대한설비공학회 콜드체인부문위원회와 한국냉동공조산업협회는 9월25일 대한민국 대표 냉난방공조(HVAC&R)전문 전시회인 ‘제17회 한국국제냉난방공조전(HARFKO 2024)’에서 ‘HARFKO 콜드체인부문 학술강연회’를 개최했다고 밝혔다.
강연회는 △식품 콜드체인 냉장차량을 위한 직접접촉식 에너지저장기술(안재환 한국식품연구원 박사) △콜드체인 내 Direct contact discharge 기술 적용을 위한 제빙기 성능 개선에 관한 연구(전용석 아주대학교 교수) △LNG냉열 활용 “ESG 경영” 잠열 설계 기술과 사업화 사례(이동건 선유이앤씨 소장) △초임계냉동기의 실증사례를 통한 전력절감 효과 분석(정연주 한국마이콤 선임) △콜드체인 냉동·냉장장치 성능시험 표준 및 인증제도 현황(김원욱 한국냉동공조인증센터 박사) 순으로 진행됐다. 산·학·연의 다양한 현황을 공유하고자 학교와 연구소에서 3건의 발표가, 산업계에서 2건의 발표를 진행했다.
탄소중립위한 식품콜드체인 기술개발 필요안재환 한국식품연구원 박사는 ‘식품 콜드체인 냉장차량을 위한 직접접촉식 에너지저장기술’을 주제로 발표했다.
지구 평균온도 상승으로 인류는 이전에 보지 못했던 자연재해를 마주하고 있으며 전 세계는 기후변화에 대한 여러 대비책을 마련하고 있다. 한국 또한 ‘2050 탄소중립 추진전략’을 마련해 운영 중이다.
식품콜드체인은 식품 품질유지‧안전성확보를 위한 에너지 의존적인 식품‧에너지융합분야다. 유엔식량농업기구(FAO)는 식품산업이 전 세계 에너지소비량의 30%를 차지하는 대표적인 에너지소비산업이다. 이중 식품공정과 유통분야가 식품산업 에너지소비의 최대 50%를 차지하고 있다.
안 박사는 “식품콜드체인분야는 ‘2050 탄소중립 추진전략’ 중 수송‧산업‧농축수산‧폐기물 부문에 해당한다”라며 “대한민국 탄소중립을 위해서 식품 콜드체인 탄소저감 기술개발은 꼭 필요한 분야”라고 강조했다.
식품 콜드체인분야에서 2050 탄소중립을 위해선 화석연료 사용감소를 위한 ‘직접적 탄소저감 기술’과 폐기물 배출감소를 통한 ‘간접적 탄소저감 기술’ 및 콜드체인 탄소발생 분석‧예측을 위한 ‘탄소발생 분석‧예측기술’ 등이 있다. 이중 안 박사는 ‘직접적 탄소저감 기술’연구를 진행하고 있다.
콜드체인 디젤 운송차량은 주행 중 냉각장치에서 최대 40%의 연료를 소모한다. 만약 콜드체인 운송차량에서 탄소중립 기술이 개발‧적용된다면 대한민국 도로수송 탄소발생 감축목표의 약 10%를 감축할 수 있을 것으로 보고 있다.
디젤운송차량은 디젤이라는 화학에너지를 열에너지, 운동에너지, 냉각에너지로 전환해 냉장‧냉동을 운영하고 있다. 안 박사는 이런 비효율적인 단계를 간소화시킬 방법을 고민했으며 냉각에너지를 바로 꺼내 쓸 수 있는 기술에 대해 집중하게 됐다.
안 박사는 “냉각에너지를 저장하는 방법으로 가장 많이 사용되는 것이 액체‧고체 상변화로 택배에서 사용하는 아이스팩 등이 일종의 열에너지 저장기술이라고 볼 수 있다”라며 “CTES기술이라고 불리며 ‘Cold Thermal Energy system’의 약어”이라고 설명했다.
CTES는 저렴한 가격과 쉬운 유지‧관리 등의 이점을 가지고 있으면서 긴 충전시간과 낮은 냉각성능 및 무거우며 큰 부피가 단점으로 작용한다. 때문에 CTES의 상용을 위해서는 충전시간 감소 및 무게‧부피 최소화를 위한 새로운 해결방안이 우선돼야한다.
