한국전력 사보 컬럼 마감

계간지로 한국전력 사보 쓰던 일을 이번달로 마감을 하기로 했다. 

학교를 떠나기에 또 어떤 일이 있을지 모르고 글감도 매번 생각하기도 쉽지 않을 듯 하여...

아직도 수능 감독을 하셨냐는 인사에 이제 내가 마감할 때가 되었다는 생각을 한다. 

그래. 이제 60을 지나 63세로 가고 있으니 옛날 생각하면 할머니 나이이다. ㅋㅋ

그러나 아직은 무엇이든 할 수 있을 거 같은 마음이 된다. 

아니 더 중요한 일이 많으니 빨리 할 일을  해야 한다는 쫓김도 느낀다. ㅎㅎ

 

여행도 해야 하고, 친구들과도 놀아야 하고....

지금 못하면 나중에 하면 되는  것이고 

못하게 되면 또 못하면 마는 것이지만...

이제 좀 여유있게 살아야지....ㅋㅋㅋ

 

1. 1-2월 안전한 전기 사용법
https://home.kepco.co.kr/kepco/front/html/WZ/2023_01_02/sub3_6.html

 

2. 3-4월 돈이 되는 정전기 유도
https://kepcowebzine.co.kr/webzine/vol52/sub3_6.html

 

3. 2023년 5-6월 - 에너지하베스팅

https://kepcowebzine.co.kr/webzine/vol53/sub3_6.html

 

 

4. 2023년 7-8월 - 연료전지

https://kepcowebzine.co.kr/webzine/vol54/sub3_6.html

 

5. 2023년 9-10월-  소비전력

https://kepcowebzine.co.kr/webzine/vol55/sub3_6.html

 

 

 

6. 2023년11-12월-초전도체

https://kepcowebzine.co.kr/webzine/vol56/sub3_6.html

 

초전도체로 손실 없는 에너지 전송

 

임성숙(매원고 교사)

 

최근 꿈의 물질, 상온 초전도체의 발견에 대한 뉴스로 시끌시끌했다.

상온 초전도체가 개발된다면 전력 효율이 획기적으로 늘어나 에너지 문제가 해결될 것이다. 의료, 통신, 항공 등 각 분야에서 에너지 전송과 저장, 그리고 전자기기의 작동방식을 변화시킬 것으로 기대된다. 에너지 효율성 향상에 대한 문제는 또한 기후 위기 문제도 해결할 것이다. 초전도체는 무엇이고 어떻게 활용되는가를 알아볼 필요가 있을 것이다.

 

초전도체가 뭐지?

초전도체는 전기 저항이 거의 제로가 되어 전압이 없어도 전기는 계속 흐르는 물질이다. 컴퓨터를 비롯한 전자제품의 전원을 오래 켜 놓으면 뜨거워지는데 이는 전자가 원자핵과 부딪히면서 열을 발생하는 것을 보여준다. 그런데 초전도체를 사용하면 전류가 저항 없이 흐르기 때문에 전력 손실이 거의 없어 전력 손실을 크게 높일 수 있다.

초전도체는 1911년 네덜란드의 과학자 오네스(Heike Kamerlingh Onnes)가 절대 온도 4.2K(-268.8˚C)의 극저온 상태에서 수은의 저항이 완전히 0이 되는 현상을 발견하였다. 이러한 초전도 현상은 전자가 쌍으로 묶여 행동하게 되면서 방해 없이 흐르는 것처럼 행동하며 에너지 손실 없이 흐르는 것을 보여주는 현상이다.

그 이후로 계속 연구하여 1987년, 약 20배나 높은 온도에서 초전도 현상을 보이는 고온 초전도체 물질을 발견하였다. 초전도체는 아직 상용화되기에는 어려움이 있으나 미래의 우리 생활을 바꿀만한 획기적인 발견으로 계속 연구할 가치가 있다. 1911년 이후 5번이나 노벨상을 수상한 기술이다.

초전도체는 현재는 상온에서 초전도성을 띠지 않는다. 초전도체를 액체질소(-196℃)에 넣어 온도를 낮춘 후, 자석 위에 올려놓으면 초전도체가 둥둥 떠있는 것을 볼 수 있다. 이는 초전도체 내에 자기장이 발생하고 이는 자석의 자기장을 상쇄하면서 자기장이 0에 이르는 현상 때문이다.

