전기용어(신재생에너지)

  

고온 초전도체(HTS : High Temperature Superconductor)

고온 초전도체는 임계온도가 높은 초전도체를 지칭하는 말이다. 이 때 도체가 산화물질이므로 산화(세라믹) 초전도체라고도 불리며 초전도 현상의 응용가능성을 높인 계기가 되었다. 초기에 알려져 있던 초전도 물질은 금속이나 합금이기 때문에 그 임계온도가 절대영도에 가까워, 초전도 상태로 만드는 것에 어려운 점이 있었다.

그 후 산화구리계에서 임계온도 90K에서 초전도체가 된다는 사실을 발견하였다. 이 온도는 액체질소로 냉각시키면 도달하며 초전도체의 응용가능성에 대하여 많은 기대를 유발시켰으며, 그에 따라 활발한 응용 연구가 이루어져왔다. 그 결과로 고온 초전도체는 주로 전력분야의 응용이 주종을 이루는 대형 스케일에서부터 미세소자의 응용에 이르기까지 여러 핵심기술에 요긴하게 적용되고 있다.

 

저온 초전도체(LTS : Low Temperature Superconductor)

임계온도가 액체질소의 온도보다 높은 고온 초전도체와 비교하여, 저온 초전도체는 임계온도가 액체질소보다 낮은 물질을 의미한다. 저온 초전도체를 구분하는 절대적인 임계온도가 존재하는 것은 아니지만, 대략 액체질소온도인 77K를 기준으로 생각하고 있다. 대부분의 단원자 초전도체, 금속계 초전도체가 모두 이에 해당하며, 2001년에 발견된 MgB2와 2008년에 발견된 LaO1-xFxFeAs 계열의 물질도 임계온도가 77K 이하의 것들이다.

이러한 저온 초전도체는 값비싼 액체헬륨(4.2K)을 사용하여 냉각시켜야 한다는 점에서 불리하지만, 고온초전도체에 비해 가공성 및 안정성이 우수하여 현제 NMR 등에 많이 이용되고 있다.

 

BSCCO 초전도체(BiSrCaCuO superconductor)

BSCCO (Bismuth Stronitium Calcium Copper Oxide)의 분자식은 Bi2Sr2CaCu2O8+δ 혹은 Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ이다. BSCCO는 간단히 비스코 혹은 Bi-2212, Bi-2223이라고 불린다. Bi는 비스무트의 약자이며, 2212, 2223은 금속성 원소의 개수를 뜻한다. 이 물질은 1988년 일본에서 발견되 세라믹 물질의 BiSrCaCuO 구조에서 기존의 초전도체보다 높은 임계온도(110K)를 가진다는 것이 최초로 보고되었다.

BSCCO 초전도체는 1세대 고온 초전도선재로 사용되는 데, 주로 분말충진법(PIT)으로 제작된다.

 

YBCO 초전도체(YBaCuO superconductor)

La계 산화물 초전도체가 발견된 후 약 1년이 경과된 1987년 2월, La계의 La을 Y로 치환함에 따라 Tc가 액체질소의 온도를 넘는 경이적인 물질인 YBaCuO계가 휴스턴 대학의 폴 츄(Paul Chu)에 의해서 발견되었다.

이 물질의 조성은 YBa2Cu3O7-x이며, c축 방향으로 페로 브스카이트 구조의 3배위 주기를 갖고 있으며, A자리는 양이온 Y, Ba과 BaYBa 순으로 규칙적인 배열을 하고 있다.

 

초전도 선재 (Superconducting wire)

초전도 선재는 초전도 물질의 임계온도에 따라 LTS

(Low Temperature Superconductor)와 HTS (High Temperature Superconductor)로 나뉜다. 통상적으로 초전도 임계온도가 30K 이상일 때 HTS라 칭하며, 산화물 초전도체가 대표적이다. LTS의 물질로는 단원소 금속 원자 Nb, Al 등을 비롯하여 합금인 Nb3Sn, NbTi 및 Nb3Al, 등이 알려져 있으며, 초전도 선재로 사용될 때에는 이들의 합금형태이며, 필라멘트 형식으로 제조되어 통상적으로 액체헬륨(4.2K)에서 사용된다.