현재 일반적인 CTES는 에너지저장물질과 열전달유체 경계에 케이스가 존재하는 indirect contact방식이다. 케이스로 인한 열저항이 증가해 내부 온도구배가 발생하며 차량이 연결될 때만 충전가능하다. 연구 진행 중인 직접접촉 방식 CTES는 에너지저장물질과 열전달유체 경계에 케이스가 없는 Direcr contact방식으로 열저항과 내부 온도구배도 없다. 또한 차량이 없는동안에도 냉각에너지 충전이 가능하단 이점이 있다.
현재 △공기유로 변경을 통한 성능변화 △직접접촉 및 간접접촉 방식의 냉각성능특성 비교 실험 등을 진행했으며 내년엔 실증연구를 진행할 계획이라고 밝혔다.
안 박사는 “기존 연구를 보면 직접접촉이 개념상으로는 좋은 건 알겠는데 실제로 간접접촉대비 직접접촉이 얼마나 좋은지 비교한 연구가 없어서 초기 연구 등을 시행했다”라며 “실제로 얼음량이 클수록 성능향상이 40~60% 정도 증가하는 걸 확인할 수 있었다”라고 밝혔다.
이어 “이번 연구는 얼음을 통해 차가운 공기를 만드는 것이 핵심이며 발상은 굉장히 간단한데 아무도 연구를 진행한 사람이 없었다는 점에서 스스로 확신을 갖지 못했던 것 같다”라며 “놓치고 있는 지점들도 존재하는 듯 해 콜드체인분야 전문가분들의 조언이 많이 필요하다”고 말했다.
직접접촉방출 냉각시스템, 제빙기 성능향상 필수적 전용석 아주대학교 교수는 ‘콜드체인 내 Direct contact discharge 기술 적용을 위한 제빙기 성능 개선에 관한 연구’를 주제로 발표했다. 한국식품연구원의 지원을 통해 진행하고 있는 연구다.
기존 콜드체인 유통시스템은 △디젤엔진 기반 △전기 기반 △축냉방식(비접촉) 방식 등으로 운영되고 있다. 디젤기반 시스템의 경우 낮은 에너지 효율, 온실가스 배출, 유지관리비 등의 문제를 안고 있으며 전기기반 시스템은 온실가스 배출측면에서 이점이 있지만 배터리 발열문제로 인한 운용효율이 떨어진다. 또한 전기배터리를 이용하는 냉각차량은 주행거리가 떨어져서 결국 차량의 수를 늘릴 수 밖에 없기도 하다.
축냉방식의 경우 온실가스 배출량이 적으며 설비 비용측면에서 우위를 차지하지만 축냉판에서의 결로와 차량하중 증가 등의 문제가 존재한다. 결국 직접접촉방출 냉각시스템 적용을 통한 콜드체인 유통시스템 운용효율 향상이 필요한 상황이다.
직접접촉방출 냉각시스템 적용을 위해서는 고효율 냉각에너지 저장시스템 개발이 필요하다. 또한 고효율 냉각에너지 저장시스템은 제빙기 성능향상으로 도달할 수 있는 지점이다. 결국 얼마나 얼음을 잘 얼리느냐가 중요한 문제가 되는 것이다.
연구는 현재 카페같은 곳에서 일반적으로 사용되고 있는 R404A냉매 사용 중소형 제빙기를 기반으로 실험장치를 구축했다. 실험은 버려지는 냉열에너지를 회수해 응축온도(압력) 감소를 유도해 제빙기의 효율을 증가시키는 방법으로 진행됐으며 △Spray cooling △Immersion cooling △Hybrid cooling 등 총 3가지의 냉각방식을 구축해 비교실험했다.
‘Spray cooling’은 평균 9℃의 저온배수를 활용한 Spray nozzle을 이용한 응축기 냉각방식을 적용했으며 별도의 응축기 변형 없이 배수를 활용한 응축기 냉각을 통한 제빙기 성능향상을 기대했다. 실험결과 Spray적용 시 평균 12.4°C 응축온도 감소 및 평균 10.6%의 제빙기 COP 증가효과가 나타났다.별도의 추가 동력없이 제빙기 성능향상을 확인할 수 있었다.
‘Immersion cooling’은 저온의 배수를 활용해 물의 수위에 따른 침지방식 응축기 냉각성능을 실험했으며 응축기 냉각성능 및 제빙기 운전성능을 비교해 배수를 활용한 최적의 냉각방식을 분석코자 했다.
