전기전자/정보통신

닛케이 일렉트로닉스_2605호 (p48-51)

제3부: 초전도 송전
철도에서 진전되는 초전도 송전 실증
손실 저감보다 변전소 축소가 핵심

초전도 송전은 송전망의 손실을 줄일 수 있는 기술로 국내외에서 오랫동안 기대를 받아왔지만, 아직 널리 보급되지는 않았다. 철도 전력 공급을 목표로 초전도 송전 연구개발을 추진하고 있는 철도종합기술연구소는 손실 저감뿐 아니라 변전소 축소 등 여러 장점을 고려한 검토를 진행하고 있다.

철도종합기술연구소(철도총연, 도쿄)가 시즈오카현 미시마시에서 이즈시를 연결하는 이즈하코네철도 슨즈센(駿豆線)에 ‘초전도 급전 시스템’을 설치해 실증 실험을 진행하고 있다. 이미 안정적인 송전이 가능한 것을 확인했다. 이상적인 송전 기술로 평가받는 초전도 송전이 철도와 궁합이 좋다는 점을 활용해 추가 실증을 진행할 예정이다.

초전도 송전은 송전선의 손실을 줄일 수 있는 기술로 오랫동안 주목받아 왔다. 구리 등으로 만든 전선은 드물지만 전기 저항을 갖고 있기 때문에 발전소에서 수요 장소로 전기를 전달하는 동안 수% 수준의 송전 손실이 발생한다고 한다. 일정 온도 이하로 냉각하면 전기저항이 제로가 되는 초전도 케이블을 사용하면 이러한 손실을 줄일 수 있다.

다만 철도총연이 초전도 송전의 실용화를 추진하는 가장 큰 이유는 이것과는 별개라고 한다. “송전 손실 저감이나 회생전력의 효율적 활용이라는 장점도 있지만, 가장 큰 이점은 변전소를 줄일 수 있다는 점이다.” 철도총연 부상식철도기술연구부 도미타(富田) 부장은 철도의 전력 공급에 초전도 송전을 사용하는 장점을 이렇게 설명했다.

-- 1년 동안 안정적인 송전 --
초전도 급전 시스템을 설치한 곳은 이즈하코네철도 슨즈센의 오히토역(시즈오카현) 주변이다. 철도총연은 2025년 10월, 1년 이상에 걸친 실증을 통해 약 4만 대의 영업 열차에 전력을 공급했다고 발표했다. 가동을 시작한 것은 2024년 3월이다. 초전도 케이블은 계절이나 시간대에 관계없이 안정적인 냉각 성능과 송전 능력을 유지했으며, 1년 동안 한 번도 고장이 없었다고 한다. 2026년 3월 초 시점에서는 계획 정비를 위해 가동을 일시 중단했지만, 점검 후 다시 가동을 재개할 예정이라고 한다.

철도총연은 고온 초전도 선재를 감아 제작한 초전도 케이블을 개발해 실증시험에 사용했다. 케이블은 진공 단열 이중관 구조로, 약 -196℃ 이하의 액체질소를 냉매로 사용해 초전도 상태를 유지한다. 냉각 시스템으로 냉각된 냉매는 케이블 단면 중앙의 왕로(往路, 가는 길)를 통과하고, 반환 지점에 도달하면 이번에는 케이블 주변의 복로(復路, 오늘 길)로 들어간다. 그리고 다시 냉각 시스템으로 돌아가는 구조다.

길이 102m의 초전도 케이블로 동작을 확인했다. 보통 변전소가 공급하는 직류 1500V 전력은 먼저 ‘급전선’으로 공급되고, 그 급전선에서 열차의 팬터그래프가 접촉하는 ‘트롤리선’으로 공급된다. 실증시험에서는 기존에 있던 급전선과 초전도 케이블을 병렬로 접속하고, 기존 급전선을 남긴 상태에서 초전도 케이블을 통한 전력 공급을 시험했다.

그 결과, 약 1년 동안 계절에 관계없이 초전도 상태를 유지하면서도 매일 전류 변화가 거의 동일해 안정적인 전력 공급을 실현할 수 있었다.

철도총연은 이즈하코네철도 슨즈센뿐 아니라 JR동일본 중앙본선에서도 실증시험을 실시했다. 길이 408m의 초전도 급전 시스템을 히노역(도쿄)과 도요다역(도쿄) 사이의 일부 구간에 설치하고, 하행선에서 전력 공급을 확인했다. 2025년 3~4월이라는 비교적 짧은 기간이지만, 첫차부터 막차까지 여러 영업 열차에 전력을 공급하는 실적을 얻었다.

이 시험도 슨즈센과 마찬가지로 급전선과 병렬로 초전도 케이블을 설치했다. 여러 열차가 가속할 때는 최대 4500A의 전류를 공급하고, 감속 시에는 최대 2889A의 회생전류가 열차에서 급전선으로 흘렀다. 초전도 케이블 양쪽 끝에서는 전위차가 거의 발생하지 않아, 혼잡한 도심에서도 초전도 케이블로 전력을 공급할 수 있음을 확인했다.

철도총연이 급전선과 초전도 케이블을 병렬로 연결한 것은 현재 설비를 크게 바꾸지 않아도 되기 때문이다. 상(常)전도체인 급전선과 병렬로 연결하면 전류는 전기저항이 더 작은 초전도 케이블 쪽에 집중된다. 도미타 부장에 따르면, 이는 실증하는 데는 문제가 없는 시스템 구성이며, 영업 노선을 운행하는 철도사업자에게도 유리했다.

