전기저항 제로, 에너지 손실 없는 친환경적 기술
다양한 응용 가능… 경제성·신뢰성 확보 머지않아

[#사진1]전기에너지는 깨끗하고 사용이 편리하다는 장점 때문에 그 수요는 날로 증가하고 있으나 전기에너지 수요의 증가는 전력설비의 용량을 증대시키고 전력계통을 더욱 복잡하게 만들어 이로 인한 순간 및 대규모 정전, 전압 및 주파수 변동, 높은 고장전류 발생 등과 같은 전력공급의 신뢰도와 전기품질 저감 문제를 가져온다.

더군다나 전기에너지를 생산해 소비지역까지 수송하는 과정에서 많은 손실이 발생하는데, 이와 같은 손실은 지구 에너지 자원의 부족을 더욱 유발하고 지구온난화를 가속화하는 역할을 하고 있다. 그러나 오늘날과 같은 IT기술을 기반으로 한 고도 정보화 시대이면서 동시에 기후변화협약을 준수해야 하는 시대에서는 고품질 환경친화형 국가전력공급 시스템을 구축해야 하고, 그 구축 여부는 바로 국가경쟁력 확보와 직접적인 관계가 있다고 할 수 있다.

전기에너지를 생산·수송하는 데 발생하는 전기적 손실의 대부분은 전기기기를 구성하는 구리(Cu)도체의 전기저항 때문으로, 전기저항으로 발생한 열을 냉각시키기 위해 환경오염의 주범인 절연유나 SF6가스 등을 사용하기도 한다.

근본적으로 구리도체를 이용한 20세기 과학기술로는 전기저항의 한계를 극복할 수 없으나 전기저항이 제로인 초전도기술로는 그 한계를 극복할 수 있다. 이론적으로 초전도기술은 전기저항이 제로이기 때문에 발전소에서 생산된 전기를 하나도 잃어버리지 않고 목적지까지 100% 보낼 수 있다. 그뿐만 아니라 초전도 상태를 만들어 주기 위한 냉매로 사용하는 액체질소 등은 환경에 전혀 해를 미치지 않는다. 바로 초전도의 이런 점이 20세기 구리시대를 벗어나 ‘전기저항 제로, 에너지 손실 제로’라는 21세기 과학기술 혁명을 열어갈 돌파구로 인식되고 있는 이유다.

1911년 초전도현상이 처음 발견된 이래 거의 100년에 이르는 오늘날까지 초전도기술로 실용화된 예는 의료용 MRI, NMR, Micro-SMES, SQUID응용, 입자가속기 등 초전도기술이 아니면 안 되거나 경제적인 우위 비교가 필요 없는 분야밖에 없다.

그 첫 번째 이유는 지금까지 실용 가능한 초전도체의 임계온도가 액체헬륨 온도(4.2K: -269℃) 부근으로 이로 인한 초전도체의 사용온도 제한성에 있다. 초전도체는 우리가 극저온이라 부르는 일정온도 이하에서만 초전도현상이 나타나는데, 바로 이 극저온을 발생시키고 유지하기 위한 기술이 초전도 응용제품의 경제성과 신뢰성 및 응용의 다양성을 저해하는 가장 큰 요소이기 때문이다. 초전도연구자들의 오랜 숙원이 바로 이 초전도체의 사용온도 제한성 문제를 해결하기 위한 높은 임계온도를 갖는 초전도체를 개발하는 것이다.

1986년 스위스의 물리학자 KA. 뮐러와 독일의 물리학자 J. G. 베트노르츠에 의한 La계 산화물 초전도체 발견을 시작으로 우리가 마시는 콜라보다 가격이 싸고 액체헬륨에 비해 수십 배나 신뢰성이 우수한 액체질소 온도(77K: -196℃) 부근에서의 초전도 물질인 Y계, Bi계 산화물 초전도체 등이 속속 발견되면서 초전도기술의 상용화 제약요소인 낮은 임계온도 문제가 해결됐다. 그럼에도 불구하고 그로부터 20년가량 지난 지금까지도 피부에 와 닿을 정도의 실용화로 진전되지 못하고 있다.

그것이 바로 두 번째 이유인 대규모 초전도 응용에 있어서 가장 중요한 요소인 실용 고온초전도선이 아직까지 개발되고 있지 못하고 있기 때문이다. 실용 고온초전도선은 실제로 초전도기기를 운전하는 환경에서 사용 가능한 정도의 높은 임계자장 및 임계전류 특성을 갖고 동시에 경제성을 만족할 만한 수준의 가격으로 공급돼야 한다. 실용 고온초전도선을 개발하기 위해 우리나라는 물론 일본, 미국, EU를 중심으로 전 세계가 노력한 결과 눈부신 발전을 거듭하여 초전도응용기기 시제품을 만들 수 있는 수준의 고온초전도선은 이미 개발되고 있다.

이런 속도라면 지금부터 3~4년 후인 2010년 이내에 구리선과 같은 가격대의 성능이 아주 우수한 실용 고온초전도선 개발도 가능할 것이며, 아울러 이 고온초전도선은 공공적인 측면에서의 파급효과가 가장 큰 전기에너지 분야에 우선 적용돼 기존의 아날로그식 효율 개선을 뛰어넘는 효율 혁신을 도모하게 될 것이다.

우리나라의 전력분야에 초전도기술이 도입되는 것을 상정하면 국내전력공급시스템의 효율을 최소한 2.2% 정도 향상시킬 수 있어 2020년에는 220만TOE 정도의 에너지의 사용량을 절감할 수 있을 것으로 보인다. 이것은 단지 에너지 절감만을 의미하는 것이 아니고 에너지 절감량에 해당하는 화석연료를 사용하지 않는다고 할 때 지구온난화에 기여하는 CO2가스 배출도 감축시킬 수 있음을 의미하는 것으로 약 130만 TCE 정도의 감축이 가능하기 때문에 초전도기술의 도입은 에너지위기뿐만 아니라 기후변화협약에도 적극 대응할 수 있는 새로운 성장산업으로 발전할 수 있게 된다.

우리나라에서는 21세기의 새로운 경제성장엔진을 발굴하고 미래 막대한 규모의 초전도시장을 선점할 목적으로 과학기술부가 추진 중인 21세기 프론티어연구개발사업의 일환으로 지난 2001년부터 ‘차세대초전도응용기술개발사업(DAPAS program: Dream of Advanced Power System by Applied Superconductivity technologies Program)’을 진행하고 있다.

이 DAPAS 사업은 구리선에 비해 수백 배 이상의 전류를 흘릴 수 있는 고온초전도선과 이를 사용해 동일 정격의 전기기기의 크기와 중량 및 손실을 50% 이상 절감할 수 있는 초전도전력기기를 개발하는 것을 목표로 하고 있어 이 사업이 성공적으로 마무리되는 2010년 이후에는 보다 환경 친화적이고 고품질의 안정적인 전기를 공급할 수 있는 저에너지 손실 국가 전력공급 체계가 구축될 수 있을 것으로 전망된다.

편집부  

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