실험결과 Immersion 1/3적용 시 평균 9.6°C의 응축온도 감소 및 평균 9.7%의 제빙기 COP 증가효과가 발생했으며 Immersion 2/3의 경우엔 팬에 의한 강제대류효과 저해 및 냉각수조의 온도상승으로 냉각효과가 미비한 것으로 나타났다. 즉 ‘Immersion cooling’은 증발온도의 급격한 감소에서 비롯된 사이클시간의 과도한 감소로 얼음생산량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
‘Hybrid cooling’은 펌프를 사용하지 않고 중력을 이용한 침지와 노즐의 중력식분사를 결합한 하이브리드 냉각방식을 적용해 최적의 냉각방식을 분석하고자 했다. 사이클 시간감소로 인한 얼음생산량 감소는 여전히 발생하지만 Spray cooling대비 평균 4.38% COP가 향상됐다. 또한 소비전력 감소 및 얼음생산량 증가로 인해 immersion 1/3대비 평균 4.81%의 CoP가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 배수를 활용한 hybrid cooling 적용 시엔 다양한 냉각방식 중 성능향상 측면에서 가장 우수함을 보여줬다.
전 교수는 “실험 결과 저온의 배수를 활용한 응축기 냉각효과 및 하이브리드 냉각방식 도입의 필요성을 확인할 수 있었다”라며 “향후에는 성능향상 및 탄소배출량 저감을 위한 Low GWP냉매 적용 제빙기성능 분석 및 제빙방식에 따른 성능분석을 통한 고효율 제빙기술 개발연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.
미활용 냉열에너지, 재생에너지 열원 가능이동건 선유이앤씨 소장은 ‘LNG냉열 활용, ESG경영 잠열 설계기술과 사업화 사례’를 발표했다.
이동건 대표는 동원그룹 기술고문 및 한국초저온 연구소장 및 기술고문을 맡고있는 등 저온물류센터에 대한 풍부한 운영관리 경험을 가지고있다. 과학기술정보통신부 연구사업인 ‘액화가스 냉열을 이용한 데이터센터 냉각시스템 개발 및 성능평가’와 산업통상자원부 연구사업 ‘보일러 대체 산업용 180℃급 고온 스팀히트펌프 기술개발 및 실증’에 참여하고 있다.
LNG는 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)의 약어로 대량수송과 저장을 위해 메탄이 주성분인 천연가스를 162°C로 냉각시켜 부피를 1/600로 압축시킨 무색 투명한 액체다. LNG는 인수기지에 하역 후 해수식기화기를 이용해 재기화시켜서 수요처인 발전소나 도시가스사에 공급하게 된다. 이 기화과정에서 냉열(Cold Energy)이 해수와 공기 중으로 발산돼 버려지고 있는데 약 202kcal/kg다.
이 대표는 “현재 LNG기화과정에서 콜드체인 물류센터에서 냉동창고를 운영하는 에너지의 5배 정도를 바다로 버리고 있는 상황”이라며 “LNG냉열을 어떻게 활용하며 어떤 기술로 활용할 수 있는지 알아보고자 한다”고 말했다.
LNG는 크게 메탄·에탄·프로판·부탄·이소부탄·펜테인·이소펜테인·니트로겐 등 8가지 혼합물질로 메탄함량 기준에 따라 크게 Lean·Rich·Typical로 분류하며 일반적으로 ‘Typical LNG’의 열 물성치로 분석한다. 여기서 모든 물질들이 보유하고 있는 총열량은 잠열(Latent-Heat)과 현열(Sensible-Heat)로 구성된다. LNG의 총열량 약 202Kcal/kg(1 bara, 0℃) 중 온도와 압력에 따른 차이는 있지만 일반적으로 1kg당 잠열이 약 120kcal, 현열이 약 82kcal/kg의 열량을 가지고 있다.
LNG는 액화과정에서 분진, 유황, 질소 등의 불순물이 제거돼 연소 시 공해물질이 거의 발생하지않으며 발화온도가 높으며 누출이 돼도 대기 중에 쉽게 확산되므로 매우 안전한 가스다. 현재 일본에서 미활용 LNG냉열을 이용한 산업들이 오래 전부터 개발돼 시행되고 있으며 국내도 평택인수기지에 공기분리 공장을 건설해 운영 중에 있다.
