▲ 한전 전력연구원 전경

“2010년까지 능력과 성과에 있어서 국내 최고의 위치를 확보하겠다. 이를 위해 국내 전략사업 및 미래 성장동력 기술 개발에 주력할 예정이며 가시적 성과는 물론 국내 전력산업의 기술을 선도할 수 있도록 하겠다. 특히 국제협력을 강화하겠다.”

박상덕 한전 전력연구원장은 지난 6월 글로벌 한전 구현을 위한 정책토론회에서 이같이 강조했다.

이날 박 원장은 ‘성장동력 창출을 위한 연구개발 추진전략’을 발표하면서 2020 글로벌 한전을 위해 목표지향적인 탑-다운식 기술개발 체계를 강화하는 등 연구개발 전략과 체계를 새롭게 정립하겠다고 밝혔다.

또 정부지원에 의한 과제비중이 현재 80%를 점유하고 있는데 장기적으로 자체과제 비중을 50%까지 늘리는 등 연구개발 투자의 적정 포트폴리오를 구성하겠다고 강조했다.

박 원장은 이날 열린 정책토론회에서 한전 자체적인 전략과제의 비중 확대가 필요하다며 필요하다면 비핵심 기술개발 과제의 과감한 정리도 필요하다며 분야별 적정 포트폴리오 구성의 필요성을 밝혔다.

특히 우수 연구인력 확보는 물론 제2연구동 신출 등 연구시설 확충으로 연구개발 활성화를 유도하는 등 도전적인 연구문화를 조성하겠다고 약속한 바 있다.

이날 박 원장은 과학기술정책연구원에 의뢰해 지난 96년부터 2004년까지 전력연구원이 완료한 513개 과제에 대한 연구개발 성과를 분석한 경제적 성과를 인용하면서 모두 1조2,045억원에 달한다고 밝혔다.

전력연구원은 현재 신재생에너지 기술개발과 전력IT, 기후변화 대비 CO2 저감기술 등 3대 분야별로 66개 과제를 진행하고 있다.

단기적으로는 ‘전력기술고도화’를 통해 전력설비의 효율과 안정성을 지속적으로 향상시키고 중장기적으로는 기후변화협약에 대응하기 위한 CO2 기술과 전력IT 및 PLC를 이용한 부가서비스 이용기술, 초전도 관련 기술 등 전략분야 기술개발로 전력산업의 미래 성장 동력을 확보한다는 것이다.

이미 확보된 기술의 부가가치 창출도 주요한 과제다. 이를 위해 전사 차원의 기술사업화 시스템을 구축한 바 있고 올초에는 기술사업팀을 신설한 바 있다. 기 개발기술의 적극적인 상품화를 위해 69개 사업대상기술을 발굴, 본사 해외사업본부와의 긴밀한 협력체제를 본격적으로 가동한 바 있다.

앞서 언급한 분산전원 분야로는 분산전원을 이용한 전력-난방-가스사업 진출은 물론 마이크로/미니 가스터빈에 의한 소규모 전력사업과 연료전지, 해상풍력, 석탄복합발전, 태양광 등 신재생에너지 사업을 적극 추진할 방침이다.

또 전력IT 융합 서비스 제공을 위해 PLC및 위성통신 기반의 전력 유비쿼터스 네트워크 사업 구축, 통신선을 이용한 전력공급 등에도 관심을 기울이고 있다.

특히 비상용 전원장치 개발 보급 등 고부가가치 전력상품 개발 등 신수요 창출 상품화 대상기술 개발도 적극 추진하고 있다.

또 지난 2005년부터는 한전의 경영전략과 연계해 신재생에너지, 초전도, 송변전, 원자력, 환경 등 국가전략 과제 16개와 자체 4개 등 총 20개의 전략과제를 수행하고 있다.
아울러 최근에는 2020 글로벌 한전 도약을 위해 10년 이후의 먹거리 창출을 위해 총 8개의 스타과제를 발굴한 바 있으며 이를 적극 추진한다는 방침이다.

