<창간특집> 고온초전도 플라이휠 에너지저장 기술
<창간특집> 고온초전도 플라이휠 에너지저장 기술
  • 한국에너지신문
  • 승인 2000.05.15 00:00
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환경친화적 에너지 저장장치 ‘각광’ 기대

고온초전도 플라이휠 에너지 저장기술은 고온초전도체의 독특한 현상인 자기 공중부양 및 자기 고정을 이용한 베어링을 사용해 회전판을 공중에 안정적으로 부양시킨 다음 모타를 이용해 전기에너지를 회전판(플라이휠)의 회전 운동에너지로 저장하고, 이 에너지를 마찰에 의한 손실이 없도록 유지했다가 발전해 사용하는 기술이다.
고온초전도 플라이휠 에너지 저장기술의 장점은 에너지 저장효율이 90% 이상으로 다른 저장방식에 비해 훨씬 높고 에너지 저장정밀도도 높다는 것이다.
또한 양수발전기술이나 배터리 등 대부분의 에너지 저장기술들이 환경을 파괴하는 반면 고온초전도 플라이휠 에너지 저장기술은 환경친화적 특성도 지니고 있어 세계 각국에서도 연구가 활발히 진행되고 있다.
고온초전도 플라이휠 에너지 저장장치의 가장 핵심이 되는 기술은 무거운 회전판을 안정적으로 부양시키는 초전도베어링 기술이다.
현재 개발되고 있는 저장방식은 초전도 베어링의 형태에 따라 수직축 플라이휠 방식과 수평축 플라이휠 방식 등 크게 두가지로 나뉜다.
수직축 플라이휠 방식은 고온초전도 판 위에 영구자석이 달린 회전판을 올려 놓아 자기력으로 회전체를 들어 올리고 회전판을 수직축으로 회전시킴으로써 에너지를 저장한다.
반면 수평축 플라이휠 방식은 회전체를 고온초전도 저어널 베어링으로 지지하고 이 회전체를 회전시켜 에너지를 저장하게 된다.
고온초전도 플라이휠 에너지 저장장치에서 저장용량을 늘리기 위해서는 휠의 크기를 크게 하는 방법과 회전속도를 빠르게 하는 방법 그리고 다수의 회전체를 직렬 연결하는 방법 등이 사용된다.
이중 회전판의 크기를 키우는 것과 회전속도를 증가시키는 방법은 재료 면에서 한계가 있어 기술적으로는 다수의 회전체를 직렬로 연결하는 방법이 가장 적합한 것으로 고려되고 있다.
수평축 플라이휠 방식과 수직축 플라이휠 방식 중 대용량에너지 저장에는 수평축 방식이 적합한 것으로 나타나고 있다.
수평축 플라이휠 에너지 저장장치는 크게 나눠 저어널 베어링과 회전체, 전동/발전기로 구성돼 있고 여기에 진공시스템, 냉각시스템, 전력변환시스템이 부착돼 있다.
이중 저어널 베어링은 회전체를 지지하는 핵심부품으로 이 기술이 실현되기 위해서는 영구자석과 고온초전도체의 배열의 설계를 최적화해 강한 부상력을 갖는 저어널 베어링의 개발이 필수적이다.
전력연구원은 이와 관련 고온초전도 단결정들을 특수 배열한 수평축 초전도 저어널 베어링을 세계 최초로 개발하고 이 베어링을 장착해 직경 40㎝, 16㎏의 회전판을 3,000rpm 회전해 7Wh급 플라이휠 에너지 저장장치 시작품을 제작했고 현재 30㎏의 회전판을 부양할 수 있는 초전도 베어링을 사용해 2만∼4만 rpm에서 안정적으로 운전되는 500Wh급 초전도 플라이휠 에너지 저장장치를 개발해 성능시험 중이다.
수평축 방식의 플라이휠 에너지 저장장치를 개발해 대용량화 한다면 종래의 방식에 비해 안전성 및 경제성을 향상시킬 수 있고 세계 선도기술이 될 것으로 보인다.
고온초전도 플라이휠 에너지 저장기술은 향후 전력수요의 급증에 따른 부하평준화, 고품질 전력 및 무정전 전원 공급, 그리고 대체에너지개발과 연계돼 사용되기 위해 수요지점 근방에 분산배치가능한 공급원으로 각광을 받을 전망이다.
고온초전도 베어링에 의해 개발된 에너지 저장장치는 저장규모에 따라 소형(수십 kWh급), 중형(수백 kWh급), 그리고 대형(수 MWh급)으로 나눌 수 있다.
소형 에너지 저장장치는 병원, 호텔, 군 시설, 산업체에서 현재 무정전 저원장치로 사용되고 있는 납축전지를 대체할 것으로 보이고 도서지방의 태양광발전과 연계 사용될 예정이다.
중형은 변전소나 변압기에 설치돼 송변전과 계통안정화에 기여할 것으로 보이는데 2010년에는 226억원, 2015년에는 245억원의 송변전 설비투자 절감효과를 가져올 것으로 예상되고 있다.
대형은 대도시나 발전소에 설치돼 부하관리에 이용함으로써 2010년에 4,064억원, 2015년 6,719억원의 발전설비 투자비를 절감하고 2010년에 475억원, 2015년 785억원의 송변전 설비투자비를 절감하며 화석연료 의존비율의 감소로 2010년에 555억원, 2015년 615억원의 환경비용 절감도 기대되고 있다.