 

 

  그림과 같이 자석 위에 떠 있는 마이스너 현상을 볼 수 있다. 마이스너 효과에 의해 생성되는 자기력은 무척 크기 때문에 무거운 열차까지도 뜨게 할 수 있다. 기차가 떠서 달리는 자기부상 열차의 원리를 미루어 짐작할 수 있다. 그러나 초전도성은 현재는 고온초전도체라 하여도 77k(-196℃)를 유지하여야 초전도성이 유지가 된다. 일반적으로 초전도체를 활용하기에는 아직 경제성이 떨어진다.

  초전도체가 어디에 쓰이지?

  초전도체는 실생활에서 벌써 많이 쓰이고 있다. 병원에서 뇌와 관절 등의 부위를 정교하게 촬영할 때도 쓰이고 대규모 데이터 센터, 전력발전소, 변전소 등에는 전력 효율을 높이기 위해 초전도체 전력케이블을 사용한다. 또한 양자컴퓨터, 핵융합발전, 인공지능 등의 첨단기술 개발에도 사용된다.

  자기공명영상법(MRI) 원리부터 알아보자. MRI는 생체 조직의 자기적 성질을 이용한다. 특히 뇌를 비롯한 사람의 몸은 대부분이 물이기 때문에 많은 수소 원자가 있다. 수소 원자 안에는 (+) 전하를 띤 양성자가 팽이처럼 축을 중심으로 자전하고 있다. 이때 강한 자기장을 걸어주면 모든 수소 원자의 양성자 자전축을 한 방향으로 정렬시켜줄 수 있다. 양성자의 자전축이 자기장과 평행한 상태가 되면 RF코일(Radio Frequency coil)이라고 하는 고주파 전파를 보내준다. 이 주파수가 만드는 신호에 의해 체내 수소양성자의 분포를 알아볼 수 있게 되는 것이다.

이처럼 MRI가 작동하는데 강한 자기장이 필요한데 보통의 영구자석으로 이런 세기의 자기장을 생성하려면 그 크기가 너무 커지고 또 너무 무겁기 때문에 전자석을 이용한다. 강한 자기장을 만들기 위해 코일 주변에 –269℃의 액체 헬륨을 두른 초전도 자석을 쓰는 것이다.

만약 상온초전도체가 있다면 초저온 상태를 유지하기 위해 고가의 액체 헬륨을 지속적으로 투입하지 않아도 되니 싸게 MRI를 사용할 수 있을 것이다.

 

 

그리고 초전도체를 이용한 자기부상열차, 초전도체 자동차 등의 개발에 사용할 수 있으며 핵융합발전, 양자컴퓨터, 전력변전소 등에 사용될 수 있다.

자기부상열차란 기차가 레일에서 떠서 달리는 열차로 마찰을 최소화할 수 있는 것으로 서로 다른 극성의 자석이 서로 밀어내는 힘을 이용한 것이다. 초전도체는 전류가 저항없이 흐르는 물질로 강력한 자기장을 생성할 수 있어 기차를 레일에서 떠서 달리게 할 수 있는 것이다. 자기부상열차는 마찰이 적기 때문에 기존의 열차보다 빠르게 운행할 수 있고 소음도 적다. 그러나 초전도체 자석을 사용하려면 초기 비용 및 유지 관리에 돈이 많이 들어 상용화하기에 어려움이 있다.

 

가정으로의 전기에너지 수송

발전소에서 만든 전기는 어떻게 각 가정으로 보내질까? 발전소에서 전기를 송전탑을 거쳐 변전소까지 전력을 보내는 과정을 송전이라고 한다. 전기를 보낼 때 전압을 높여야 전류가 전선을 통해 흐를 때 손실되는 양을 최소화할 수 있다. 전선에 전류가 흐르면 열이 발생한다. 전선은 저항이 작은 금속, 구리 같은 것으로 만들어지지만 전선에 흐르는 전류가 증가하면 열이 많이 발생하고 그만큼 소모되는 전기에너지가 많아진다. 전력 손실을 줄이려면 전류의 세기를 줄이거나 전선의 저항을 줄여야 한다.