<주요 연구개발 과제 현황>

■초전도케이블 시스템

초전도케이블은 지중(地中)으로 전기를 운반하는 전력용 케이블의 일종으로서 구리(銅)를 도체로 쓰는 기존의 상전도 케이블에 비해 몇 가지 중요한 장점이 있어 세계적으로 개발과 적용에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

국내에서도 몇 년 전 전기연구원과 LS전선이 공동으로 연구개발을 시작해 지금은 실용화에 근접한 초전도케이블을 제조하기에 이르렀다. 현재 두 기관이 공동으로 개발한 22.9 KV급 초전도케이블을 고창전력시험센터에 설치, 4월부터 성능시험이 시작됐다.

한전은 이미 구축한 초전도케이블 시험장을 활용해 삼상 22.9 kV 50 MVA 100 m급 초전도 케이블의 장기 신뢰성 시험을 수행하면서 운전조건을 확립하고 그 시험 결과를 바탕으로 실계통 적용에 필요한 초전도케이블 시스템 운전 및 유지보수 절차서, 초전도케이블 한전 표준규격 시안 등을 추진하고 있다.

또 초전도케이블 성능시험 및 평가에 필요한 기술을 확보함으로써, 국내외에서 제작한 초전도케이블시스템에 대한 ‘인증시험’ 수행기관이 되기 위한 준비를 하고 있다.

전력회사인 한전이 전력용케이블을 사용하는 이유는 발전소에서 생산된 전기를 고객에게 운반하는 수단이 필요하기 때문이다. 전기를 경제적이고 편리하게 운반할 수 있어서 전력공급 원가가 줄어들면, 소비자가 부담하는 전기요금도 저렴하게 될 것이다. 그런 관점에서 보면 전력회사로서는 값싸고 품질 좋은 전력용케이블을 구매, 설치해 효율적으로 운용하는 것이 무엇보다 중요하다.

한전은 2006년 고창전력시험센터에 100 m 길이의 초전도케이블 설치를 완료해 특성 평가를 하고 있으며 초전도케이블의 최대 장점인 대용량 특성은 이미 확인 하였고 저손실 특성, 장기 신뢰성 등에 대한 실증시험을 계속하고 있다.

또한 전력계통기술자나 송배전기술자는 초전도케이블 운전에 필수적인 냉각 시스템에 대한 지식이나 운전경험이 거의 없는 실정이므로 그 부분에 대한 실험과 경험 축적도 대단히 중요하다고 판단되어 중점적으로 연구하고 있다. 더 나아가 초전도케이블 시스템의 송배전 설비로서의 사용편리성, 경제성 등에 대한 확인 및 검증 작업이 중요한 연구 내용이 될 것이다.

한전은 이미 초전도 케이블 실증시험을 위한 시험장을 구축했다. 시험장 설계 및 건설에 이어 운전과 시험을 위한 시험동, 케이블 설치를 위한 지하관로의 최종 건설이 완료됐다. 장기적인 초전도 케이블 운전과 기초시험을 수행하기 위해 한전 고창전력시험센터에 573.32 ㎡ 면적의 초전도시험동을 건설했다.

건설된 초전도시험동은 장기적으로 초전도 케이블 시험뿐만 아니라 초전도한류기의 실증시험 등 초전도 분야의 연구 중심지로 활용될 계획이다. 시험동 내에는 초전도 케이블의 감시 시스템, 각종 전원장치 및 계측장비 등이 설치되어 운영 중에 있다.

한전 전력연구원은 향후 고창 전력시험센터에 설치한 삼상 22.9 kV 50 MVA 100 m급 초전도 케이블을 활용해 3년간 장기 운전 시험을 수행하면서 전기적, 기계적 최적운전 조건을 확립하고 그 시험 결과를 바탕으로 실제의 전력계통 적용에 필요한 초전도케이블 시스템 운전 및 유지보수 절차서, 초전도케이블 한전 표준규격 시안 등을 확보할 예정이다.

또 이미 확보한 초전도케이블 성능시험 및 평가 기술을 바탕으로 이미 상반기부터는 국내의 케이블메이커가 제작한 22.9 kV급 초전도케이블시스템에 대한 성능 평가를 고창전력시험센터에서 수행하고 있다.

