일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2024.6.24

초전도 송전, 직류전화 철도에서의 응용이 선행될 것으로 기대
전력 손실 저감 시도

초전도 송전은 전기 저항이 제로인 초전도 케이블로 전력 손실을 없애는 송전 방법이다. 금속 케이블은 전기 저항이 제로가 아니기 때문에 송전 도중에 전력의 일부가 열이 되어 손실되는 송전 로스가 발생한다. 송전선에서의 전력 손실은 선진국에서 수 %, 일본에서도 5% 정도로 알려져 있으며, 신흥국에서는 10%를 넘는 경우도 있다고 한다.

수 %의 전력 손실을 줄일 수 있다면, 초전도 케이블을 냉각해 초전도 상태를 유지하는 비용 소모보다 메리트가 클 수도 있다. 예를 들면, 철도종합기술연구소(도쿄)가 중심이 되어 추진하고 있는 직류전화(直流電化) 철도에서의 응용이 유망하다고 전망되고 있다. 철도 외에도 액체 질소를 취급하는 공장 등에서 케이블 냉각의 코스트를 억제해 메리트를 얻으려는 시도가 추진되고 있다.

-- 변전소의 수를 줄이는 것도 가능 --
철도종합기술연구소가 올 3월에 이즈하코네철도(伊豆箱根鉄道)와 공동으로 실시한 실증 실험에서는 전차가 주행하는 전력을 초전도 케이블 경유로 종일 공급했다. 오류 등은 없었으며, 철도종합기술연구소는 실용에 적합한 신뢰성을 확립할 수 있었다고 한다. 첫차 전이나 막차 후에 여객을 태우지 않는 열차를 이용한 검증은 2015년 이래 복수의 선구(線區, 노선의 분할된 구간)에서 실시되어 왔지만, 종일 실시된 것은 처음이다.

직류전화 철도가 초전도 송전에 적합한 것은 송전 로스가 발생하기 쉬운 상황에 있기 때문이다. 가선 전압이 600V와 1500V 등으로, 전력망의 초고압(50만V, 27만5,000V 등)과 교류전화의 철도(2만V, 2만5,000V 등)보다도 훨씬 낮다. 낮은 전압으로 전차를 움직이려면 전류를 늘려야 하고(수 kA) 전류의 크기에 비례해 송전 로스가 커진다.

철도종합기술연구소의 시산에 따르면, 열차 수가 비교적 많은 선구일 경우, 초기 코스트와 냉동기의 운용 코스트를 공제해도 케이블 길이가 1km 정도 이상 있다면 메리트가 더 많다고 한다. 도입 당초에는 기존의 송전선에 병렬로 접속하면, 전류는 자연스럽게 초전도 케이블 측을 통과. 문제가 발생했을 때에는 원래의 송전선을 사용할 수 있기 때문에 원활한 전환이 가능하게 된다.

또한, 변전소 수를 줄여 설비 및 보수 코스트를 크게 줄일 수 있다. 복잡한 선구에서는 송전 로스로 인해 전압이 떨어지는 현상 때문에 2~3㎞마다 변전소가 설치되어 있지만, 초전도 케이블로 멀리까지 충분한 전력을 보낼 수 있게 되면 변전소를 집약할 수 있다. 철도종합기술연구소에 따르면, 일본 내 민영 철도의 71%, JR 재래선의 36.4%가 직류 전화 구간이라고 한다.

-- 액체 질소가 케이블을 통과 --
초전도 송전 케이블에는 비스무트계나 이트륨계의 고온 초전도체가 사용된다. 케이블 안에 고온 초전도체의 통전층과 냉각을 위해 액체 질소가 흐르는 공극층을 설치. 또한 외측을 단열층으로 한다. 공극층을 2층으로 만들어 액체 질소를 케이블의 한쪽 끝에서 반대쪽 끝으로 왕복시키는 경우가 많다.

