대한설비공학회 콜드체인부문위원회(위원장 윤경미)는 10월18일 킨텍스에서 ‘탄소중립에 도전하는 미래형 콜드체인 기술’을 주제로 학술강연회를 개최했다.
윤경미 위원장은 “코로나19로 인해 3년간 연기된 행사를 개최할 수 있어서 감사의 말씀을 드린다”라며 “웹이나 온라인으로 소개돼왔던 여러 기술, 동향, 신제품 등을 두 눈으로 보고 만지며 이야기할 좋은 기회에 여러분과 함께 할 수 있어 대단히 기쁘다”고 밝혔다.
이어 “원고를 여러 번 수정해 더 좋은 정보를 담았으며 산업동향이나 기술동향 등에 대한 정보를 가져가 말만 살이 찌지 않고 냉동공조 및 냉동·냉장업계에 계신 분들이 지식의 살을 듬뿍 쪄서 돌아갔으면 한다”고 말했다.
물류센터 화재…다양한 예방방안 주목김재석 HL 디앤아이한라 팀장은 ‘냉동창고현장 화재예방 활동사례’를 주제로 발표했다.
김재석 팀장은 “지금까지 계속 실무를 하고 있기에 현장에서 경험을 바탕으로 지금 큰 화두가 되는 안전에 대해서 주제를 정했다”라며 “최근 사업현장에서 일어나는 모든 사고는 중대재해처벌법 제도 안에서 처리되고 있음에도 불구하고 안전사고가 해마다 증가하고 있다”고 말했다.
이어 “특히 냉동·냉장창고의 경우 사고가 발생하면 대형화재로 이어질 가능성이 높아 대형사고로 막대한 재산손실과 인명피해로 사회에 악영향을 미치고 있다”라며 “냉동창고 현장을 착공에서 준공까지 그리고 입주관리와 운영까지 업무를 진행하며 실제로 적용했던 예방활동시스템을 알리고 경험을 공유함으로써 물류창고 현장에 안전관리와 화재예방에 일조하고자 한다”고 밝혔다.
물류센터 화재사고 공통점은 불꽃에 의한 화재라는 점이다. 원인이 유증기로 발표된 사고도 면밀히 살펴보면 용접작업 시 생긴 불꽃과 인화성 물질 및 유증기와 결합으로 인해 화재와 인명피해가 발생한 것으로 화재예방에 더 주의해야 한다.
이에 따라 김재석 팀장은 수행했던 화성동탄물류단지 현장에서 펼쳤던 화재예방 활동을 소개했다. 3만6,000m² 면적과 지하 2층~지상 4층 1개동 규모의 냉동창고를 구축할 때 임시소방설비를 재배치해 효율적인 화재예방을 가능하도록 했다.
또한 물류창고를 4개 구역으로 소화전과 20kg 대형소화기를 배치하고 피난구유도등, 경종, 발신기 등 발생기 통합세트와 신속한 화재상황 전파를 위한 휴대용 확성기를 설치했으며 비상대피로를 점검했다고 밝혔다.
화기작업 안전관리 사항은 작업팀장, 작업팀원, 화재감시자 등으로 인원을 구성했다. 배치자재는 △불티방지커버 △화기작업 및 비상연락망 입간판 △소화수, 소화기 등 소화시설 등을 설치했다. 이어 화기작업 전후로 점검사항을 확인해 작업팀장은 화기작업 종료 후 잔여 불티 등의 화재발생 위험요소를 제거 및 확인한 후 작업을 종료했다.
특히 김재석 팀장은 “화재감시자의 역할은 화재위험작업에 한정돼야 한다”라며 “산업안전보건기준에 관한 규칙 제241조 2에 따라 화재위험 감시와 화재발생 시 대피유도 업무만 담당하는 화재감시자를 지정해야 하며 화재만 상시 감시할 수 있어야 초기 화재진압이 가능하다”고 강조했다.
그러나 현장에서 관리자 인원은 한정돼 있어 관리가 어려운 실정이다. 이를 해결할 방법으로 네이버밴드 등 SNS를 활용하는 방안이 소개됐다. 밴드로 업체와 투입장비 및 작업구역·작업내용 등 정보를 올리고 검토 후 승인을 거쳐 최종상태를 확인한다. 이는 오프라인 작업자들의 대기시간을 줄임으로써 현장에서 긍정적인 평가를 이끌어내며 다른 현장으로도 확대했다고 밝혔다.
