Special Report l HVDC / 업체현황

지멘스·ABB 기술 능가한 기술력확보

LS산전·효성중공업 등 두각

전 세계 HVDC 시장을 외국이 90% 이상 점유학 있는 상황에서 국내 업체들의 선전이 기대된다. 가장 적극적인 업체가 LS산전이다. LS산전이 ABBㆍ지멘스ㆍ알스톰 3개 기업이 95%를 점유하고 있는 세계 고압직류송전(HVDC) 시장의 과점을 깨기 위해 칼을 빼들었다.

LS산전은 지난해 10월 부산에 관련 생산기지를 구축한 것을 기점으로 최근 싸이리스터 밸브 등을 국산화하면서 빠르게 생산기술을 상용화하는 동시에 본격 양산에 나서고 있다. 특히 LS산전은 오는 2019년까지 HVDC분야에서 최대 1조7,500억원의 매출을 올린다는 목표 하에 글로벌 시장 개척에 박차를 가하는 중이다.

이와 관련, 구자균 부회장은 “HVDC는 세계적인 전력수요 급증과 DC 송배전 계통 확대, 신재생에너지 계통연계 등으로 향후 20년간 시장 규모가 10배 이상 증가할 것”이라며 “기술 국산화는 물론 그동안 일부 글로벌 기업이 독점하다시피 해온 HVDC를 적극 육성해 전력산업의 새 역사를 쓰겠다”고 강조했다.

이 같은 구 부회장의 독려에 힘입어 LS산전은 최근 HVDC 부산공장에서 ±250kV/200MW 시스템까지 적용이 가능한 싸이리스터 밸브를 독자 개발하는데 성공했다. 이 제품은 HVDC 시스템의 핵심 설비로 직류와 교류를 자유롭게 변환시켜 전력을 공급해주는 장치다.

아울러 LS산전은 최근 HVDC 변환용 변압기를 제주 금악변환소와 한림변환소에 성공적으로 설치, 제품 공급에 나서고 있다. 이 변압기는 싸이리스터 밸브에 연결해 교류계통 전압을 직류 전압으로 바꿔주고 교류와 직류시스템을 분리하는 데 쓰인다.

이에 앞서 LS산전은 1,100억원을 투자해 지난해 10월 부산 진해 경제자유구역 화전산업단지에 HVDC 생산기지를 구축했다. 이 공장은 1만 1,157여m2(3,375평) 부지에 연면적 5,910m2(1,788평) 규모로 절연시험동과 수변전설비, 전력감시설비 등 각종 설비제어를 담당하는 유틸리티동으로 구성됐다.

이번에 세계시장에 내놓은 제품은 LS산전이 국내 최초로 개발한 HVDC 변환용 싸이리스터 밸브는 HVDC 시스템의 변환설비 중 심장 역할을 하는 핵심적인 설비로 교류를 직류로, 직류를 교류로 변환시켜 교류 계통에 전력을 공급하는 역할을 하는 장치다. 지난해 완공된 HVDC 부산공장에서 최근 개발한 싸이리스터 밸브는 단위 모듈 DC 50kV급 밸브로 ±250KV/200MW 시스템까지 적용이 가능하다. 또 제주-해남간 설치돼 있는 기존 HVDC 밸브와는 다르게 지진에 강하고 설치가 쉬우며 원가 경쟁력을 확보하기 위해 밸브 전체를 건물 천장에 매다는 방식(Suspending Type)을 채택했다.

지난 2009년 HVDC 사업에 진출한 LS산전은 지난해 변환용 변압기를 개발한 데 이어 이번 싸이리스터 밸브 개발까지 완료하며 HVDC 변환소 기자재 비용의 40% 이상을 차지하는 변압기 및 밸브 국산화에 성공했다. 회사측은 이번에 개발된 밸브 기술을 기반으로 DC 250kV 및 500kV급 HVDC 시스템에 적용할 수 있는 싸이리스터 밸브도 계속 개발, 국내는 물론 전 세계 시장 진출도 모색한다는 계획이다.

회사 관계자는 “그동안 선진기업 제품에 대한 벤치마킹과 자체 설계를 통해 개발했으며 부산 공장에서 개발 시험을 진행해 성능을 입증했다”며 “연내에 한국전력공사와 협동연구로 진행하고 있는 HVDC 제주 실증단지에 적용해 실증운전을 통해 검증할 예정”이라고 말했다.

