대한설비공학회(회장 김민수) 콜드체인부문위원회(위원장 오종택)는 11월19일 개최된 2021년 동계학술발표대회에서 콜드체인 특별세션을 구성해 최근 화두가 되고 있는 에너지효율화·친환경성 확보 및 탄소중립 기여방안을 논의했다.
전자상거래 활성화 및 코로나19로 인한 비대면산업 성장은 콜드체인산업의 급격한 성장을 이끌고 있다. 전 세계적으로 콜드체인산업은 앞으로도 성장잠자력이 유망한 분야로 예측되고 있으며 이에 따라 에너지효율화 및 온실가스 배출감소 필요성도 확대되고 있다.특히 냉동냉장분야는 콜드체인산업에 있어 떼려야 뗄 수 없는 중요한 역할을 담당하고 있다. 냉동기의 효율화 등 기술개발에 집중하고 있는 설비공학회 콜드체인부문위원회는 이러한 사회적 공감대 형성을 인식하고 콜드체인산업이 나아갈 방향을 제시하고자 한다.
이번 세션에서는 △콜드체인용 냉장비에서의 인버터시스템기술 적용효과와 필요성(양연호 오텍캐리어냉장 이사) △콜드체인시장을 위한 혁신적 솔루션(황준하 아르네코리아 부장) △에너지절약형 냉동창고의 우수사례 소개와 향후 개발과제(정연주 한국마이콤 선임) △냉동저장고 및 건조기 복합시스템의 증발압력 제어에 관한 연구(허재혁 한국에너지기술연구원 박사) 등이 발표됐다.
콜드체인부문 탄소중립 기여방안
양연호 오텍캐리어냉장 이사는 ‘콜드체인용 냉장비에서의 인버터시스템기술 적용효과와 필요성’을 발표했다.지구온난화 속도가 예상보다 빨라지고 있다는 우려 속에 세계 각국은 기후변화에 대한 대응책으로 ‘2050 탄소중립’ 선언을 이어가고 있다. 2019년 12월 유럽연합을 시작으로 중국(2020년 9월), 일본(2020년 10월)에 이어 한국도 2020년 10월28일 탄소중립을 선언했다.
이에 따라 제조업계도 이산화탄소 배출을 최대한 줄이기 위한 고효율에너지기자재 개발과 상용화하는 노력은 필연적 선택이다.
콜드체인시스템은 산지에서 생산된 식자재를 보관, 운송, 소매 등의 모든 프로세스에서 식자재의 원형 그대로 신선도를 유지하며 장기간 보존할 수 있도록 적정온도를 유지하는 시스템으로 연중상시 운전해야하므로 막대한 전력을 소모하는 에너지다소비형 시스템이다.
또한 콜드체인용 시스템은 계절별, 낮과 밤, 하루 중에도 오전·오후의 주위온도가 다르고 운전 중 열 출입이 많아 부하변동 폭이 커서 부분부하가 빈번하게 발생한다. 고효율 인버터시스템은 부하변동에 따라 모터를 가변제어 함으로써 부분부하에 특히 에너지절감효과가 탁월한 시스템이다.
이 시스템을 콜드체인시스템에 적용하고 부분부하 시 변동되는 부하에 따라 냉매유량을 최적의 상태로 공급하는 알고리즘을 개발해 사이클매칭을 한 시스템이 개발·상용화됐다.
인버터기술을 적용한 콜드체인용 인버터형 시스템과 기존 정속형시스템과의 에너지소비량 비교시험을 자체 시험실에서의 시험과 고객주도 고객사 객장에서의 실증시험, 해외 외부기관에서 시험한 결과 인버터형 시스템이 정속형대비 각각 60%, 38%, 38.2% 에너지소비량 절감을 확인했다.
자체 시험실과 실증시험 및 해외 외부기관 시험결과의 차이는 주위온도 조건에 의한 것으로 자체 시험실에서는 부분부하가 큰 봄, 가을 및 겨울조건이 포함됐으며 실증시험과 해외 외부기관의 시험조건은 여름조건으로만 시험한 차이로 볼 수 있다.
양연호 이사는 “인버터형시스템은 정속형 시스템대비 여름철 조건에서 최소 38% 에너지소비량 절감이 가능하다”라며 “특히 부분부하가 빈번하게 발생되는 봄, 가을, 겨울철에 에너지절감효과가 크다는 것을 알 수 있다”고 말했다.
이어 “콜드체인용 냉장비는 연중상시 운전해야 하는 에너지다소비형 시스템으로 세계적 이슈인 온실가스감축에 대응하고 있는 정부정책인 ‘2050 탄소중립’을 실현하기 위해서도 에너지절감효과가 입증된 인버터형시스템 적용이 절실한 상황”이라고 말했다.
