초전도 케이블 기술 동향_23

초전도 케이블 기술 동향

한국전기연구원 | 조전욱 책임연구원

Ⅰ. 개 요 ··········································································· 25

1. 초전도 케이블의 정의 ·············································· 25

2. 초전도 케이블의 특징 ·············································· 26

Ⅱ. 동향 분석 ··································································· 28

1. 국내 동향 ··································································· 28

2. 해외 동향 ··································································· 29

Ⅲ. 향후 전망 ··································································· 32

<참고문헌> ········································································· 32

초전도 케이블 기술 동향_25

초전도 케이블 기술 동향

한국전기연구원 | 조전욱 책임연구원

Green Technology Trend Report

Ⅰ. 개 요

1. 초전도 케이블의 정의

초전도 케이블은 기존 전력케이블에 사용된 구리도체 대신 고온초전도 도체를 사용한 전력

케이블로 대도시의 전력공급 문제를 해결할 수 있는 환경 친화적인 전력케이블이다. 초전도

케이블은 1961년에 McFee가 처음으로 제안해 1980년대 초까지 유럽, 미국, 러시아, 일본 등에서

주로 금속계 초전도체인 Nb, NbTi, Nb3Sn 등을 이용한 저온 초전도 케이블 연구가 활발하게

진행되었다. 그러나 사용 조건, 경제성 등 저온 초전도 도체의 한계로 인해 제조 기술, 포설 공법,

고장 대책 등을 포함한 신뢰성 확보 및 경제적인 관점에서 여러 과제가 남아있는 상태로 중단

되었다.

그러나 1986년 약 90K의 임계온도에서 초전도 특성의 재현성이 양호한 Y-Ba-Cu-O계 초

전도체를 개발함에 따라 액체헬륨이 필요없는 액체질소 냉각 초전도 케이블의 실현 가능성을 기술

적으로 검토하였다.

항목 고온 초전도 케이블 OF 케이블 CV 케이블Former 구리 도체 Spiral Tape 없음도체 초전도 도체 구리 구리

도체 구조 Tape 형태의 적층 원형 압축 연선 원형 압축 연선냉매 액체질소 (77K) OF 절연유 없음 (냉각수)

절연냉매함침

복합절연방식OF 절연유 함침 XLPE 압출

냉각 계통액체질소 순환 및 냉동기 부착

PT 등 유압 조절 장치 냉각수

<표 1> 기존의 케이블과 초전도 케이블의 비교

자료 : 조전욱, “초전도케이블 연구개발 현황”, 월간 전기, 2009. 61)

초전도 케이블은 <그림 1>과 같이 형상유지 및 포설 등을 위한 구리지지 부분(Former), 도체인

초전도선과 전기절연을 위한 절연층 등으로 구성된 케이블 코어(Core)와 단열(열절연)을 위한 이중

단열관(Cryostat) 및 초전도 케이블의 냉각 및 냉매의 순환을 위한 순환펌프, 냉동기 등으로

구성된 냉각시스템, 상온부와 극저온을 연결하는 단말(Termination) 등으로 구성되어 있다.1)

26_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

⒜ 케이블 코어 ⒝ 초전도 케이블 시스템 구성

자료 : 조전욱, “초전도케이블 연구개발 현황”, 월간 전기, 2009. 61)

<그림 1> 초전도 케이블의 구조

2. 초전도 케이블의 특징

고온초전도 전력케이블은 헬륨보다 가격이 저렴한 액체질소를 냉매로 사용하며, 액체헬륨을

사용하는 금속계 저온초전도 전력케이블에 비해 외부와의 온도차이가 작아서 극저온 관로의

구조를 단순화할 수 있다. 또한 작은 크기의 극저온 관로에서도 대용량의 고온초전도 전력케이블을

구성할 수 있다.

고온초전도 전력케이블은 기존의 전력케이블에 비해 765kV나 345kV의 초고압이 아닌 154kV

또는 22.9kV의 저전압으로 대용량 송전이 가능하기 때문에 기존 변전소의 고전압 송전을 위한

주변기기를 간소화할 수 있으며, 송전 손실량이 극히 적고 케이블 크기를 줄일 수 있어서 넓은

부지가 필요 없다. 이외에도 여러 가지 장점들이 있으며, 상세한 내용은 후술하는 바와 같다.

가. 대용량 ․ 저손실

초전도 케이블은 기존의 케이블에 비해 대전류를 전송할 수 있을 뿐만 아니라, 교류손실이

기존 케이블에 비해 1/20로 극히 작으며 송전용량 또한 현재보다 3배 이상 증가시킬 수 있다.

