‘꿈의 기술’ 초전도 케이블…한전, 세계 최초 상용화 2019.11.05.

https://news.joins.com/article/23624902,