LNG냉열을 이용한 사업화 실적으로는 △에너지 완전자립형 에너지솔루션 기술 △한국초저온 평택의 LNG연료전지 발전 사례 △한국초저온의 LNG발전과 냉‧온열 융‧복합 시스템 △베트남 티바이 LNG냉열 이용 물류센터 등을 소개했다.
이 대표는 “한국초저온의 물류센터는 냉동기 없이 LNG냉열 교환으로만 –60℃~-80℃를 가동하고 있으며 베트남에서 기획 중인 티바이물류센터는 LNG냉열을 이용해 약 70%까지 전기운영 비용을 중리는 친환경‧저비용 냉동물류창고 운영프로젝트”라며 “LNG냉열은 데이터센터, 스노우파크 등 다양한 분야에서 사업화가 가능하며 현재 활용되지 않고 있는 이런 에너지를 활용할 수 있도록 많은 연구가 이뤄져야 할 것”이라고 강조했다.
CO₂초임계시스템 전력절감 실증 확인정연주 한국마이콤 선임은 ‘초임계냉동기의 실증사례를 통한 전력절감 효과 분석’을 주제로 강연을 진행했다. 정 선임은 HFC냉매와 CO₂냉매의 특성을 비교하며 CO₂냉매 사용 시 가능한 전력절감 사례를 소개했다. 또한 한국마이콤의 CO₂냉매 활용 냉동기 MC-ECO2를 통한 실증사례를 발표했다.
CO₂냉매는 지구온난화지수가 낮은 자연친화적 냉매이며 임계점 온도가 낮아 외기온도가 25℃이상의 조건에는 초임계시스템으로 운영된다. 또 하나의 특징으로는 증발잠열이 크며 비체적이 작아서 HFC계 냉매에 비해 작은 배관사이즈로도 설치가 가능하다.
CO₂초임계시스템 장치는 △메인압축기 △패러렐압축기 △가스쿨러 △고압팽창변 △플래쉬탱크 △플래쉬 가스 바이패스 밸브 △팽창변 △증발기 등으로 구성돼 있다. CO₂냉매는 압축 후 초임계 상태로 가스도 액체도 아닌 상태다. 상변화를 하지않기 때문에 응축기 대신 가스쿨러로 냉매를 냉각한다. 플래쉬 탱크는 냉매가스와 냉매액을 분리하는 기액분리기이자 증발기의 안정적인 액공급을 위한 수액기의 역할을 한다.
정 선임은 “글로벌 추세에 따라 국내에서도 CO₂냉매 냉각시스템이 개발되고 있으며 한국마이콤에서도 2022년 국내 최초 산업용 CO₂ 초임계 냉동기를 출시했다”라며 “냉장전용인 C-70과 냉동전용인 F-140 모델 등이 있으며 지속적으로 시장수요에 맞는 모델을 개발해 출시 중에 있다”고 말했다.
이어 “그러나 CO₂초임계시스템은 단순히 장치만을 갖춘다고 에너지효율 향상이 가능한 것이 아니다”라며 “설비가 설치된 환경조건 및 환경부하에 따른 운전 설정과 운전데이터에 따른 세팅치 제어 등 고객에게 최적화된 통합 냉동시스템이 가능해야 각 구성장치로 최대 에너지 효율 향상을 실현할 수 있다”고 설명했다.
에너지효율을 위한 최적의 CO₂ 통합냉동시스템은 △최적의 압축기 댓수 선정 △설치지역 기후조건에 적합한 가스쿨러의 선정 △HMI 통합모니터링 시스템 △공장의 운전특성에 따른 인버터 제어 △입‧출고조건에 따른 증발기의 최적설계 △전자식 팽창변을 채용한 흡입과열도 최적 제어 △최적고압과 중압의 유지 등의 요소들이 갖춰졌을 때 가능하다.
한국마이콤은 이러한 최적의 시스템 제어를 통해 냉장 C급‧냉동 F급의 전력절감 실증사례를 분석했다. 그 결과 CO₂초임계시스템 채용 시 냉장 C급은 월별 전력소비량이 평균 43% 절감됐으며 냉동 F급은 평균 27% 절감되는 것을 확인할 수 있었다.