또한 실증시험에서는 초전도 케이블을 급전선 측에만 설치하고, 전류가 변전소로 되돌아가는 레일 측에는 설치하지 않았다고 한다. “만약 에너지 효율을 극대화하려면 급전선 측과 레일 측 모두에 초전도 케이블을 도입하는 것이 바람직하다”(도미타 부장). 하지만 양쪽을 초전도화하면 비용이 증가하므로, 실제 도입 여부는 검토하는 철도사업자의 판단에 달려 있다고 한다.

초전도 급전 시스템의 실용화를 위해 철도총연은 초전도 케이블뿐 아니라 고온 초전도 선재의 소재부터 냉각 시스템까지 관련 기술을 폭넓게 연구개발해 왔다. 이번 발표는 잠재적인 도입처인 철도사업자 등에게 일정 수준의 성과를 보여줬다.

-- 철도와 궁합이 좋은 초전도 송전 --
초전도 송전은 국내외에서 꾸준히 도입이 검토되어 왔다. 가장 큰 관심사는 송전 손실 저감이다. 하지만 지금까지 대규모로 본격 도입된 사례는 거의 찾아보기 어렵다. 손실 저감을 통해 얻은 이점이, 설비 도입에 소요되는 수고와 비용을 상회해야 하기 때문이다. 현재도 대부분이 실증시험 단계에 머물러 있는 것이 현실이다.

초전도 선재에서는 자기 히스테리시스 특성 등에 기인한 교류 손실이 발생한다는 것이 알려져 있다. 전력계통의 송전선은 주로 교류 전력을 다루기 때문에 초전도 송전의 도입을 어렵게 만드는 요인이 되고 있다.

그 점에서 철도에서는 많은 노선이 직류 송전을 사용한다. 철도총연에 따르면, 재래선의 전철 구간 중 직류 전철화 비율은 JR선이 약 66%, 사철선이 약 90%에 달한다. 직류 송전에서는 앞서 언급한 교류 손실이 발생하지 않기 때문에 초전도 송전의 장점을 효율적으로 활용할 가능성이 있다.

열차의 운동에너지를 전기로 변환하는 회생전력이 발생하는 것도 철도에 초전도 송전을 적용하는 장점이다. 회생이란, 열차가 감속할 때 모터를 발전기로 사용해 급전선으로 전력을 되돌려 보내는 동작을 말한다. 근처에 다른 열차가 있으면 전력을 효율적으로 활용할 수 있다.

이때 다른 열차가 멀리 떨어져 있으면 회생전력을 효율적으로 활용하기 어렵다. 급전선의 전기저항으로 인해 회생전력이 감소하기 때문이다. 그 점에서 초전도 송전은 회생전력을 비교적 먼 열차에 전달할 수 있기 때문에 전력 효율의 개선에 기여할 수 있다.

-- 최대 장점은 변전소의 축소 --
하지만 도미타 부장이 초전도 송전의 가장 큰 장점으로 꼽는 것은 철도에 전력을 공급하는 변전소를 줄일 수 있다는 가능성이다.

급전선의 전압은 변전소와 변전소 사이를 아래쪽 꼭짓점으로 하는 V자 형태라고 한다. 열차가 많을 때는 전압 강하가 커지기 때문에, 예를 들어 “아침, 저녁의 혼잡한 시간대에는 직류 1500V가 약 1100V 정도로 떨어질 위험도 있다”(도미타 부장).

전압 강하를 해결하기 위해 변전소를 늘리는 방안도 있지만, 대형 설비를 증설하려면 특히 도시 지역에서는 막대한 건설 비용이 발생한다. 설치 장소에 따라 차이는 있지만, 변전소 건설 비용은 도시 지역에서 20~30억 엔 정도가 든다고 한다.

이때 대안이 될 수 있는 것이 초전도 송전이다. 급전선의 일부에 초전도 케이블을 도입함으로써 그 사이의 전압 강하를 억제할 수 있다. 초전도 급전 시스템이 변전소 건설 비용보다 저렴하다면 철도사업자에게는 도입 동기가 될 수 있다.

설비의 설치 면적이 작다는 점도 초전도 급전 시스템은 유리하다. “변전소는 비유하자면 유치원 운동장 정도의 크기지만, 냉각 시스템은 가로세로 약 4m 정도면 충분하다. 유지보수도 쉬워진다”(도미타 부장).

실증시험 결과를 바탕으로 철도총연은 앞으로 초전도 케이블의 장거리화를 추진한다. 앞서 언급한 JR동일본 중앙본선 실험에 적용한 케이블은 408m였지만, 철도사업자들은 예를 들어 1km급 제품을 요구하고 있다고 한다.

또한 고온 초전도체의 소재 자체와 냉각 시스템 등에 대한 연구도 추진하고 있다. 현재 주류인 고온 초전도 선재는 세라믹 박막으로 만든 테이프 형태다. 구리선에 비해 약하기 때문에 여러 가닥을 꼬아서 사용하기가 어렵다. 선재의 권선 방식이나 굽힘 방식에 따라 통전 특성이 변할 수도 있다고 한다. 따라서 용도를 고려한 선재 개발이 중요하다고 도미타 부장은 설명한다.

 -- 끝 --
 

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