철도에서는 차량이 가속할 때 큰 전류가 발생한다. 타행(惰行) 시나 정지 시에는 전류가 없고, 브레이크 시 회생 브레이크로 인해 역방향의 큰 전류가 발생한다. 이러한 큰 변동이 오류를 일으키지 않는지를 확인하는 것이 이번 실증 실험의 포인트이며, 거의 실증이 완료된 상황이라고 볼 수 있다. 남은 과제는 케이블의 길이이지만, 1.5 km 정도의 케이블에 대한 검증이 현재 진행되고 있다.

마지막으로 남은 과제는 실제 도입에 입각한 설계 검토이다. 어느 지점에 초전도 케이블을 도입하는가에 따라 냉동기의 규모, 케이블 부설 방법 등이 바뀌기 때문에 현장이 확정되지 않으면 상세한 검토가 이루어지지 않는다. 메리트를 평가해 철도 회사가 도입을 단행할 수 있을지 여부가 포인트라고 할 수 있는 단계에 있다.

-- 액체 질소를 취급하는 공장에서 송전 실증 --
전력망으로의 응용에 관해서는 전력회사 등이 2000년대부터 실증 실험을 추진, 수백 미터의 케이블을 사용한 사례도 있지만, 그 다음 개발이 진행되고 있지 않고 있다.  철도만큼 메리트가 명확하지 않았기 때문으로 보인다.

메리트를 얻는데 있어서 유리한 시도 중 하나로 2020년부터 2021년에 걸쳐 BASF 재팬(도쿄)의 도츠카(戶塚)공장(요코하마 시)에서 설비의 전원 계통에 초전도 케이블을 도입해 검증한 사례가 있다. 공장 내에서 액체 질소를 가스화할 때에 폐기한 냉열을 초전도 케이블의 냉동에 활용했다. 구(舊) 쇼와전선케이블시스템(현 SWCC, 가와사키)이 개발한 3상 동축형 케이블과 BASF제 단열재가 사용되었다. 송전 로스를 95% 이상 줄일 수 있다는 전망이 섰고, 이산화탄소 배출 저감 효과를 확인할 수 있었다고 한다.

전력망으로의 응용이 추진되기 어려운 이유 중 하나로 ‘교류 손실’이 있다. 교류에서는 전류의 주위에 변화를 수반하는 자계가 생기고, 이것이 초전도체에 작용해 소량의 로스가 발생한다.

이 교류 손실을 줄일 수 있는 초전도 케이블 개발도 진행되고 있다. 교토대학 대학원의 아메미야(雨宮) 교수, 후루카와전기공업(古河電気工業), 후루카와전기공업 계열사인 미국의 슈퍼파워(SuperPower)는 2023년 9월, 기존보다 교류 손실을 10분의 1로 줄이면서 대전류가 통과할 수 있는 ‘SCSC 케이블’을 개발했다고 발표했다. 개발 목적은 초전도 코일을 제작해 초전도 모터나 초전도 자기에너지 저장 장치 등에 응용하는 것으로, 송전 용도는 아니지만 직경 4mm의 SCSC 케이블에 1kA라는 큰 전류를 통과시킬 수 있었다고 한다.

■ 초전도 송전
<기술의 개요>
- 전기저항이 없는 초전도 케이블로 송전
- 케이블에 액체 질소를 통과시켜 초전도 상태를 유지
- 저압 및 대전류의 철도 직류 전화 구간에서 실증 추진

<활용 이미지>
- 철도의 기존 설비에 병설해 송전 로스를 최소화
- 철도의 변전소 수를 줄여 설비와 보수 코스트를 절감
- 냉열을 취급하는 공장의 전력 계통에 도입해 송전 로스 감소

<주요 국내 업체>
- 철도총합기술연구소
- NEDO
- SWCC
- 교토대학
- BASF재팬
- 후루카와전기공업

<확대를 위한 과제>
- 초전고 케이블의 장척화
- 냉동기의 효율화
- 교류 전송에서의 케이블 특성 개선

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei XTECH] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.