한편 선재로 사용하는 HTS 물질들은 대부분 액체질소 (77K)하에서 초전도 특성을 나타낸다. 이 중 1세대 HTS 선재는 BiSrCaCuO(Bi-2212 혹은 Bi-2223) 산화물 물질로 이루어진 초전도 선재를 말하며, 주로 분말 청진법(PIT) 공정으로 만든다. 또한 2세대 선재의 초전도체는 YBCO 혹은 REBCO(RE : 희토류 원소) 산화물이며, 산화물 막을 금속기판위에 에피텍셜하게 다층으로 증착(코팅)하는 공정기술을 이용하여 선재를 만든다.

 

초전도 마그넷(Superconducting magnet)

초전도 마그넷이란 초전도체를 코일 형태로 감아서 전류를 흘림으로 자장을 발생하도록 고안한 전자석으로, 강하고 균일한 자장을 발생시킬 수 있으며 가동 중에는 초전도성을 잃지 않게 하기 위해 임계온도 이하에 두어야 하는 특징이 있다. 가동 중에는 저항에 의해 손실이 발생하지 않고 많은 전류를 흘릴 수 있기 때문에 기존의 구리선과 철심을 사용하는 전자석보다 가동에 들어가는 비용이 저렴하다.

현재 초전도 마그넷은 NMR, MRI, 입자가속기 등 여러 분야에 사용되고 있다.

 

초전도 에너지 저장장치(SMES: Superconducting Magnetic Energy Storge)

초전도체를 사용하여 만든 초전도 코일에 전류를 흘려 줌으로서 전기에너지를 자기에너지로 변환하여 저장하는 장치를 초전도 자기에너지 저장장치라고 한다. 현재까지 전기에너지를 저장하는 장치는 소규모의 배터리나 심야에 남아도는 전기에너지를 이용하여 낮은 곳의 물을 높은 곳으로 이동시켜 발전하는 양수 발전소 정도가 전부이다.

하지만 대용량의 초전도 자석이 개발되면, 남아도는 전기 에너지를 손실 없이 초전도 자석에 저장하여 필요한 시간에 꺼내어 쓸 수 있는 시대가 열릴 것이다.

SMES는 효율이 좋을 뿐 아니라 충방전이 짧은 시간에 이루어지기 때문에 전력계통의 안정도 향상에도 크게 기여 할 것이다.

 

초전도 자기부상

(Superconducting levitation)

초전도 자기부상은 액체질소로 냉각된 고온 초전도체 위에 작은 영구자석이 자유롭게 떠있는 현상을 말한다.

초전도체의 경우 마이스너 효과에 의한 완전 반자성에 의해 쉽게 자기부상이 될 수 있을 뿐만 아니라 자속고정에 의해 외부 자장을 끌어당기는 힘이 발생하므로 매우 안정적인 자기 부상 상태를 만들 수 있다.

이러한 초전도체를 이용한 자기부상은 자기부상 열차나 플라이휠과 같은 부분에 응용되고 있다. 초전도 자기부상 응용 예로는 초전도 자기 부상 열차가 있다.

 

초전도 플라이휠 에너지 저장장치

(Superconducting flywheel energy storage)

초전도체 플라이 휠은 초전도체 위에 영구자석을 내장한 원판형 몸체를 회전시켜 에너지를 저장한 후 운동 에너지를 다시 전력으로 바꾸는 장치이다. 플라이 휠은 크게 세부분으로 나누어져 있는데 초전도체와 영구자석을 내장한 디스크로 구성되어 있는 베어링, 회전에 의해 운동에너지를 발생시키는 회전체, 동력발생 및 회전 속도를 증가시키고 에너지 전환을 위한 모터와 발전기이다. 이외 에도 진공, 냉각, 제어장치 등이 필요하다.

초전도체를 이용하여 에너지를 저장할 경우에는 마찰에 의한 에너지 손실이 거의 없고 임계온도 이하에서 자체 자장을 발생함으로서 외부 자장침투를 억제하는 마이스너 효과 때문에 자기 부상의 안정성이 향상되는 장점이 있다.

 

 초전도 케이블(Superconducting cable)

초전도 케이블은 기존 전력케이블의 구리도체 대신 고온 초전도 도체를 사용한 저손실, 대용량 전력수송이 가능한 전력케이블로서 대도시의 전력공급문제를 해결할 수 있는 환경 친화적 전력케이블이다.