정 선임은 “실제 유럽과 일본에서 분석한 바에 따르면 CO₂초임계냉동기의 에너지 절감효과는 평균 30% 정도이며 기존에 사용한 프레온 냉동기상태에 따라서 절감률이 더 높아질 수도 있다고 보고되고 있다”라며 “콜드체인의 온실가스감축이 시급한 국내의 현 상황에서 CO₂초임계시스템은 자연냉매 전환으로 가져오는 CO₂ 직접배출 삭감은 물론이며 에너지절약으로 가져오는 간접배출까지 삭감할 수 있는 좋은 방안”이라고 말했다.
쇼케이스분야 효율관리 시급김원욱 한국냉동공조인증센터 박사는 ‘콜드체인 냉동·냉장장치 성능시험 표준 및 인증제도 현황’에 대해 발표했다.
글로벌 콜드체인 시장은 급격한 성장세를 보이고 있다. 전 세계 콜드체인분야 냉동시장은 2024년 1,672억달러에서 2029년 2,690억달러까지 증가할 것으로 예상되며 저장시설분야는 2024년 711억달러에서 2029년 1,128억달러까지 증가할 것으로 예측되고 있다. 국가별로는 특히 독일과 인도를 중심으로 폭발적인 시장 성장세가 나타나고 있다.
유엔식량농업기구의 자료를 보면 매년 생산되는 식품 총 생산량은 약 40억톤이지만 소비량은 28억톤이며 12억톤은 폐기되고 있다. 이중 약 7억8,000만톤이 생산‧물류‧판매단계에서 적절한 콜드체인시스템을 갖추지 못해 폐기되는 경우다.
김 박사는 “온도관리를 통한 정온물류 품질이 유지될 경우에 폐기되는 물류를 줄일 수 있으며 이로 인해 에너지 절감도 가능하다”라며 “냉동‧냉장진열장인 쇼케이스는 판매단계에 해당하는 콜드체인의 대표적인 장치”라고 설명했다.
콜드체인 냉동·냉장설비 효율관리제도 품목개발의 배경으로는 △전 세계 및 국내 콜드체인시장 급성장 △콜드체인 정온물류 온도품질 확보필요 △콜드체인 에너지사용 등 탄소배출 관리 및 절감필요 △콜드체인 설비제조업체 시험방법·능력단위통일 필요성 등을 꼽았다.
콜드체인시장이 급성장하고 있는 있지만 콜드체인시스템 자체가 에너지를 굉장히 많이 쓰는 산업으로 현재 일본‧중국‧미국‧유럽 등에서는 에너지라벨이나 최저효율기준 제도 등으로 관리를 하고 있다. 하지만 한국의 경우 일부 음료수 진열대나 점포에 있는 냉장고 등만 효율관리가 되고있으며 냉장‧냉동 쇼케이스는 효율관리제도의 대상이 아니다.
김 박사는 “현재 쇼케이스 분야의 효율관리가 시급하며 특히 에너지를 많이 쓰는 분야이기에 관련 기관에 현황을 알리며 제도마련을 위한 연구를 지속하고 있다”라며 “미국이나 유럽 사례들을 검토하고 있으나 현실적으로 쇼케이스 효율관리제도를 시작하면 업계가 쉽게 따라오지 못할 확률이 커 간단한 방식으로 다양하게 검토 중”이라고 설명했다.
한국냉동공조인증센터는 KS B ISO 23953 냉동·냉장 진열장의 효율관리제도를 개발 중에 있다. 현재 국내 효율관리기자재 품목에는 상업용 냉장고·냉동고 및 음료수용·직립형 냉장진열대가 포함돼 있다. 냉장고·냉동고 및 음료수용·직립형 냉장진열대의 경우 시험방법에서 ‘조명·문 개·폐’에 따른 구분이 없지만 냉동·냉장 진열장에선 ‘조명·문 개·폐’구분이 들어가는 것이 가장 큰 차이점이다. 진열장은 소비자에게 상품을 진열해서 판매하는 것을 목적으로 두기에 조명을 켠 상태로 문 개·폐가 일어났을 때 소비전력량이 어떠한 지 파악하는 것이 중요하기 때문이다.
한국냉동공조인증센터는 에너지공단의 용역으로 2023년부터 일부 연구를 진행했으며 현재는 한국에너지기술평가원에서 발주한 콜드체인 제도 연계형 과제를 통해 연구를 이어가고 있다.제도개발을 위해 기관과 협의해 논의를 이어가는 워킹그룹 회의를 4차까지 진행했으며 오는 10월 5차 워킹그룹 회의를 준비하고 있다.