국내외에서 제작한 22.9 kV급 초전도케이블의 장기운전 시험 결과 실제의 전력계통 현장에 적용하는데 문제가 없겠다고 판단되면 154 kV/22.9 kV 변압기 2차측 모선 등 22.9 kV로서 대전류가 필요한 장소를 찾아서 초전도케이블을 적용할 계획이다.
또 전력연구원 전력계통연구소의 지중케이블그룹에서 건설하고 있는 154 kV급 초전도케이블 시험장이 완공되는 2010년 경에는 154 kV급 초전도케이블에 대한 성능평가도 가능할 전망이다.

■원전안전해석코드 개발

국내는 총 20여기의 원자력발전소를 운영중이고 6개의 신규 원전을 건설하고 있다. 또한 1978년 고리 원전이 상업운전을 시작한 이래로 꾸준한 기술 개발을 통해 한국표준형원전을 자체적으로 설계 및 건설하였고 30여년 가까이 원전 운전 경험을 보유하게 됐다.

그러나, 원전의 안전해석코드는 원전 도입 당시 ABB-CE와 웨스팅하우스에서 전수받은 코드를 사용하고 있으며 일부 코드는 미정부 제한코드로 2007년 6월부터 그 사용이 제한되고 계속 사용하기 위해서는 막대한 기술사용료를 외국에 지불해야 한다.

전력연구원은 원자력발전연구소는 지난 2001년 12월부터 2006년 12월까지 5년간에 걸쳐 미정부 제한코드를 대체하기 위해 비냉각재상실사고, 대형냉각재상실사고 및 소형냉각재상실사고에 대한 안전해석코드 체계 및 안전해석 방법론을 개발한 바 있다. 올해에는 원자력 안전규제기관으로부터 인허가를 취득했다.

개발된 고유 안전해석 방법론은 미정부 제한코드의 기술사용협정 만료 이후 국내 원전의 설계에 활용할 예정이다. 그러나 향후 국내 원전 기술의 해외로 진출을 위해서는 독자적인 원전 안전해석코드의 확보가 필요하다.

이에 따라 전력연구원은 산업자원부 지원으로 우리나라가 완전한 소유권을 갖는 원전 설계용 안전해석코드를 개발하고 있다. 2006년 10월부터 2016년 9월까지 10년 간 3단계로 구분해 추진할 계획이다. 전력연구원이 주관기관으로 참여하고 한국전력기술(주), 한국원자력연구원, 한전원자력연료(주), 한국수력원자력(주)이 공동 연구기관으로 참여하고 있다.

기존의 원전 안전해석 코드 체계는 원전 과도현상을 단계별로 나누어 여러 개의 코드를 사용하거나 코드를 조합하여 사용했지만 컴퓨터 기술의 발달로 계산 시간이 빨라져 여러 코드를 통합한 단일 코드 체계로 개발되고 있다. 이는 기존 코드체계에서 발생되었던 유지 및 보수를 위한 많은 인력 소요를 방지하고 독자적인 원전 해석코드 기술 확보로 국내 원전 기술의 해외 진출을 용이하게 할 계획이다.

개발될 안전해석코드는 범용 통합코드로서 국내 전 가압경수로형 원전에 적용 가능하고 냉각재 상실사고와 비냉각재 상실사고해석, 성능해석, 그리고 최적평가 및 노심 3차원 분석을 할 수 있도록 개발할 계획이다.

원전 안전해석코드 개발 과제는 원전 안전해석 원천기술 확보와 독자적인 안전해석코드 개발이라는 국내 원자력산업계의 오랜 염원을 달성하고 이를 위해 대부분의 국내 원자력 기관들이 참여한다는 점에서 큰 의의가 있으며 향후 원전 안전해석 원천기술 확보를 통해 국내 가압경수로형 원전의 안전성 증진 및 경제성을 제고할 수 있고, 점차적으로 증가하고 있는 해외 원자력 시장에 우리나라가 경쟁력을 가지고 적극적으로 참여할 수 있는 기회를 마련하는 계기가 될 것이다.

■배전자동화기술

배전자동화 기술이란 배전선로에 고장이 발생되면 원거리에 있는 개폐기를 신속하고 정확하게 감시, 제어하여 배전선로의 신뢰도를 높이고자 개발된 기술이다. 즉 배전선로의 운전상태 감시와 배전설비의 제어를 컴퓨터와 통신망을 이용해 원격으로 시행하고 운전정보를 수집하여 배전계통을 효율적으로 운영하고자 개발된 기술이다.