저전압으로 대용량 송전이 가능하고, 같은 용량의 구리케이블의 20% 수준의 크기로 송전이 가능하여 추가의 건설 공사 없이 이미 설치되어 있는 도심의 전력구 또는 관로를 사용할 수 있어 매우 경제적이며 도심의 부지, 전력공급문제 등을 해결할 수 있다.

초전도 케이블은 형상유지 및 포설 등을 위한 former, 도체인 초전도선과 전기절연을 위한 절연층 등으로 구성된 케이블 코아와 단열(열절연)을 위한 cryostat 및 초전도케이블의 냉각 및 냉매의 수환을 위한 순환펌프, 냉동기 등으로 구성된 냉각시스템, 상온부와 극저온을 연결하는 단말(Termination) 등으로 구성되어 있다

 

초전도 한류기

(Superconducting fault current limiter)

초전도한류기는 초전도성을 이용하여 단락 고장 시 고장전류를 제한하는 기기이다. 초전도체에 과도전류가 흘렀을 때 자연적으로 저항이 발생하여 고장전류를 제한한다. 초전도 한류기는 상시에는 임피던스가 없어 계통에 영향을 미치지 않고, 1/4 주기 이내에 고속으로 고장전류를 제한하는 특징이 있다.

 

최근 국내에서 초전도를 이용한 고장전류제한기가 정격전압 154kV, 2,000A급에 대한 개발연구가 진행 중에 있다.

초전도 소자 단위 Module 설계, 제작, 시험을 완료하였으며, 2,000A급 초전도 한류소자의 냉각방식으로는 극저온 냉동기를 이용하여 액체질소의 과냉상태를 유지하는 방식을 채택하였다. 그리고 154kV급 초전도 한류기의 극저온 고전압 절연 연구가 진행되고 있으며, 극저온용 초고압 부싱을 개발 중이다.

한편 22.9kV, 63 A급 초전도한류기를 이천변전소에 시범적용하고 있다.

 

신재생에너지 (New & Renewable Energy)

우리나라에서 신재생에너지는 『신에너지 및 재생에너지 개발좵이용좵보급 촉진법』제2조에 명시된 바와 같이 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나(신에너지) 햇빛좵물좵지열좵강수좵생물유기체 등을 포함하는 재생가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지(재생에너지)로서, 태양, 바이오, 풍력, 수력, 연료전지, 석탄 액화좵가스화 및 중질잔사유 가스화, 해양, 폐기물, 지열, 수소 등 11개분야를 말한다.

1) 신에너지(3개분야) : 연료전지, 석탄 액화․가스화 및 중질잔사유 가스화, 수소에너지

2) 재생에너지(8개분야) : 태양열, 태양광, 바이오, 풍력, 수력, 지열, 해양, 폐기물

 

발전차액지원제도 (FIT : Feed-In Tariff)

신재생에너지 설비의 투자 경제성 확보를 위해,신재생 에너지(태양광, 풍력, 연료전지 등) 발전에 의하여 공급한 전기의 전력거래가격이 지식경제부 장관이 고시한 기준가격보다 낮은 경우, 기준가격과 전력거래가격과의 차액(발전차액)을 지원해주는 제도이다.

 

신재생에너지발전 의무할당제(RPS : Renewable Portfolio Standards)

일정규모 이상의 발전설비를 보유한 발전사업자에게 총발전량의 일정량 이상을 신재생에너지로 생산한 전력을 공급토록 의무화한 제도이다. 공급의무자는 설비규모(신재생에너지설비 제외) 500MW 이상의 발전사업자 및 수자원공사, 지역난방공사로서 한국수력원자력, 남동발전, 중부발전, 서부발전, 남부발전, 동서발전, 지역난방공사, 수자원공사, SK E&S, 포스코에너지, GS EPS, GS파워, MPC 율촌전력 등 13개 발전회사가 해당된다. 공급 의무량은 공급의무자의 총발전량(신재생에너지발전량 제외)

 

신재생에너지 공급인증서

신․재생에너지 설비를 이용하여 에너지를 공급하였음을 증명하는 인증서를 말한다.

 

REC (Renewable Energy Certificate)

공급인증서의 발급 및 거래단위로서 공급인증서 발급대상 설비에서 공급된 MWh기준의 신재생에너지 전력량에 대해 가중치를 곱하여 부여하는 단위를 말한다.