▲ 그림설명:완성된 차세대 플라이휠 축전시스템     © 특허뉴스

야마나시현(山梨県) 및 철도종합연구소는 초전도기술을 구사하여 재생가능에너지의 발전변동을 흡수할 수 있는 “차세대 플라이휠 축전시스템”을 개발하였다. 현재 가동하고 있는 1MW 태양광발전과 연결한 전력계통 접속에 의한 실증을 개시하였다. 초전도를 사용한 플라이휠 축전시스템을 실제로 전력계통에 접속하여 실증하는 것은 “세계 최초”이다. 이번에 실증 가동을 개시한 “차세대 플라이휠 축전시스템”은 야마니시현과 철도종합연구소, 쿠보타, 고가전기공업, 미라프로가 참가한 신에너지산업기술종합개발기구의 “안전, 지비용 대규모 축전시스템 기술개발” 프로젝트에서 개발한 것이다.
야마나시현에서 건설 중이던 실증시설이 완성되어 야마나시현이 운영하는 코메쿠라산(米倉山) 대규모 태양광발전소와 전력계통에 연계시켜, 변동이 큰 재생가능에너지의 안정도입을 향한 실증시험을 수행하였다.
플라이휠 축전시스템은 전력을 사용하여 원반형의 플라이휠을 회전시킴으로써 전기에너지를 운동에너지로 변환하여 저장(충전)하는 구조이다. 회전축에는 발전전동기가 있으며, 반대로 전력을 이용할 때에는 회전하고 있는 운동 에너지에 의해 발전하고, 전력으로 변환(방전)할 수 있다. 축전하는 수단으로서는 리튬이온전지 등으로 대표되는 이차전지가 주목을 받고 있으나, 이차전지는 화학반응을 활용한 축전방식이므로 충방전 사이클을 반복하면 노화되므로, 충분한 충전과 방전이 될 수 없게 된다. 또한 짧은 시간에 충전과 방전을 수행하도록 하는 응답성능 등에도 한계가 있다. 한편 플라이휠 축전시스템은 전력을 모터를 통하여 물리적 운동 에너지로 변환하는 것뿐이므로 회전기구에 의한 에너지 손실은 기구의 물리적 노화를 억제할 수 있다면 충방전사이클에 대해서는 이론적 한계가 없다. 또한 응답성에 대해서도 응답을 기다리는 이차전지와 비교하여 짧은 시간에 큰 힘을 낼 수 있다.
이들 특성을 살려 변동폭이 큰 재생가능 에너지의 “변동을 안정화시키는 기술”로서 실증실험을 추진한다. 축전시스템이라는 이름이지만, 야간전력을 저장하는 장주기의 전력이용이 아닌, 출입이 많은 단주기의 “전력 안정화”시스템이다. 앞으로 일본에서 재생가능 에너지의 비율이 높아지면 전력공급의 변동폭은 대단히 크고, 전력계통으로의 부담은 커질 것이다. 이것을 방지하기 위해서는 계통접속의 제한 등이 추진되고 있으나, 전력을 안정화시키는 시스템을 준비할 수 있다면 재생가능 에너지의 비율을 높일 수 있다.

▲ 그림설명:차세대 플라이휠 축전시스템이 하는 역할     © 특허뉴스

2014년 가을에는 큐슈전력을 선두로 재생가능 에너지에 의한 발전시설의 계통접속 보류의 움직임이 전개되었으나, 이것은 재생가능 에너지의 발전량 변동폭이 크다는 것이 요인이다. 현재의 전력 송배전망은 “동시동량의 원칙”이며, 수요와 공급을 항상 일치시킬 필요가 있다. 통상적으로 화력과 수력 등을 활용하여, 수요에 대한 실시간으로 추종할 수 있는 구조를 취하고 있으나, 재생가능 에너지의 비율이 증가하여 더욱 그 변동폭이 추종능력을 넘으면 주파수가 불안정하게 되어 최악의 경우에는 대규모 정전을 발생시킬 가능성이 있다. 차세대 플라이휠 축전시스템은 재생가능 에너지의 급속한 변동을 흡수하고, 느리게 변동함으로써 현행의 시스템에서 수요변동으로의 추종을 가능하게 하는 것을 목표로 한 것이다.
이번 프로젝트는 5개 단체가 역할분담을 수행하고 개발한 것이다. 우선 중심이 되는 초전도 자기축수를 후루카와전기공업과 철도종합연구소가 발전전동기를 철도종합기술연구소가 개발하였다. 또한 회전시키는 CFRP(탄소섬유강화 플라스틱)제 플라이휠을 쿠보테크, 플라이휠을 회전시키는 진공용기를 미라프로가 개발하였다. 야마나시현에서는 이 시스템과 메가솔라를 연계하여 메가솔라의 출력과 전력계통의 정보를 토대로 원활한 계통공급을 수행하는 역할을 담당한다.

▲ 그림설명: 차세대 플라이휠 축전시스템의 개발 부담과 실증기의 이미지     © 특허뉴스

포인트는 초전도기술의 활용과 실린더의 진공화에 의한 물리적 에너지손실을 억제한다는 점이다. 앞에서 말한 바와 같이 플라이휠 축전시스템의 포인트는 전기를 물리적인 운동에너지로 변환하는 것이다. 변환한 에너지를 손실 없이 운동에너지로 유지하기 위해서는 물리적 마찰 등에 의한 저항을 줄이고, 손실을 저감할 필요가 있다. 그러기 위해서는 마찰의 포인트인 축받이 부분에 초전도기술을 채용하여 비접촉으로 회전시키는 구조로 하였다.
초전도란 금속과 금속산화물 등을 저온으로 하였을 때에 전기저항이 제로가 되도록 하는 현상이다. 종래는 극저온을 실현하는 액화헬륨(-269도)이 없으면 실현할 수 없었으나, 액화헬륨은 고가로 양산화가 어렵다. 따라서 액화헬륨보다 고온으로 초전도를 실현할 수 있는 기술을 개발하였다. 또한 플라이휠 측에 초전도자석을 설치하지 않아도 부유를 실현할 수 있는 독자의 초전도 벌크체를 개발하여, 비접촉으로 4톤에 이르는 플라이휠을 6000RPM으로 회전시켰다.
여러 가지 기술에 의해 실현한 차세대 플라이휠 축전시스템이나, 실증실험에서는 이미 야마나시현에서 가동하고 있는 실증실험용 태양광발전소와의 연계를 수행한다. 태양광발전소는 축전시스템을 설치한 코메쿠라산의 메가솔라로 2014년도에 완성하였다. 다결정형 태양전지 3,960매를 설치한 950kW의 태양광발전소와 필름형 아모퍼스 실리콘 태양전지 572매를 설치한 52.6kW의 태양광발전소와 연계한다.<출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>
 

 
 
 
 
 

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