미래에 변전소가 사라지는 이유 : 과학향기 Story : KISTI의 과학향기

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미래에 변전소가 사라지는 이유

<KISTI의 과학향기> 제727호 2008년 03월 03일

올해 초 전봇대가 ‘불필요한 정부 규제’의 상징으로 떠오른 적이 있다. 이명박 대통령이 전남 영암군 대불산업단지의 전봇대를 탁상행정의 예로 들었기 때문이다. 그 전봇대는 이틀 만에 뽑혔지만 주변 가로등은 그대로 둬 실제로 도움이 안 됐다는 웃지 못할 후문이 들려온다. 보기에도 좋지 않고, 안전 위험도 있어서 도심에서는 전봇대 대신 지하에 전력케이블을 묻어 사용한다.

전봇대나 전력케이블은 발전소에서 생산한 전기를 이송하기 위한 설비다. 발전소에서는 생산한 전기를 20만~80만V의 초고압으로 바꾼 뒤 초고압선을 통해 각 지역의 변전소로 보낸다. 변전소는 받은 전기의 전압을 대폭 낮춰 가정, 사무실, 공장 등에 보낸다. 가정 근처에 달린 변압기는 다시 전압을 220V로 낮춘다.

발전소에서 전기를 보낼 때 초고압으로 바꾸는 이유는 전기 손실을 줄이기 위해서다. 구리는 전기를 잘 통하지만 그래도 약간의 전기저항을 갖고 있다. 전류가 많이 흐를수록 열이 발생하고, 그만큼 전기 에너지가 손실된다. 전기를 초고압으로 보내면 동일한 전력을 보낼 때 전류의 크기가 작아지기 때문에 에너지 손실을 줄일 수 있다. 하지만 이렇게 해도 발전소에서 가정까지 오는 동안 전기의 약 4.3%가 열로 사라진다. 우리나라의 전기 생산 원가로 계산하면 연간 5000억원이나 된다.

이런 이유로 ‘초전도케이블’이 구리선의 대안으로 주목받고 있다. 초전도케이블은 구리 대신 전기저항이 없는 초전도체를 사용한다. 초전도케이블을 쓰면 열로 손실되는 전기가 없어져 전기 생산 비용이 절감된다. 또 발전소에서 전기를 보낼 때 굳이 초고압으로 바꿀 필요가 없어 변전소와 변압기를 세울 비용도 절약할 수 있다.

초전도케이블의 장점은 여기에서 그치지 않는다. 도심의 전력 요구량에 맞춰 전력 케이블을 계속 추가하면서 도심의 지하 공간은 거의 한계에 이르렀다. 더 이상 전력 요구를 감당하기 힘들다는 뜻이다. 초전도케이블은 기존 구리케이블보다 굵기는 3분의 1에 불과하고, 송전 용량은 5배 이상 크다. 구리케이블이 있던 공간에 초전도케이블을 바꿔 넣는 것만으로 도심의 전력 공급 문제가 해결된다.

초전도케이블의 핵심은 전기를 전송하는 초전도체다. 초전도체는 1911년 네덜란드 레이던대 카멜린 온네스 교수에 의해 처음 발견됐다. 온네스 교수가 온도를 낮추면서 수은의 전기저항을 측정하자 놀랍게도 영하 267℃에서 수은의 전기저항이 없어졌다. 이렇게 저항이 없어지는 온도를 ‘임계온도’라고 한다. 순수 원소의 경우 납, 주석 등 25종의 원소에서 초전도 현상이 나타났다.

절대온도(영하 273℃)에 가까운 저온에서 초전도현상이 일어나는 이유는 BCS이론으로 설명한다. 도체에는 원자의 간섭을 받지 않고 맘대로 움직이는 ‘자유전자’가 있어 전기가 흐른다. 자유전자들은 움직이다가 서로 충돌하는데 이 때 전기저항이 생긴다. 하지만 절대온도 부근에서 모든 전자는 둘씩 쌍을 지어 움직이기 때문에 전자 사이에 충돌이 일어나지 않아 전기저항이 사라진다. BCS이론은 ‘원자들의 진동’이 전자끼리 쌍을 이루게 하는 힘이라고 설명한다.

그 뒤로 과학자들은 임계온도가 높은 초전도체를 만들기 위해 노력했다. 이른 바 ‘고온초전도체’다. 전기저항이 없다는 점은 매력적이었지만 이를 구현하는 온도가 너무 낮아 실생활에 응용하기 힘들었기 때문이다. 초기에는 주로 금속합금에서 고온초전도체가 발견됐고, 그 뒤로 산화물과 유기물에서도 발견돼 현재 수천 종에 이른다. 이중 산화물 초전도체는 최고 영하 120℃의 높은 온도에서 초전도현상을 보여 가장 주목받고 있다. 이들은 상대적으로 값싼 냉매인 액체질소(영하 196도) 속에서도 초전도 효과를 보인다.

초전도케이블은 ‘매우 긴 진공보온병’처럼 생겼다. 구리심을 중심으로 초전도체가 몇 겹으로 둘러싼 것이 전선 역할을 한다. 이 전선 세 가닥을 다시 견고한 ‘진공보온병’이 둘러싸고 있다. 그리고 진공보온병에는 속에는 액체질소가 들어있다. 온도가 올라가면 초전도 효과가 없어지기 때문에 ‘진공보온병’은 외부와 온도가 완전히 차단돼야 한다. 또 지진, 충격 등으로 파손돼 액체질소가 새 나오지 않도록 설계한다.

미국은 올해부터 뉴욕의 일부 구간에, 일본은 2010년 도쿄의 일부 구간에 초전도케이블을 설치해 시험 운영에 들어갈 예정이다. 우리나라에서는 한국전기연구원 초전도기기연구그룹이 LS전선(주)과 공동으로 초전도케이블을 개발하고 있다. 지난 해 국제 공인 시험에 통과했고, 올해에는 송전망에 직접 투입해 성능을 시험할 예정이다. 미국과 일본보다 10년 늦게 초전도케이블 연구에 뛰어들었지만 현재 거의 대등한 기술 수준에 와 있다고 한다.

꿈의 기술이었던 초전도기술이 우리 옆으로 바짝 다가왔다. 수년 내에 초전도케이블이 상용화되면 거추장스러웠던 전봇대를 비롯해 지금까지 사용하던 송전설비는 서서히 사라질 것이다. 고품질의 전기를 더욱 싸고 풍부하게 공급받을 수 있다. 초전도기술이 바꿀 미래를 기대해 보자. (글 : 김정훈 과학칼럼니스트)

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김용우

평점 별 5점

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무손실이...실용화만된다면 대박이네요, 과학 향기를 통해서 또 하나의 새로운 지식을 얻어가네요 고맙습니다~!^^

2009-04-09