효성중공업, 풍력발전 사업 견인하는 HVDC 개발

효성중공업은 풍력발전 시스템 사업을 육성하기 위해 지난 1990년 말부터 관련 기술 확보를 위한 연구개발에 투자해 왔다. 초고압 변압기 차단기 등 송배전 사업에서 쌓은 노하우와 기술력을 바탕으로 지난 2004년 자체 기술로 750kW급 풍력발전시스템 1호기를 개발하며 국내 최초로 풍력발전시스템 국산화에 성공했다.

2007년에는 2MW급 풍력발전시스템을 개발 완료한 후 약 2년여의 엄격한 국내외 실증을 거쳐 지난 2009년 독일의 풍력발전 인증기관인 데비오씨씨(DEWI-OCC)로부터 국제인증을 받았다. 국내 최고 수준의 기술력을 보유했음을 증명했다.

현재 강원도 태백시에 20MW급 풍력단지 조성과 오는 2012년까지 정선과 삼척 등에 2MW규모 발전시설을 설치할 계획이다. 최근에는 한국동서발전과 강원도 강릉시에 26MW급 풍력발전단지를 건설하기로 하고 강릉시 대기리 일대에 2MW급 풍력발전기 10여기를 설치가동을 앞두고 있다.

육상 풍력에 이어 해상 풍력발전 사업에도 진출했다. 정부의 국가 에너지 기본계획 중 국내 최대 규모인 5MW급 해상 풍력발전 주관 업체로 선정돼 국내 업계 최초로 2012년까지 개발을 완료할 예정이다.

풍력발전의 불규칙한 전력생산량을 효율적으로 해결하는 초고압직류송전(HVDC) 기술 선점에도 나서고 있다. 2010년 9월 국내 최초로 한국전력 신제주변전소와 한라변전소에 스마트그리드 제품인 50MVA 스태콤(STATCOM) 2기를 공급했다.

스태콤은 정지형 무효전력 보상장치로 전기를 송배전할 때 손실정압을 보충해 안정성을 높이는 설비다. 반도체 스위치를 이용한 전송시스템 핵심설비로 풍력·태양광 등 신재생에너지 발전 시 기상상황에 따라 발전량이 급변하더라도 출력전압을 일정하게 유지해 안정적인 전력공급을 지원한다. 이는 유연전송시스템(FACTS)의 핵심 설비로 기술 고도화에 적극 나서고 있다. 시장 초기인 만큼 기술 선점을 통한 시장 진입의 우위를 점하겠다는 전략이다.

효성 관계자는 “지금까지 스태콤은 가격이 비싼 수입 제품에 의존해야 했는데 자체 개발로 수입 대체 효과가 기대된다”며 “스태콤은 올해 국내시장만 약 400억원대의 규모로 수년 내 세계시장 규모가 수조원 이상으로 확대가 예상돼 에너지 관련 미래 사업의 핵심이 될 것”이라고 말했다.

태양 연못(Solar Pond)과 태양 광화학 반응으로 에너지화

태양연못(Solar Pond)은 일종의 태양열 집열체로서 기존의 태양열시스템과 비교하여 보다 적은 비용으로 저온의 열에너지를 얻을 수 있다.

깊이가 2~3M 정도이고 넓이가 수 천m2인 연못의 바닥에 농도가 짙은 소금물을 담아, 대류를 억제하여 표면수의 온도를 낮추고 바닥 온도를 높여 그 열에너지 또는 온도차를 이용하는 것이다.

연못 속에 소금물을 넣어 태양열에 의해 뜨거워진 물이 소금의 농도차에 의해 층이 형성되게 하여 축열을 하는 방식으로 이 물의 온도는 약 70℃ 정도가 되어 계란을 익힐 수 있을 정도의 온도이다.

태양연못은 여름 동안에 태양열을 축열시켜 놓았다가 겨울철에 저장된 열을 이용하여 난방은 물론 높은 바닥온도와 표층의 낮은 온도에 따른 온도차를 이용하여 저온 터빈으로 발전할 수 있는 특징이 있다.

태양연못은 보통 세 개의 층(Layer)으로 나누어지는데 소금물의 밀도에 따라 맨 위층은 밀도가 0～5%인 자연대류층, 중간층은 밀도가 포화상태인 23% 정도에 이르기까지 약 1m 깊이에 걸쳐 구배(Gradient)되어 비대류특성을 갖는 층, 그리고 맨 아래층은 포화하여 있는 대류층이 그것이다.

