일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2019.12.19

초전도 모터가 지구를 구한다
항공기, 자동차로의 탑재도 시야에 넣어

극저온에서 전지 저항을 제로로 하는 ‘초전도’를 사용하는 모터 개발이 추진되고 있다. 항공 업계가 월등히 높은 에너지 밀도에 착안. 일본∙미국∙유럽에서 개발이 진행되고 있다. 에너지 효율도 높아 전기자동차(EV) 및 철도, 선박으로의 응용도 시야에 넣고 있다.

“항공기 업계는 2050년의 이산화탄소 배출량을 2005년 대비 절반으로 줄여야 하는 상황에 처해있다. 한 편에서는 항공기 수요가 2050년까지 두 배로 늘어난다는 예측도 있어 1대당 이산화탄소의 배출량을 적어도 4분의 1로 절감하지 않으면 안 된다. 추력원(推力源)으로는 초전도 모터밖에 없다”. 이렇게 말하는 것은 규슈(九州)대학원 시스템 정보과학연구원 전기시스템공학부문 교수인 이와쿠마(岩熊) 씨이다.

이와쿠마 씨는 2019년 4월에 규슈대학이 조성한 ‘선진 전기추진 비행체 연구센터’의 센터장을 역임했다. 규슈대학이 축적해 온 초전도 관련 기술에 주목한 미국 대형 항공기 업체인 보잉 등과 초전도 기술을 전면적으로 도입한 항공기용 추진 시스템에 대한 공동 연구를 추진하고 있다.

항공기 업계의 이산화탄소의 배출량 삭감 목표는 UN조직인 국제민간항공기관(ICAO)이 결정했다. UN은 항공기 제조사를 비롯한 관련 기업의 주주들에게 이산화탄소 절감을 노력하는 기업에 투자하도록 압력을 넣고 있어, 산업계는 목표를 제대로 세우지 않으면 안 되는 상황에 처해 있다. 피할 수 없는 규제에 다급해진 항공기 제조사가 본격적으로 초전도 모터를 장착한 항공기 개발에 나서고 있다.

-- 액체 수소로 냉각해 발전(發電)하기도 --
초전도 모터에 따른 항공기는 제트기의 주날개(주익) 등에 장착하는 터보팬 엔진의 동력을 모터에 그대로 옮겨놓은 것이라고 할 수 있다. 그러나 부력을 발생시키는 수법은 제트기와는 차이가 있다.

제트기에서는 제트 분사와 팬으로 후방으로 밀어내는 기류 반동에 의해 전방으로의 추진력을 얻는다. 상부 단면을 휘게 만든 주익으로부터 부력을 발생시킨다. 이와는 달리, 초전도 모터 항공기에서는 주익의 상부에 장착한 다수의 초전도 모터에 의한 팬으로 주익 상부에 빠른 기류를 만들어낸다. 주익의 상하에서 발생하는 기압 차로 인해 부력을 얻게 된다.

전원에는 배터리를 사용하지 않고 기존의 제트 연료나 LNG(액화천연가스), 향후에는 액체 수소에 의한 발전기로부터 얻게 된다. 기존 배터리로는 중량 에너지 밀도가 낮기 때문이다.

발전기와 모터, 이것들을 연결시키는 배선을 초전도화 한 것이 ‘전(全) 초전도기’가 된다. 비교적 저렴한 액체 질소로 초전도가 가능한 고온 초전도 재료를 사용한다. 제트연료를 이용하는 전 초전도기는 냉동기의 전력을 필요로 하지만, 이것을 포함해도 연료 소비량을 현행기의 30%로 절감할 수 있다고 한다. 별도의 개선을 통해 CO² 배출량을 25%로 줄이는 목표 달성이 가능할 것으로 내다보고 있다.

전 초전도기에서는 기존 모터 대비 출력을 2배로 해도 무게를 10분의 1로 할 수 있다고 한다. 정격 범위 이내일 경우, 도선의 저항이 제로가 되기 때문에 대전류로 가동이 가능해 권선의 권수를 줄여 소형화할 수 있기 때문이다. 무거운 철심이나 구리선의 사용도 적다. 발열되지 않기 때문에 냉각기구를 간이화할 수 있어 냉각용 기름의 점성에 의한 손실을 막을 수 있다.

이럴 경우, 전동 항공기에 요구되는 출력 밀도를 충족시킨다. 또한 영구 자석을 사용하지 않는 설계가 가능하므로 그 원료인 희토류 재료 조달 및 가격 변동을 고민하지 않아도 된다.