이어 다른 화재예방 활동으로 △외기 우레탄 분진에 인한 누전 방지용 급기 및 배기 시행 △안전성 확보를 위한 냉동창고 내 습식 스프링클러 설치 △시각적 안내효과 개선을 위한 방향스티커 및 간이피난호스(윙카호스) 설치 △실제상황에 대비한 정규 및 불시 비상대피훈련 시행 △화재원인 차단을 위한 불티방지커버 설치 △지정구역 흡연 및 건물 내 흡연금지 시행 등 다양한 방안을 적용했다.
김재석 팀장은 “화재나 안전관리는 시스템의 좋고 나쁨보다는 세심한 배려와 관심을 통해 작은 것 하나씩 착안해 개선함으로써 사고확률을 1%씩 줄여나갈 수 있다고 확신한다”라며 “화재 시 피해는 여러 대형화재 사고에서 볼 수 있듯이 화재 발생율 ZERO화를 목표로 해 건설업계 종사자 모두가 최선을 다해야 할 것이다”고 밝혔다.
친환경·안정성 기반 콜드체인 냉동기기술 소개박성재 한국기계연구원 소장은 ‘콜드체인 냉동기 기술 현황’을 주제로 발표했다.
박성재 소장은 “코로나19에 의한 전세계적 위기는 m-RNA 백신의 안정적 보관을 위한 초저온 콜드체인의 필요성 급증으로 이어졌다”라며 “드라이아이스를 이용한 초저온 냉각·저장은 제한적으로만 적용 가능해 실질적이고 안정적인 콜드체인 확보를 위한 초저온 냉장고 수요가 발생했다”고 말했다.
이어 박성재 소장은 콜드체인 냉동기기술을 주제로 잡은 이유로 코로나19와 같은 팬데믹 상황이 또 다른 바이러스에 의해 가까운 미래에 발생하지 않는다는 보장이 없다는 점을 꼽았다. 이에 따라 냉동·냉장 콜드체인 유통을 체계화하는 것이 국가방역 안전망 구축 측면에서 매우 중요한 사업이며 단순한 기술적인 문제가 아닌 사회, 제도적인 기반이 필요하다고 강조했다.
콜드체인 유통 핵심기술은 크게 운송체계와 수송유닛으로 나눌 수 있다. 운송체계에서는 △고효율 냉각 운송유닛 열 관리를 위한 운송차량 공조기술 △고효율냉각 운송유닛 packing-loading-docking-unloading 기술 △전원관리 및 GPS기반 실시간 모니터링 기술 △ 안정성 및 표준화기술 등이 포함된다.
수송유닛에서는 △초저온(-70℃)이하 고효율 냉동기 설계 및 제작기술 △상온~초저온 온도제어 영역을 고려한 열역학 냉각 사이클 기술 △초저온 운송유닛 경량화 및 단열기술 등이 있다.
초저온 유통 중 코로나19 백신은 상변화물질(PCM)인 드라이아이스와 단열재가 포함된 박스 형태로 백신을 유통했다. 그러나 드라이아이스를 사용하기 때문에 초저온 유지시간이 유한하고 온도안정성이 제한적이라는 점, 드라이아이스의 빙점인 –78.5℃ 온도까지만 적용가능한 점, 승화과정에서 발생되는 고농도의 이산화탄소는 질식우려가 있으며 폭발의 위험성이 있는 단점이 있었다.
이에 따라 박성재 소장은 스터링(Stirling)냉동기를 이용한 코로나19 백신 콜드체인을 소개했다. 스터링냉동기는 윤활유를 사용하지 않는 선형 압축방식으로 효율성과 유지보수 측면에서 우수하고 GWP가 없는 냉매(헬륨)를 사용하며 소형화가 가능해 다양한 크기의 초저온냉동고에 적용이 가능한 장점을 지닌다.
스터링냉동기 원리는 Free피스톤과 실린더로 이뤄진 공간 내에 헬륨 및 수소 등의 작동가스를 밀봉하고 이를 외부에서 전기적인 입력으로 피스톤과 변위기의 운동을 통해 냉각효과를 얻는 방식이다.
2원 증기압축 냉동기와 비교해도 구조가 간단하며 크기가 작고 무게도 가볍다. 또한 효율 및 소요전력 전부 높으며 온도 및 용량제어성이 좋아 여러 측면에서 우수한 성적을 보인다. 특히 GWP 지수가 0인 자연냉매를 사용해 친환경 콜드체인시스템 구축에도 유리하다.