우리나라 배전자동화 기술 개발의 중심에는 전력연구원이 있다. 전력연구원은 지난 1983년 배전자동화를 위한 원격감시제어 연구를 시작으로 본격적으로 배전자동화 연구를 시작해 한국형 배전자동화 시스템 개발, 신배전자동화 시스템 개발 등의 연구과제를 거쳐 우리나라 실정에 맞는 배전자동화시스템을 완성했다.

지난 1996년 서울 강동 지점에서의 시범 운전 및 검증 과정을 거쳐 현재는 전국 190개 배전사업소에 확대 보급됐다. 배전자동화의 추진효과는 기대 이상이다. 우선 배전선로에 고장이 발생했을 때 전기원이 출동하여 수동으로 조작하던 업무를 계통운영센터에서 컴퓨터를 이용, 신속하게 감시 제어함으로써 고장정전 시간을 기존 73분에서 6분으로 대폭 축소할 수 있게 됐다. 이로 인해 정전으로 인한 고객의 불만이 크게 줄어들었고 현장근무자의 작업환경 또한 현저히 개선되었다.

또 배전선로의 부하 공급용량을 높임으로써 배전선로의 건설을 지연시키는 데 따르는 배전선로 신증설 억제효과, 배전선로 부하의 균등운전 및 상시 연계점 최적 배치로 인한 선로손실 감소효과, 그리고 배전자동화 운전을 위해서 필수적인 배전자동화 시스템과 주변기기를 완전 국산화 개발함으로써 구매단가를 외국제품에 비해 대폭 낮추게 되어 얻게 된 수입대체 효과도 수천억 대에 이를 정도로 매우 크다.

국내 배전자동화 기술에서 가장 주목할 만한 특징은 순수 국산화 기술을 바탕으로 설계, 제작 및 보급이 이루어졌다는 것이다. 또한 기존의 원격감시기능 뿐만 아니라 배전계통의 효율적인 운영을 돕는 다양한 기능들이 구현되어 있는 것 또한 주목할 특징이다.

현재 전력연구원은 정부차원에서 중장기적으로 추진 중인 전력IT사업의 일환으로 배전지능화시스템 개발 연구를 수행 중이다. 전력IT란 전력의 생산, 유통, 판매 업무를 수행하는 과정에서 생성된 데이터를 수집 가공 절차를 거쳐 고품질의 부가가치 정보를 창출해내어 진보된 정보기술을 이용해 전력사업의 업무 효율을 향상하기 위한 기술을 말한다.

배전지능화기술 개발 연구에서는 지리정보시스템(GIS) 기반의 변전소, 배전선로, 수용가까지 이르는 설비를 통합 감시 제어할 수 있는 시스템 개발과 타 전산시스템인 변전소자동화시스템인 SCADA, 원격검침시스템인 AMR 및 설비관리시스템과 배전자동화시스템을 연계하기 위한 방안을 연구 중이다.

그 외에도 운전원들이 배전계통을 감시하고 제어하는 계통운영실의 IT화에 대한 연구가 수행 중이고, 현재 지점단위로 운영 중인 배전자동화시스템의 범위를 확대하여 몇 개의 지점을 통합한 단위로 운영함으로써 배전사령 업무의 효율성을 향상시키기 위한 배전자동화시스템 광역화에 대한 연구 또한 수행 중이다. 

전력연구원은 현재 인공지능형 배전자동화 시스템에 대한 연구를 계획 중이다. 이 시스템은 전압과 전류의 파형을 취득하고 이상 신호를 미리 포착하해 고장을 미리 예측하고 고장이 발생한 위치를 정확하게 찾아내는 시스템이다.

■디지털 기술기반의 차세대 변전시스템 개발
*사진-개발개요도

전력산업의 현재 수출 주력품목인 초고압과 수배전반, 변압기 등에 부가가치가 높은 지능형 제어반, 시스템을 복합해 전략적 상품으로 육성할 수 있는 품목이 바로 국제표준에 적합한 IED 개발 및 디지털 기술기반의 변전소 종합자동화 모델이다.