우와쿠마 씨 팀은 향후 가장 큰 수요가 예상되는 100~200명 탑승의 항공기를 상정해, 출력 20메가와트급 초전도 모터 개발을 목표로 하고 있다. 현재는 500킬로와트급을 시작(試作)한 단계이다. 시작기는 밀봉한 케이스 안에 헬륨을 충진시켜 케이스 외부에서 액체 질소로 냉각시킨다. 2019년 5월에는 실제로 회전시키는데 성공했다.

-- 리프의 2배가 넘는 전비(電費)도 --
초전도 모터의 응용을 항공기뿐만 아니라 EV(전기자동차) 및 철도, 선박 등 폭넓은 분야에서 전개할 수 있다고 보고 개발을 추진하고 있는 것이 교토대학원 공학연구과 특정교수인 나카무라(中村) 씨이다. 2030년에 200킬로와트급을 버스에, 2030~35년에 수 메가와트급의 선박에, 2040년에 수 십 킬로와트급 승용차에 탑재하는 것을 목표로 한다. “항공기로의 응용 가능성은 아직 확실하지 않다”라고 하지만, 출력 밀도 등 사양 면에서는 실현이 가능할 전망이다.

나카무라 씨는 복수의 기업과 함께 공동 개발 중이며, 그 중에서는 승용차로의 응용을 상정한 수 십 킬로와트급 초전도 모터도 있다. “당장 오후에라도 회전시켜보라고 한다면 보여줄 수 있다”(나카무라 씨). 시판의 고온 초전도 재료를 사용하는 번거로운 준비를 하지 않아도 회전시킬 수 있을 정도로 안정된 작동이 가능하다고 한다.

시작한 모터의 특성을 기반으로 전력량 대비 주행 거리를 나타내는 전비를 시뮬레이션 한 결과, 닛산자동차의 EV 리프(LEAF)를 크게 상회하는 특성을 얻을 수 있었다. 전비 및 연료 계산에서 사용하는 주행 모드 ‘WLTC’로 10.7km/킬로와트를 달성했다. 이는 리프의 동일 조건에서의 결과인 7.9km/킬로와트를 상회하는 수치이다.

감속기 등의 기구부와 인버터에서의 손실을 비롯해 초전도화를 위한 냉동기의 소비 전력도 고려하고 있다. 또한 구동 제어가 개선될 여지가 있으며 최적화를 통해 리프의 2배가 넘는 15~20km/킬로와트를 달성할 수 있게 될 전망이다. 나카무라 씨는 전비 면에서는 시장 니즈에 부응할 수 있다고 판단, 소형화와 저비용화를 추진함으로써 실용화로의 방도가 모색될 것으로 보고 있다.

-- 자율적으로 안정된 상태로 회복 --
뿐만 아니라 초전도 모터에서 불안 요소였던 안정성을 실험에서 확인. 저항치가 제로인 초전도 상태에서는 권선에 전류가 흐를 때의 전압이 고르지 않아 회전하지 않을 가능성이 지적되고 있었다. 나카무라 씨가 실험한 결과, 시동 과정에서 과부하가 걸릴 때 저항치가 있는 상태가 되면서 회전이 시작되었다.

또한 시작기에서는 0.4초의 단시간에 최대 회전수에 도달하는 가속도를 낼 수 있었다. 1.3초로 최대 회전수에 도달하는 조건에서도 동일하게 안정된 결과를 냈다.

여기에서 나카무라 씨가 주목한 점은 시동 과정에서 스스로 회전 수와 저항치가 안정되어 정속 시에는 초전도 상태로 유지된다는 것이다. 만약 안정되지 않을 경우, 주울 손실(joule損)에 따른 발열로 권선이 타서 끊어질 우려가 있다. “초전도 상태가 되지 않아도 손실이 줄어드는 방향으로 회전 수가 자동으로 바뀐다. 초전도 모터 자체에 인텔리전트(지적)한 제어 기능이 갖춰져 있다고 할 수 있다”(나카무라 씨). 이러한 자율 안정성에 의해 실험에서는 20킬로와트의 시작기로 40킬로와트의 부하를 걸어도 안정된 상태가 되는 것을 확인할 수 있었다. 과부하에서의 안정된 동작은 EV용 모터에 요구되는 조건이다.

초전도 모터의 개발은 모터의 기본적인 원리의 해명에도 도움이 된다고 나카무라 씨는 말한다. 권선의 저항치가 제로라는 이상적인 상태를 실현할 수 있기 때문이다. 설계치와 계측치의 비교를 통해 모터에 관한 이론을 보다 정확하게 검증할 수 있게 된다. 초전도 모터의 특성을 활용해 ‘모터의 일관된 이론을 만든다’는 것이 나카무라 씨의 커다란 연구 테마이다. 이론이 완성된다면 초전도 이외의 모터 효율 개선으로 이어질 전망이다.

 -- 끝 --

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