박성재 소장은 “스터링냉동기 보급·확산을 위해 초저온 냉동기 및 냉동기 효율 향상과 대체냉매 및 대체 냉동사이클을 개발하고 있다”라며 “주요 적용분야로 반도체, 디스플레이 제조공정, 초전도체 냉각, 적외선 센서 냉각 등이 있으며 바이오, 제약, 헬스케어 등으로 확대해 나갈 계획”이라고 밝혔다.
LCCP대비 자연냉매 초임계 냉동기 눈길정연주 한국마이콤 선임연구원은 ‘냉장창고용 CO₂ 초임계 냉동기의 LCCP 분석을 통한 온실가스 절감 효과’를 주제로 발표했다.
정연주 선임연구원은 “오늘날 전 세계는 지구온난화 진행을 막기 위해서 온실가스 배출을 줄이려고 노력하고 있다”라며 “우리나라도 2050 탄소중립을 선언하고 국가 온실가스 배출량을 집계한 인벤토리 보고서를 UNFCCC에 격년으로 제출하고 있지만 2021년에 보고서로 제출한 우리나라의 온실가스 배출량을 보면 총 7억700만톤의 온실가스를 배출하고 그중에서 발전소 등의 에너지분야가 78% 이상으로 가장 많은 수치를 보이고 있다”고 밝혔다.
2019 IPCC가이드 라인이 개정됨에 따라 2024년부터 R404A, R507A 등 혼합냉매를 포함한 HFCs 배출량을 국가 온실가스 인벤토리에 명시할 것이라는 항목이 추가됐다. 국내 R404A, R507A 사용량은 수출 중량에서 수입 중량을 뺀 값인 약 8만2,000톤으로 추정된다.
그러나 환경부에서 정한 기준에 따르면 냉각장치가 운전되는 동안 전체 충전량의 약 16%의 냉매가 누설됨에 따라 R404A, R507A를 사용하는 냉각장치에서 누출되는 냉매량은 약 1만3,000톤이다. 이에 R404A와 R507A의 지구온난화 지수를 곱하면 냉매 누설에 대한 온실가스의 배출량이 산정되며 이는 연간 약 5,100만톤의 온실가스를 배출하고 있는 것으로 산정된다.
즉 현재 집계되지 않는 콜드체인에서 발생하는 온실가스량이 2019년 산업공정 분야의 온실가스 배출량과 비슷한 규모로 사각지대에서 발생하는 온실가스에 대한 관리가 필요한 실정이다.
에너지가 소비되는 시스템 및 프로세스는 환경에 직·간접적인 영향을 미친다. 현재 온실가스 측정 방법은 GWP, TEWI(Total Equivalent Warning Index) 등이 쓰이고 있으며 TEWI는 직접적인 영향과 간접적인 영향까지 전부 측정하는 방법이다.
그러나 최근 탄소중립이 강조되면서 시스템 및 냉매의 제조, 운송과 관련된 배출이나 냉매 생애주기에 따른 배출 등 모든 간접배출까지 고려하고 있지 않은 한계점이 대두됐다. 이에 따라 IFRS(국제금융보고기준위원회)에서는 배출량 산정과 공시를 의무화하는 등 기후정보표준안을 발표할 것을 선언했으며 이는 글로벌 투자자들이 참고하는 주요 정보이므로 전환 가속화가 예상된다.
LCCP는 냉동시스템의 제조단계부터 폐기처리까지 모든 과정에서 배출되는 온난화 영향을 평가하는 방법으로 △재료 및 냉매 제조 △냉매 누설 △에너지소비 △냉매 대기여화 △재료 및 냉매 재활용 등이 포함된다.
이어 따라 정연주 선임연구원은 LCCP로 평가했을 때 유리한 자연냉매를 적용한 CO₂ 초임계시스템을 적용한 CO₂ 초임계 패키지 NOBEL-C를 설명했다.
NOBEL-C 시스템은 가스쿨러 후단에 고압제어 밸브를 설치해 CO₂ 적정고압을 유지함에 따라 냉동효율을 최적화했다. 또한 플래시 탱크는 기액분리기와 수액기 역할을 하고 압력은 바이패스 밸브 개도로 제어했다. 기본사양으로 포함되는 패러팰 압축기를 통해 증발기를 거쳐오는 압력과 고압이 섞이지 않아 냉동효율성을 제고했으며 메인 압축기의 부하를 줄여 평균 16%의 COP를 개선하는 효과를 얻었다.
이와 함께 NOBEL과 R404A 패키지의 생애 탄소배출량(LCCP)를 비교했을 때 충전량, 장비수명, 연간 누출률, GWP, 종료누출률 등을 계산한 총 직접 배출량이 각각 435와 341만2,140으로 매우 큰 차이를 보였다.