컴퓨터 및 정보통신 기술의 비약적인 발전에 따라 선진 각국에서는 디지털 변전시스템을 집중적으로 개발하고 있으며, 변전자동화에 대한 국제규격 IEC 61850의 제정에 따라 이에 대한 수요는 더욱 증가할 것이다.

따라서 고성능의 디지털 및 통신기술과 인공지능기술을 응용한 고부가가치의 종합 디지털 변전시스템 구축으로 기술장벽을 높이는 것이 선진국의 전략으로 이에 대응할 수 있는 국내기술개발이 매우 시급하다. 세계적으로 산업구조가 고도화되고 정보화 사회가 급속히 확산됨에 따라 양질의 전력 품질과 적정가격 유지에 대한 사회, 경제적 요구는 계속 증가할 전망이다.

양질의 전력공급을 위해서는 전력설비의 디지털화에 의한 감시, 보호, 제어 및 진단 기능의 체계화된 통합운영이 필수적이다.

국내에서도 이에 대처하기 위하여 전력산업 분야의 각 기업들이 지속적으로 연구개발을 수행해온 바, 전력기기 및 일부 소규모 시스템 기술을 축적해 선진국 수준에 근접하고 있으나 변전소 단위의 종합 디지털 변전시스템의 구축은 아직 초기단계이며 또한 본 시스템은 전력계통 종합 감시제어시스템 구축에 반드시 필요한 기반을 제공하는 역할도 담당하고 있다.

디지털 기술기반의 차세대 변전소 자동화 시스템 개발과 관련해 관련된 하드웨어와 소프트웨어 산업의 고용 창출 효과를 얻을 수 있으며 전문 인력을 양성할 수 있는 인력기반이 구축되고 전력회사의 변전소 건설 및 운영경험, 대기업의 시스템 통합 기술 및 중전기기 제작 기술, 중소기업의 전력기기 제작 기술, 관련 학계 및 연구소의 기초기술을 거시적으로 통합하고 유기적으로 결합시킴으로서 국내 기술의 국가적인 시너지 효과 창출할 수 있는 상호협조 시스템의 환경을 마련하게 된다.

특히 기존 시스템에서 제어기기들을 연결하기 위하여 필요했던 수많은 제어케이블들은 네트워크용 지능형 제어기기 IED와 통신 네트워크, 상위 시스템으로 구성되는 계층구조로 변화되어 Hard Wiring이 현격히 감소하는 것은 물론 이제까지 구현 불가능했던 보호의 Sensitivity, Security를 동시에 향상시킬 수 있고 최적 보호와 함께 사고의 고속 분리 및 신속한 사고 분석, 예방제어, 복구제어, 사고파급의 극소화, 전문가 시스템 및 인공지능 시스템을 실현할 수 있는 기반을 구축해 공급신뢰도 향상은 물론 원가 절감, 진정한 자산관리의 최적화를 이룩할 수 있는 환경이 제공될 전망이다.

■콘크리트 열화방지를 위한 표면침투보강제 개발

국내외적으로 각종 열화인자에 대한 콘크리트 표면보호 및 구조물에 손상을 주지 않고 표면 도포를 통한 콘크리트 내구성 향상을 목적으로 하는 표면침투보강제 개발 관련 연구수행 및 일부 제품의 사용이 이루어지고 있지만 침투깊이의 한계성, 장기내구성능 취약 및 성능개선 기능 결여 등의 많은 해결과제를 가지고 있다.

특히 국내의 경우 주로 성능이 검증되지 않은 외국제품의 수입에만 의존하고 있는 실정으로 실제 현장 적용시 품질측면에서의 문제점을 가지고 있어 사용의 실효성에 의문이 제기되고 있는 실정이다.

따라서 전력연구원 구조건전성그룹에서는 신소재 유무기 나노물질을 활용한 콘크리트 열화방지 표면침투보강제를 개발하고 구조물에의 적합성능을 검증했다. 표면침투보강제는 콘크리트 표면에 도포해 침투시킴으로써 콘크리트 내부조직을 강화하고 외부로부터의 수분, 염소이온, CO2 등 주요 열화물질의 침입을 억제함은 물론 열화로 인한 손상을 회복시킬 수 있는 다기능 성능개선재료를 칭한다.