바닥층으로 도달하는 일사에너지에 의하여 일단 상당한 부피의 온도구배(Tempreture Graident)를 형성하게 되지만, 이 온도구배는 소금물의 밀도구배가 안정할 수 있는 조건을 초과하기 때문에 자연스레 대류가 일어나게 된다. 또한 바닥층은 바로 위에 형성되어 있는 비대류층으로 인하여 외부, 즉 상단으로부터 열적으로 차단되기 때문에 열저장층(Storage Layer)이라고도 불린다. 따라서 저장층은 태양에너지를 받아 우리에게 열원을 제공해주게 되며 그 깊이 등을 조절해 보다 효과적인 운영을 가능케 한다.

연못의 표면층이 대류작용을 하는 것은 외부현상에 노출되어 있기 때문에 바람이 일어난다거나 다른 여러 가지 원인 즉, 비나 눈이 올 때의 경우 혼합현상과 물결현상 등으로 불안정한 상태가 일어나기 때문이다. 이 경우 표면층이 두꺼워지면서 전체 시스템의 깊이에 영향을 주게 되기 때문에 일사에너지의 침투율과 관계, 시스템의 효율저하를 야기시킨다.

이렇게 세 개의 층으로 나누어져 있는 태양연못은 앞의 설명과 같이 층별로 온도분포가 다르게 형성된다. 즉, 상하대류층은 전 두께(깊이)에서 일정한 값을 가지게 되지만, 대류작용이 없는 중간층은 깊어질수록 밀도와 함께 온도도 층화되어 구배를 이루고 있다.

거품의 발생도 대류를 촉진하여 온도차를 교란하기 때문에 바람직하지 못하다. 이 태양연못은 바닥의 열을 뽑아내지 않고 방치해 두면 비등하는 일이 있으나 그것을 사전에 방지하는 기술의 성공으로 값싼 태양열에너지를 대량으로 공급하는데 유망하다.

태양 광화학 반응,

광에너지에 의한 화학적 반응

광화학반응은 오래전부터 광합성반응과 새로운 물질을 합성하거나 기질의 변화를 주는 화학반응으로 많은 연구가 진행됐다. 이러한 광화학반응이 태양에너지를 활용하여 폐수나 대기, 토양 등에 오염된 유독한 유기물질의 산화 분해에 응용되기 시작한 것은 근래이다.

수용액에 용해된 대부분의 유기물질은 스스로는 태양광을 흡수하지 못하고 다른 물질의 도움이 필요하다. 따라서 태양광을 이용하여 수용액상의 유독성 유기물질을 분해하려면 태양광을 흡수하여 변이상태(Transition State)를 거쳐 광에너지에 의한 화학적 반응을 일으키는 데 도움을 주는 보조물이 필요하다.

이와 같은 물질들이 참여하는 화학적 반응을 광화학반응(Photochemistry)이라 하고 광화학반응을 유발하는 필수적인 보조역할을 하는 물질을 광촉매(Photocatalyst)라고 한다.

이러한 광촉매제들은 대개 n형 반도체적 특성을 지니고 있는 것이 많이 사용되고 있다. 이와 같은 광촉매의 역할은 반응의 활성에너지(Activation Allergy)를 낮추어서 유기물질의 산화 반응이 더 빨리 진행되게 도와주는 것이다.

따라서 광촉매가 태양광을 흡수하지 못하고 통과 또는 반사한다면, 광에 의한 반응은 발생할 수 없다. 왜냐하면 광반응이 일어나기 위해서는 물질의 분자들이 태양광을 흡수하여 최소한 활성에너지 이상의 광에너지 hv가 필요하기 때문이다.

이러한 광에너지의 흡수는 분자에 의한 한 개의 광양자(Single Photon)를 잡는 과정에 해당하는데, 분자에 의하여 흡수된 양자가 초기 광화학(Photochemical)반응을 야기시킨다. 여기에서 하나의 광자가 흡수되었을 때 반드시 하나의 분자가 생성된다는 것이 아니라 한 광자의 흡수로 인하여 여러 분자를 생성시킬 수도 있다는 의미이다.

가정/상업/산업용 부문의 유망 부품/소재

전력 반도체 소재

가정/상업/산업용 부문에서는 에너지 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 차세대 전력 반도체에 대한 관심이 집중되고 있다. 전력 반도체란 전력 변환 시스템에 사용되는 반도체로 대표적인 전력 변환 시스템으로는 교류를 직류로 변화시키는 정류 장치, 직류를 교류로 변환시키는 인버터 등이 있다.

전력 변환 시스템은 그동안 전동기 제어, 고급 가전제품의 전원 장치 등에 널리 사용되어 왔다.