인터뷰/ 한상철 책임연구원 〈한전 전력연구원 전력이용기술그룹〉
“수평축 플라이휠 방식 세계 최고 수준 자신”

“수평축 플라이휠 방식은 외국의 수직축 방식을 개선한 것으로 대용량의 에너지를 저장할 수 있고 안전성 면에서도 탁월한 세계 최고 수준이라고 자신합니다.” 고온초전도 플라이휠 에너지 저장기술 개발에 여념이 없는 전력연구원의 한상철 책임연구원은 국내 기술이 세계적 수준에 조금도 손색이 없다고 소개한다.
“초전도 기술은 저온초전도가 먼저 시작됐으나 부대장치가 큰 단점 등으로 최근에는 고온초전도에 대한 기술개발이 활발하게 전개되고 있습니다. 국내에서도 지난 96년부터 고온초전도 기술개발이 시작됐고 세계적으로도 고온초전도 기술개발이 추세입니다.”
“지금 수행하고 있는 연구개발은 고온초전도 기술을 전력기기에 이용하는데 역점을 두고 있습니다. 이중 가장 대표적인 것이 플라이휠 에너지 저장장치 입니다.” 한상철 책임연구원은 고온초전도의 파급효과가 커 여러 가지 부문에 응용되고 있다고 설명한다.
“고온초전도 기술과 관련 가장 파급효과가 큰 부분은 초전도 선재입니다. 이밖에도 고온초전도 기술은 정보통신, 의료기기, 수송분야에 이르기까지 파급효과가 무궁무진 합니다. 특히 국내의 정보통신 분야는 최근 수요로 인해 기술수준이 세계적입니다.”
“초전도 기술은 정부의 6대 돌파산업의 하나로 초전도센터가 설립 등 조만간 종합대책안이 결정되면 본격적인 기술개발이 이뤄질 것으로 봅니다.”


외국의 기술동향
막대한 파급효과로 각국 경쟁적 개발
日 올 이후 10MWh급 제작, 美 휴스톤大 주도

고온초전도 플라이휠 에너지 저장장치 개발은 전력에너지 저장 등 파급효과가 커 미국, 일본, 유럽 각국에서 경쟁적으로 이뤄지고 있다.
일본에서는 신에너지 산업기술 총합연구기구(NEDO)를 중심으로 이뤄지고 있는데 쓰부전력은 지난해에 1.4kWh급 수직축 플라이휠 전력저장장치의 시험기를 제작했다.
또한 국제초전도산업기술연구센터(ISTEC)를 통해 지난해까지 10kWh급의 플라이휠을 제작했고 올해 이후에는 상용화 규모인 10MWh급 전력저장장치를 제작해 기존 납축전지 등의 전력저장장치를 대체할 예정이다.
시코쿠전력과 미쯔비시중공업은 공동으로 100Wh급 플라이휠 에너지 저장장치를 개발하고 8MWh급의 에너지 저장장치 개발을 연구중이다.
미국에서는 Argonne 국립연구소와 휴스턴 대학이 주도적인 역할을 하고 있으며 현재 500㎏의 회전자가 사용될 수 있는 진공회전실을 건설중에 있다.
휴스턴 대학에서는 하이브리드 방식의 플라이휠을 개발해 무게 14㎏의 플라이휠을 6,000rpm으로 회전시키는데 성공했으며 현재 EPRI로부터 연구를 지원 받고 있다.
또한 휴스턴 대학은 NASA와 공동으로 월면 망원경을 초전도베어링을 이용해 제작하는 연구를 수행 중이다.
독일은 Karlsruhe 연구소가 직경 20㎝, 무게 10㎏의 회전체를 5만rpm의 속도로 회전시켜 총에너지용량 300Wh, 출력 10kVA의 시제품을 제작했다.
세계 주요국의 고온초전도 플라이휠 개발 연구가 대용량의 에너지 저장에 어려움이 있는 수직축 방식을 채택하고 있는데 이는 강한 부상력의 고온초전도 저어널 베어링을 개발하지 못했기 때문이다.
<변국영 기자>


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