그림과 같이 발전소에서 생산된 전기에너지는 고압으로 승압되어 송전선을 통해 가정이나 공장으로 공급된다. 발전소에서 아주 높은 전압으로 송전한 후, 소비지역에서 전압을 낮추어 사용함으로써 송전 과정에서 전력손실을 줄이고 있다.

 

 

 

고전압으로 송전하는 까닭은 무엇일까? 손실전력(전압×전류=저항×(전류)2)은 송전선의 저항에 비례하고 전류의 제곱에 비례하므로 손실전력을 줄이려면 전선의 저항이나 전류의 세기를 줄여야 한다.

송전선의 전기 저항은 송전선이 굵을수록 작아지는데 송전선이 굵어지면 무게가 무거워져서 송전탑을 설치할 때 드는 비용이 늘어난다. 따라서 전기 저항보다는 전류의 세기를 감소시켜 전력손실을 줄이는 것이 더 효율적이다. 전압을 높이면 전류의 세기가 감소하므로 높은 전압으로 송전하는 것이다.

효율적인 전력수송을 위해 고전압이 필수적이지만, 안전과 관련한 추가 비용이 많이 들게 된다. 또 송전 구간마다 전압이 다르면 선로를 여러 개 만들어야 하는 단점이 있다. 이러한 불편을 없애기 위해 우리나라는 송전망으로 765kV, 345V 등과 같은 표준전압을 사용하고 있다.

이러한 교류 송전 방식이외에 직류송전 방식이 있다. 직류 송전은 교류 전력을 직류로 변환하여 보내는 방식인데 송전 중의 손실이 적고 절연이 용이하여 송전 효율이 좋다. 그러나 발전기에서 생산한 전압을 변환시키는데 어려움이 있고 직류와 교류의 변환 과정에서 고조파가 발생하는 등의 기술적 한계로 인해 이전에는 잘 쓰이지 않았다. 최근 기술의 발달로 직류 송전의 한계가 극복되면서 장거리 송전, 해저 케이블 송전에 많이 쓰이게 되었다.

 

초전도 케이블과 경제적이고 안전한 송전

전기를 점점 더 많이 사용하게 되면서 전기가 이동되는 전력케이블이 점점 굵어지게 되는데 땅속에 전력케이블을 더 묻기도 어렵다. 전력손실도 줄이고 전력케이블의 굵기를 줄일 수 있는 방법으로 초전케이블에 대한 연구를 해왔다. 초전도케이블을 사용될 수 있다면 전력손실 없이 대용량의 전력을 전송할 수 있다. 초전도체 전력케이블은 기존의 전력케이블에 비해 전력손실이 훨씬 적기 때문에, 전력 효율을 크게 높일 수 있다.

초전도케이블은 극저온에서 전기 저항이 0에 가까이 떨어지는 초전도현상을 응용한 기술로 기존 케이블보다 낮은 전압으로 전력을 보낼 수 있는 케이블이다. 송전 중 전기손실이 10분의 1로 적어 초전도케이블 1가닥은 구리케이블 10가닥 만큼의 송전이 가능하여 공사 유지비용도 절감할 수 있다.

초전도케이블에는 송전에 초전도체를 사용한다. 현재 사용하는 고온 초전도체는 영하 196℃로 냉각할 수 있는 액체질소가 케이블을 냉각시킬 수 있도록 설계해야 한다. 이를 이용하면 대용량 전력을 전력 소모 없이 송전할 수 있다. 만약 상온 초전도체가 있다면 지금과는 비교될 수 없을 정도로 효율적으로 전송되고 이용될 수 있을 것이다.

 

 

상온 초전도체가 활용될 수 있다면 전기차와 고속철도에도 초전도 기술이 적용된 모터로 인해 에너지 효율이 높은 꿈의 교통수단이 나올 것이다. 양자 컴퓨터가 일반화되어 개인 용도로도 사용할 수 있어 게임도 할 수도 있을 것이다. MRI와 고급의료기기도 싸게 사용할 수 있을 것이며 전자기기의 작동방식을 변화시킬 것으로 기대된다. 상온초전도체의 개발은 아직은 어렵다는 것이 일반적이지만 도전적으로 연구하고 개발한 과제임에는 분명하다.