다만 △에너지소비 배출 △재료 제조 배출 △장비 폐기 배출 △냉매 제조 배출 등을 계산한 총 간접배출량은 R404A가 NOBEL에 비해 약 1.3배로 산출에 적용된 변수가 비슷하기 때문에 간접배출량에서 큰 차이를 보지 못한 것으로 추정됐다.
그러나 일반적으로 전력 1kW를 줄이면 0.46kg의 탄소배출을 절감할 수 있으며 냉각능력 70kW의 HFCs 냉동기를 자연냉매로 전환하면 약 800만kW의 전력절감이 가능하고 연간 전력비 환산 시 약 5,000만원으로 효과가 크다고 볼 수 있다.
정연주 선임연구원은 “자연냉매 전환은 에너지 세이빙에 의해 단순한 변화와 적은 노력으로 효과적인 탄소배출이 가능하다”라며 “최근 오존층 보호를 위한 특정물질의 제조규제 등에 관한 법률 일부개정안이 발표돼 콜드체인 산업계에 큰 영향이 미칠 것이며 자연냉매 전환을 위해 선진국처럼 국가의 적극적인 보조금 정책마련이 시급하다”고 밝혔다.
친환경 대체냉매 적용 콜드체인시스템 시험평가 인프라 구축사업 소개강희정 한국냉동공조센터 기술개발본부장은 ‘친환경 대체냉매 적용 콜드체인시스템 시험평가 인프라 구축 사업계획’을 주제로 발표했다.
친환경 대체냉매 적용 콜드체인시스템 시험평가 인프라 구축 사업은 한국냉동공조산업협회 주관으로 2026년까지 한국냉동공조인증센터, 서울대학교, 인천테크노파크가 참여하며 총사업비 약 90억원 규모로 진행된다.
강희정 기술개발본부장은 “사업배경으로 국내 저온물류창고 보관능력이 수요의 75%만 충족시키는 수준이며 5년이내 준공된 저온물류창고가 전체 10% 미만으로 기존 저온물류창고의 노후화가 심각한 실정이다”라며 “국내 942개의 냉동·냉장창고에서 사용중인 냉매는 R22(47%), R717(46%) 등으로 오존층을 파괴하는 냉매가 아직도 사용중인 것은 아이러니하다”고 밝혔다.
국내 콜드체인 에너지 규제는 거의 없는 상황도 지적했다. 특히 쇼케이스의 경우 평가방법이 복잡하므로 우리나라에서는 상업용으로 포함하지 않아 제한적인 범위 내에서만 관리하고 있다. 이처럼 효율관리제도 사각지대에 놓인 품목이 많으며 해외의 경우 최근 쇼케이스 표준화가 개정됐으나 우리나라에서는 표준화조차 되고 있지 않다고 밝혔다.
사업목적은 △국내 탄소중립 기여를 위한 친환경 대체냉매 적용 콜드체인의 신뢰성 및 안정성 확보기술 연구개발 △콜드체인 제품 및 설비 대상 국내 유일 성능평가인증 서비스 제공, 고효율기술 고도화 △전문가 인력 양성, 시험·인증 및 연구전문기관 인프라 구축 등이다.
시험평가 구축장비 항목은 3건으로 쇼케이스, 냉동·냉장용 차량, 컨덴싱 유닛 워크인 쿨러 순으로 확대해 나갈 예정이다. 이와 함께 시험방법 표준화와 KOLAS 시험기관 자격 획득을 통해 단체표준 인증기관에 등록하고 AHRI와 지속적인 교류로 시험평가인증 국제화를 추진해 시험평가의 객관성과 공인성을 확보할 계획이다.
또한 다양한 시험서비스를 제공할 예정이다. AHRI 1250을 기반으로 다양한 품목에 대해 △냉동·냉장능력 △소비전력 △COP △신뢰성 △소음 등을, ISO 23953 및 ANSI/AHRI 1201를 기반으로 쇼케이스에 대해 △소비전력 △유효내용적 대비 에너지효율비 △고내 온도분포 △소음 등을 ANSI/ARHI 1111를 바탕으로 냉동탑차에 대해 △냉동성능 △보냉성능 △고내온도분포 등의 시험분석 서비스를 제공할 계획이다.
기대효과는 성능품질과 에너지효율 개선 및 고효율 인버터로 콜드체인시스템을 전환 시 기존대비 온실가스 및 에너지를 30~40% 절감할 수 있을 전망이다. 또한 대체냉매로 전환 시 약 CO₂ 배출량 254만톤을 절감할 수 있을 것으로 추산되며 성과 활용기간 5년 동안 관련 산업성장에 따라 약 1,000명 간접고용이 될 전망이다.