전력연구원은 이번 연구에서 기본합성재료를 용액 축중합반응을 도입 1차적으로 6종의 기본합성물질을 개발했으며 이를 대상으로 한 기초성능 및 콘크리트 적용성 평가를 통해 최적합성물질을 도출했다. 또 최적합성물질에 열화물질 억제 및 침투력 개선을 위한 성능개선 부가재료를 추가함으로써 최종적인 표면침투보강제를 개발했다.

이에 따라 기존의 유기질계 및 무기질계의 단점을 보완한 신소재 표면침투보강제 개발기술의 확보를 통한 국내외 관련분야 기술 선도가 가능할 전망이다. 또 다양한 분석 및 적용성 평가시험을 통해 전력구조물 특성이 고려된 재료, 시공방법 및 품질관리체계를 확립함으로써 선진화된 전력설비 유지관리시스템 구축에 큰 공헌을 할 것으로 기대된다.

이번 연구결과는 원전을 비롯한 주요 전력구조물의 효율적인 경년열화 관리방안으로 활용되어질 예정이며 전력구조물의 운영 중에 발생한 열화현상에 대한 성능개선기법 뿐만 아니라 건설시 사전예방 차원의 열화 억제기법으로도 활용이 가능하다.

또한 전력구조물 이외의 기타 사회 중요 구조물에도 확대 적용이 가능하므로 대량생산을 통한 상용화 가능성이 매우 높아 현재 본 연구의 참여기업인 한국수력원자력의 중소기업지원사업을 활용한 상품화 전략을 추진하고 있다.

■순산소연소(OFC) 석탄화력발전

연간 약 5억톤의 CO2를 배출하는 세계 9위의 이산화탄소 배출국으로서 우리나라는 오는 2013년부터 CO2 배출저감 2차 공약국가에 편입될 가능성이 매우 높다. 국내 CO2 배출량의 20%를 점유하고 있는 석탄화력발전소는 CO2 최대의 배출원으로서 적극적인 CO2 회수방안을 마련해 국가경제에 중대한 영향을 미칠 수 있는 기후변화협약에 대응 필요한 시점이다.

2020년 이전에 기후변화협약에 대응할 수 있는 발전사별 이산화탄소 회수 및 처리 방안을 반드시 확보해야 할 필요성이 있다. 2015년~2020년 이후 석탄발전설비시장은 CO2 Capture Ready Plant 즉 공기연소와 순산소연소의 혼소가 가능해 이산화탄소 회수저장의 필요에 따라서 바로 CO2 회수가 가능한 발전설비가 주도할 것으로 예상되고 있다.

이와 같은 신발전기술 시장에 대응하기 위한 기술로 순산소연소 석탄발전설비기술을 에너지·동력산업의 성장 동력화로 전략화 할 필요가 제기되고 있다.
순산소 연소 석탄화력발전은 석탄발전소 보일러에 공기대신 순산소를 이용한 미분탄을 연소시키는 방식이다.

발생된 배가스 중의 황산화물 및 질소산화물은 노내 탈황 탈질을 통해 제거된다. 또 노내 탈황 탈질 후 배가스 중 CO2 농도를 90%이상으로 농축이 가능하다. 아울러 배가스의 약 70~80%를 연소실로 재순환 해 Heat Balance를 유지한다.

특히 배출되는 배가스의 주성분 가운데 H2O를 응축할 경우에는 CO2의 전량 회수가 가능할 전망이다. 순산소 연소 석탄화력발전은 우선 아역청탄 전소에 유리해 연료비용 절감할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

또 CO2에 의한 미분탄의 이송으로 아역청탄의 자연발화 및 이송관내 폭발을 방지할 수 있다. 보일러 내부에 다량의 CO2 내재로 복사열전달의 특성이 강화되고 이로 인해 노내 온도를 50~100°C가량 저감 가능해 슬래깅 문제를 개선시킬 수 있다.

이에 따라 탈질 및 탈황공정에 대한 개선이 가능해 환경비용의 절감을 이룰 수 있고 가장 유리한 CO2 회수 기술로 알려져 있다.