문제는 이러한 전력 변환 과정에서 전력 손실이 발생하며, 전력 손실은 곧바로 열에너지로 바뀌어져서 시스템의 안정성에까지 영향을 미칠 수 있다는 것이다. 최근 이러한 전력 손실을 획기적으로 줄일 수 있는 반도체 기판 소재가 개발되고 있는데 탄화 규소(SiC),질화 갈륨(GaN), 산화아연(ZnO) 등이 이에 해당된다.

실례로 초고순도 SiC 소재를 적용한 SiC 에너지 반도체 소자는 기존의 실리콘 소자 대비 인버터와 컨버터의 에너지 효율을 개선함으로서 에어컨의 경우 전력 손실의 약 70% 감소, 산전 기기의 경우 스위칭 속도 4배 향상 및 전력 손실 50% 감소가 가능하다. 이러한 절감 효과로 인해 차세대 반도체 소재로 불리우는 SiC, GaN, ZnO 소재에 대한 연구가 기업과 학계를 중심으로 활발히 진행되고 있다.

LED/OLED 소재

또한 기존 조명기구/디스플레이에 비해 저전력 소비 및 장수명의 특징을 가진 LED, OLED 가 미래의 중요 제품으로 주목을 받고 있는 상황이다. 특히 LED는 대형 TV나 노트북의 백라이트로 사용되면서 급속히 성장하고 있다.

한편, LED의 많은 장점에도 불구하고 가격이 워낙 비싸 고전을 면치 못하고 있는 조명시장 분야도 향후 기술 발전에 따른 원가 절감및 에너지 효율에 대한 니즈 증가 등으로 빠른 성장을 할 것으로 예상된다.

OLED는, 무기 발광소재를 사용하는 LED와 달리 유기 발광소재를 사용하며 향후 응용 분야가 소형 디스플레이 뿐만 아니라 플렉시블 디스플레이 등으로 확대될 것으로 기대되고 있다. LED와 OLED 각각 발광 소재에 의해 특성이 결정되므로 우수한 발광 특성을 갖는 발광 소재 개발이 가장 중요하다고 볼 수 있다.

적색 LED에는 인화갈륨(GaP) 계열 반도체 등이 사용되며, 녹색 및 청색에는 인듐갈륨질소(InGaN), 그리고 자외선은 GaN 등이 사용되고 있다. 현재 고효율이 개발된 적색 및 청색과 달리 녹색은 고효율이 개발되지 않아 고효율 녹색 발광소재 개발이 중요하다.

그밖에 LED는 높은 효율과 휘도를 구현함에 있어 발광 소재뿐만 아니라 기판 소재의 특성도 중요하다. 현재 LED용 기판으로 사파이어가 가장 많이 사용되며 그외 ZnO, SiC, GaN 기판들도 개발 중이다.

한편 OLED는 인광 발광 소재와 형광 발광 소재로 구분되며 차세대 소재라 할 수 있는 인광 발광 소재에는 이리듐을 포함하는 유기금속 화합물이 사용되고 있다.

단열 소재

건물에서의 에너지 소비를 획기적으로 줄이기 위해서는 건물의 단열이 매우 중요하다. 예전부터 발포 스타이렌 수지(일명 스티로폼)나 폴리 우레탄 등의 단열재가 많이 사용되고 있으나 단열재를 많이 사용할 수록 건축물의 벽 두께가 점점 두꺼워져서 공간이 줄어들고 결과적으로 건축비가 상승하는 문제가 야기되기 때문에 얇으면서도 단열 효과가 뛰어난 단열재에 대한 니즈가 점점 늘어나고 있다.

최근 단열 효과가 획기적으로 개선된 진공 단열재가 개발되면서 차세대 건축 자재로 주목을 받고 있다. 진공 단열재란 기밀성을 갖는봉지재에 그라스울이나 흄드 실리카 등을 넣고 내부를 진공으로 처리한 제품으로 기존 단열재에 비해 최고 10배의 단열 효과가 있는것으로 알려져 있다.

한편 도심내에 열섬 현상으로 에너지 소비가 가중되는 문제를 해결하기 위해 차열 도료가 주목을 받고 있다. 차열도료의 주요 원리는도료가 건축물으로 흡수되는 태양 열에너지를 차단함으로 건물 내부 온도 상승을 막아주는 것이다.

그밖에 다공성 소재를 넣어 단열 효과를 가미한 단열 도료 그리고 차열 도료의 단점을 보완한 열교환 도료 등이 주목을 받고 있다.