강희정 기술개발본부장은 “시험기관 입장에서는 ISO를 기반으로 해서 평가법, 매뉴얼, 시험분석 서비스 등 제공해야 할 것이 많다”라며 “특히 기술지원을 중점으로 도울 예정이며 제도마련도 적극적으로 진행될 계획이므로 사업기간동안 최대한 많은 이용을 부탁한다”고 밝혔다.
스마트 유통시스템·물 활용 콜드체인 기술 연구 결과 공유한국식품연구원 식품융합연구본부 안전유통연구단 안재환 박사는 ‘식품콜드체인에서의 에너지저장 기반 무제습 냉각기술 활용’을 주제로 발표했다.
안재환 박사는 식품 스마트 유통시스템을 소비자 및 관리자 실시간 식품 유통이력·품질 모니터링을 목표로 개발하고 있다고 소개했다. 개발 중인 시스템은 PC, 키오스크, 스마트폰에서 식품의 유통정보와 품질상태를 실시간으로 확인할 수 있도록 할 계획이다.
핵심기술은 식품품질 관리용 센서태그, 실시간 품질 모니터링, 신선식품 스마트 품질관리시스템으로 구성된다. 식품품질 관리용 센서태그는 신선식품 생산·유통 이력정보 및 유통과정 중 실시간으로 온·습도를 측정하는 RFID센서 태그와 안테나, 센서, 전지 등으로 구성된다. 이를 바탕으로 GSI 글로벌표준체계를 따르는 클라우드 환경 플랫폼을 구축하고 데이터를 대용량 분산처리해 안정적인 구동환경을 마련할 계획이다.
실시간 품질 모니터링은 신선식품의 유통환경(온·습도)에 따른 신선도 등 품질변화를 예측하는 신선식품 품질 모니터링 기술이다. 구체적으로 객관적 품질지표를 선정하고 환경인자에 따른 품질변화를 분석 및 데이터베이스를 구축함으로써 시간·온도 이력에 따른 품질 예측모델을 적용해 신선도를 측정하는 방법으로 품질을 모니터링하게 된다.
신선식품 스마트 품질관리시스템은 효율적인 유통관리와 품질이상을 예방할 수 있는 시스템이다. 실제 유통환경에서 검증했으며 국내를 넘어 해외 유통과정까지 확인할 수 있도록 K-Food 지능형 식품안전유통시스템을 구축함으로써 데이터손실 없이 실시간 전송을 확인했다.
또한 식품 콜드체인에서 Direct contact 에너지저장기술로 ITESDCD(Ice thermal energy storage with direct contact discharging)를 소개했다. ITESCDC는 에너지저장물질과 열전달유체의 경계가 없는 콜드체인 차량 운송기술로 얼음생성 유닛을 통해 생성된 얼음을 얼음저장고에 보관하다 차량의 모바일쿨링 유닛에 이동시켜 콜드체인 기능을 수행한다.
이를 바탕으로 기존 에너지저장기술이 지닌 케이스로 인한 열저항 증가, 내부온도구배 발생, 에너지저장물질 이동 불가 등 다양한 단점을 극복했으며 자연냉매인 물을 사용해 친환경성을 확보했다.
그러나 실제로 적용하기에는 아직 Lab Scale 실험 수준에 머물러 있으며 냉장조건에서는 기술성숙도가 3~4(TRL) 수준으로 COP 향상 및 비용 감소 등에 관한 연구가 많이 필요하다. 냉동조건에서는 TRL이 1(TRL) 수준으로 냉장조건보다 더 많은 연구가 요구되며 이를 바탕으로 식품품질 유지 및 에너지소비 고효율화에 관한 융합 연구까지 고려돼야 하는 실정이다.
안재환 박사는 “우리나라 냉장기준은 10℃ 이하이므로 물로도 충분하다고 판단해 물로 시험했다”라며 “물은 잠열이 높고 경제적이며 친환경적인 냉매로 식품에서도 충분히 활용할 수 있으나 기초연구 단계에서 벗어나기 위해 노력하겠다”고 밝혔다.
끝으로 윤경미 콜드체인부문위원회 위원장은 “콜드체인분야가 지속발전하기 위해서는 기초연구가 매우 중요하다”라며 “산·학·연이 더 연계되고 서로간의 교류를 통해 발전할 수 있길 바라며 오늘 학술강연이 마중물 역할에 충실했길 바란다”고 말했다.