나. 저전압 송전

기존의 전력케이블은 주로 송전 전압을 상승시키는 방법에 의해 송전용량을 증대하였으나,

초전도 케이블은 대전류를 송전하는 것이 가능하기 때문에 동일용량을 송전할 경우 기존의 전력

케이블보다 낮은 전압으로 송전이 가능하다. 즉 345kV, 765kV로 승압하여 송전하지 않고

154kV 또는 22.9kV로 수용가까지 저전압․대전류의 대용량 송전이 가능하다.

다. 송전비용의 절감

도심에 초고압 변전소(345/154kV 변전소)를 설치할 필요가 없어서 비용을 줄일 수 있으며,

절연전압 레벨의 감소로 송․변전기기의 간소화 및 전력기기 가격의 저하가 가능하다.

초전도 케이블 기술 동향_27

또한 저전압화에 의해 케이블의 충전 전류가 크게 감소하기 때문에 보상용 리액터를 경감하여

계통전체에 걸쳐 송전비용을 줄이는 것이 가능하다.

라. 케이블의 소형화

초전도케이블은 1회선 당 송전용량이 매우 크기 때문에 동일한 용량을 송전하는 경우 기존

케이블에 비해 소요 회선수가 대폭 감소된다. 액체질소 온도의 극저온유지를 위한 진공단열

구조가 필요하여 초전도케이블의 크기가 다소 커지게 되지만 기존 구리케이블, 고온 초전도

케이블(HTS SC Cable)을 22.9KV/50MVA의 송전용량에 따른 소요면적의 크기를 비교하면

<그림 2>와 같이 고온초전도케이블이 약 20% 수준으로 작고, 송전밀도가 매우 높다.2)

자료 : 21C 프론티어사업 차세대초전도응용기술개발사업단, “차세대 초전도응용기술개발 2단계 보고서”, 2007.4 2)

<그림 2> 1GVA급 케이블 크기 비교

마. 케이블 관로의 소형화를 통한 건설비용 절감 효과

향후 전력계통은 전원설비의 대용량화, 도심의 집중 및 지역적인 편재화 등에 따른 부지

확보와 기존 전력구의 확장이나 신규건설 등 전력계통의 확장에 따른 전력구의 확보 문제가

심각할 것으로 예상된다. 그러나 고온 초전도 케이블을 적용하면 동일 송전용량을 기준으로

케이블의 포설에 필요한 터널의 직경을 60% 정도 작게 할 수 있기 때문에 기존 관로나 전력

구의 활용이 가능하여 건설비용을 대폭적으로 절감할 수 있다. 특히, 케이블 회선수의 감소와

케이블의 소형화 가능성은 지중 송전선의 총 건설비중 터널 건설비가 차지하는 비중을 고려할 때

경제성 측면에서 매우 중요하다.

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Ⅱ. 동향 분석

1. 국내 동향

국내에서의 초전도 케이블 개발은 국가사업인 21세기 프론티어 사업 중 차세대 초전도 응용기술

개발 사업으로 2001년부터 2011년까지 한국전기연구원과 LS전선, 한국전력 등 산학연 공동으로

22.9kV, 50MVA급 및 154kV/1GVA급 초전도 케이블을 개발하였다.

22.9kV, 50MVA급 초전도 케이블은 한전의 실증시험센터에 설치하여 2007년 세계 최초로

국제 공인기관인 카이네트릭스(Kinetrics)의 입회시험을 성공적으로 통과하고 실증시험을 완료

하였다. <그림 3>에서 보는 바와 같이 한전과 LS전선이 공동으로 22.9kV, 50MVA급 초전도

케이블 410m를 설치하여 2011년부터 한전의 이천 변전소에서 실 전력계통에 적용하여 운전

중이다.3)

자료 : 현옥배, “KEPCO’s perspective on FCL and Activity in power applications” IEA HTS ExCo meeting, 20123)

<그림 3> 이천변전소 전경 및 설치된 초전도케이블

<그림 4>는 2011년 프론티어사업으로 한국전기연구원, 한전전력연구원, LS전선, CVE(극저온

냉각설비 전문기업) 등이 공동으로 개발한 세계 최고전압과 용량인 154kV, 1GVA급 초전도케이

블이며, 한전의 제주 금악 변환소에서 실 전력계통 적용 운전을 위한 사업이 진행 중이다.4)

초전도 케이블 기술 동향_29

자료 : 조전욱, “Developmental Results of 154kV, 1GVA HTS Cable” MT-22 Conference, 20114)

<그림 4> 한전 실증시험센터 지하전력구에 설치된 154kV, 1GVA, 100m 초전도케이블 시스템

2. 해외 동향

미국의 대표적인 초전도 케이블 프로그램은 에너지부(DOE)의 지원을 받은 SPI(Supercondu

ctivity Partnership with Industries) 프로그램으로 LIPA(Long Island Power Authority) 프

로젝트, AEP(American Electric Power) 오하이오 프로젝트 및 알바니(Albany) 프로젝트이

다.5) 이러한 3대 초전도 케이블 프로젝트는 2006년부터 실 전력계통에서 운전을 시작하였는데,

LIPA 프로젝트, AEP 오하이오 프로젝트를 통해 설치된 초전도 케이블은 현재까지도 실 전력계

통에서 사용되고 있다. 구체적으로 LIPA 프로젝트는 전력 생산업체인 AMSC 주관으로 138kV,

620m, 3상 초전도 케이블을 East Garden시의 변전소에 설치하여 2008년부터 계통운전 중이

며, 오하이오 프로젝트는 이동식 저장장치 전문기업인 Ultera 주관으로 200m, 13.8kV, 3상 동

축 초전도 케이블을 2006년 7월부터 콜럼버스 변전소에서 운전을 시작하였다. 알바니 프로젝트

는 SuperPower와 스미토모전기공업(SEI)이 공동으로 2006년 7월부터 350m, 34.5kV, 3상 초

전도 케이블을 허드슨 강변에 설치하여 전력계통 운전을 완료하였다.

SPI 프로그램이 성공적으로 진행됨에 따라 2007년부터 보다 실용적인 SPE (Superconductivity

Power Equipment) 프로그램이 진행 중이며, 여기에는 3개의 초전도 케이블 프로젝트가 포함되어

있다. 첫 번째는 에너지부(DOE)의 지원으로 뉴올리언스(New Orleans)의 도심 변전소 사이에

13.8kV, 2.5kA(60MVA), 1,780m 규모의 초전도 케이블을 전력회사인 사우스와이어(Southwire),

엔터지(Entergy) 등이 공동으로 설치하는 프로젝트이며, 두 번째는 DHS(Department of

Homeland Security)에서 지원하는 HYDRA 프로젝트로 배전계통을 정전 등 사고에서도 안전하게

유지할 수 있는 초전도 케이블을 적용한 계통으로 재편하는 프로젝트이다. 세 번째는 기존의 LIPA

I의 1상(phase)을 2세대 초전도체(Coated conductor)로 교체하여 운전하는 LIPA II 프로젝트이다.

이러한 프로젝트의 진행상황을 비교해 보면 미국은 점진적으로 실용화 단계로 나아가고 있다고 판단

된다.

30_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

<그림 5> 미국의 초전도 케이블 <그림 6> LIPA 초전도 케이블

자료 : Steinar Dale, “Superconductivity R&D Status in the USA”, ISIS-20, 20115)

<그림 7> OHIO 초전도 케이블 <그림 8> Albany에 설치된 초전도 케이블

일본은 고온 초전도체가 발견된 시점부터 초전도 케이블 연구를 진행하여 2001년 스미토모전기

공업이 66kV, 1000A, 100m 초전도케이블을 전력중앙연구소(CRIEPI)에 설치하고, 시험을 완료

하였으며, 2004년 Furukawa Electric이 교량, 지하, 지상 등 여러 조건의 실제 운전상황을

모의하여 77kV, 1kA, 500m 초전도케이블을 제작하고 평가를 완료하였다.

일본은 M-PACC 프로젝트를 토대로 초전도케이블 프로그램이 진행 중에 있으며, 스미토모

전기공업에서 동경전력과 함께 추진하는 요코하마 프로젝트가 있다. M-PACC 프로젝트 내의

초전도케이블 프로젝트는 계통적용이 아닌 연구개발 단계로 66kV, 5kA급의 대전류형과

275kV, 3kA급 고전압형의 2개 프로젝트가 있다. 신에너지 산업기술 종합개발기구(NEDO)의

지원을 받는 요코하마 프로젝트는 스미토모전기공업, 동경전력, 마에카와사가 공동으로 추진하는

대형 프로젝트로 2012년부터 요코하마의 동경전력 변전소에 66kV급 초전도 케이블을 실 전력

계통에서 운전을 실시하고 있으며, 이는 일본 전력계통에 최초로 투입되는 초전도 전력케이블로서

상징성이 있다.6)

초전도 케이블 기술 동향_31

자료: Shoichi Honjo et al, “Status of Superconducting Cable Demonstration Project in Japan,” IEEE Trans. on Superconductivity, 20116)

<그림 9> 요코하마 변전소에서 운전 중인 초전도 케이블 (일본)

유럽 지역에서는 2003년 덴마크의 케이블 제조업체인 NKT가 배전급 30m의 초전도 케이블로

실 전력계통 시험을 완료하였으며, 뉴온(Nuon)은 네덜란드에 50kV/250MVA, 6km급 초전도

케이블 설치 계획을 발표하고 경제성 평가 및 기초 엔지니어링 등 타당성 평가를 진행 중에

있다. 또한 2011년부터 독일 에센(Essen) 지역 실 전력계통에 초전도 케이블을 설치하기 위한

“AmpaCity” 프로젝트가 진행 중이다.

전 세계 초전도 케이블 현황을 종합하면 <표 2>와 같이 본격적인 상용화보다는 상용화 이전단

계인 사업화 준비 단계인 것으로 나타나고 있으며, 초전도 케이블의 시범 프로젝트는 한국을 비

롯한 선진국을 중심으로 이루어지고 있다. 최근에는 상용화에 근접하는 수준의 프로젝트가 추진

되고 있어서 시장 진입 시기가 곧 도래할 수 있을 것으로 판단된다.

Consortium Country / year LocationLength

(m)

Spec Power(MVA)

상 (Phase)

초전도체kV kA

NKT Cables /NST Denmark/01 Copenhagen 3×30 30 2 104 3×1 1GTEPCO/SEI Japan/2002 CRIEPI 100 66 1 114 3 1G

SuperACE/Furukawa/CRIEPI

Japan/2004 CRIEPI 500 77 1 11 1 1G

Innopower/Yumnan EP

China/2004 PuJi 33.5 35 2 121 3 1G

KEPRI/SEI Korea/2005 Gochang 100 22 1.25 48 3 1GUltera/AEP/Oak Ridge

USA/2006 Columbus 200 13.2 3 69 3 1G

Superpower/SEI USA/2006 Albany 350 34.5 0.8 48 3 1GKERI/LS Cable Korea/2007 Gochang 100 22 1.25 48 3 1G

ConduMex/AMSC/CFE

Mexico/2007 Queretaro 100 23 2 80 3 1G

LIPA/AMSC/Nexans

USA/2007 Long Island 660 13.8 2.4 573 3 1G

Superpower/SEI USA/2007 Albany 30 34.5 0.8 48 3 2GNexans/AMSC Germany/07 Hanover 30 13.8 1.8 248 1 2GLIPA/AMSC/

NexansUSA/2010 Long Island 600 13.8 2.4 574 1 2G

TEPCO/SEI Japan/2011 Tokyo 300 66 3 340 3 1GLS Cables Korea/2011 Gochang 100 154 3.75 1,000 3 2G

<표 2> 세계 주요 초전도 케이블 프로젝트 현황

자료 : 한국에너지기술평가원, “그린에너지 전략 로드맵”, 20097)

32_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

Ⅲ. 향후 전망

초전도 케이블에 대하여 검토한 결과 현재 세계 각국에서는 초전도 케이블의 개발뿐만 아니라

조기 상용화를 위하여 장기 평가시험, 규격화 등 신뢰성 확보에 많은 시간과 노력을 기울이고

있다. 이와 같이 초전도 케이블 관련 기술은 더 이상 미래기술이 아닌 실용 기술로 사회 발전에

따라 예상되는 효율적인 전력공급 문제 등을 해결할 수 있을 것으로 전망된다.

<표 3>에서 알 수 있듯이 2011년 한국에너지기술평가원 기획보고서에 의하면, 세계 시장규모도

2020년 기준으로 114.87억 달러 규모로 경제적 기대효과가 매우 큰 신성장 산업이다.8)

<표 3> 초전도케이블 시장규모

(단위: 억 달러)

구 분 2020년 2030년 2040년 2050년

세계 시장 114.87 180.97 285.10 449.15

국내 시장 3.14 2.84 5.23 8.28

자료 : 한국에너지기술평가원, “초전도전력기기 및 적용기술”, 기획보고서, 20118)

초전도 케이블을 기반으로 한 신 전력계통은 기존 전력공급방식의 패러다임을 바꾸는 것으로

미래 에너토피아의 한 단면이 될 것으로 예상된다.

<참고문헌>

1. 조전욱, “초전도케이블 연구개발 현황”, 월간 전기, 2009

2. 21C 프론티어사업 차세대초전도응용기술개발사업단, “차세대 초전도응용기술개발 2단계 보고서”,

2007

3. 현옥배, “KEPCO’s perspective on FCL and Activity in power applications”, IEA HTS

ExCo meeting, 2012

4. 조전욱, “Developmental Results of 154kV, 1GVA HTS Cable”, MT-22 Conference, 2011

5. Steinar Dale, “Superconductivity R&D Status in the USA”, ISIS-20, 2011

6. Shoichi Honjo et al, “Status of Superconducting Cable Demonstration Project in

Japan”, IEEE Trans. on Superconductivity, 2011

7. 한국에너지기술평가원, “그린에너지 전략 로드맵 (초전도)”, 2009

8. 한국에너지기술평가원, “초전도전력기기 및 적용기술”, 2011