양 이사는 “이와 함께 콜드체인용 냉장비에 인버터형시스템을 확대하기 위해서는 부분부하를 적용하는 국내 시험규격과 고효율인증제도를 개정 및 제정하고 효율인증을 할 수 있는 공인인증시험기관의 전용시험실 구축이 필요하다”고 강조했다.
콜드체인산업 경제성·친환경성 확보 방안
황준하 아르네코리아 부장은 ‘콜드체인시장을 위한 혁신적 솔루션’을 발표했다.국민 소득수준 향상과 코로나19로 인한 콜드체인 수요의 증가에 따라 관련시장에서는 에너지절감이 이슈화되고 있다. 이러한 에너지이슈는 친환경성 확보와 함께 전 세계적인 공통분모로 자리잡고 있다.
콜드체인산업의 핵심인 냉동기에 사용되는 냉매가 에너지 절감 및 친환경성 확보에 가장 핵심이 되는 요소로 글로벌 환경규제에 따라 낮은 GWP를 보유한 냉매로의 전환이 이뤄지고 있다. 하지만 우리나라의 경우 GWP 3,900대인 R404a와 R507이 기존 냉매를 대체할 신냉매로 인식되고 있어 글로벌 트렌드에 역행하고 있다.
냉동기의 경제성과 친환경성을 위해서는 기기의 시스템디자인과 냉매를 고려해야 한다. 다가오는 50년 동안 인류생존에 가장 위협적인 요소는 에너지와 환경이 지목되고 있으며 이는 인류생존을 위해 현재 해야 할 행동으로 탄소중립이 가장 시급하다는 것을 방증하고 있다.
농장에서 식탁까지 식품, 의약품을 전달하는 콜드체인산업은 HFO 및 자연냉매를 통한 친환경시스템 구축으로 탄소중립에 기여할 수 있다. 일본의 경우 강력한 냉매규제를 통해 GWP를 제한하며 자연냉매 사용을 유도하고 있지만 우리나라는 아직까지도 국가적 냉매규제는 미흡한 실정이다.
아르네코리아는 에너지효율과 친환경성을 동시에 보장하는 냉동시스템을 구축했다. 에너지다소비형 기기인 상업용 냉동기에 이코너마이저를 적용, 향상된 제어알고리즘을 설계한 고 신뢰성 냉동기 제품이다.
콜드체인 전용으로 제작된 인버터냉동기로 여름철 외기온도 상승 시에도 안정적인 압축기 구동이 가능해 COP를 25% 향상시켰으며 냉매량 변화에도 최적의 사이클이 구현되도록 설계했다. 국내에서 유일하게 HFC 및 HFO냉매를 시스템 교체 없이 사용이 가능한 것이 강점이다. 20RT 미만으로 최대 75마력까지 구현이 가능하며 냉동·냉장 겸용으로 설계, 넓은 운전영역을 실현하며 대형 유통매장에 유기적으로 대응할 수 있다.
에너지절약형 냉동창고 사례연구
정연주 한국마이콤 선임은 ‘에너지절약형 냉동창고의 우수사례 소개와 향후 개발과제’를 발표했다.코로나19가 가져온 우리 사회의 변화 중 하나는 비대면 활동의 증가로 인한 식품의 온라인 유통이 커지면서 식품 콜드체인의 중요성이 부각됐다는 것이다. 식품 콜드체인을 구성하는 여러 단계의 가치사슬 중 냉동창고의 보관역할은 31~75%(출처: Marketsandmarkets, Cold Chain Market, 2020)로 매우 높은 비중을 차지하고 있다.
우리나라 냉동창고의 보관능력은 520만톤(출처: 냉동냉장수협, 2020년 10월 기준)이며 냉동창고 보관용량 증가율은 과거 30년동안 연간 약 5% 미만으로 완만하게 증가돼왔다. 그러나 최근 몇 년 전부터는 냉동창고의 보관능력 증가율이 10% 이상의 두 자리 숫자를 기록하며 가파르게 치솟고 있는 추세를 보이고 있다. 이는 수도권 지역에서의 대규모 물류형 냉동냉장창고의 신·증설이 집중되고 있기 때문이다.
전체 콜드체인시스템이 사용하는 에너지 중 식품의 냉장·냉동·동결 등 냉각설비가 차지하는 비율은 50% 정도로 나타나고 있다. 식품을 보관하는 냉동창고의 경우 냉동창고 전체 전기에너지사용량의 60~70%를 냉각설비가 사용한다. 냉동창고의 전기에너지 사용량은 동일한 냉동창고 규모라고 하더라도 각각 연간 전기사용량이 최소 두 배 이상 차이가 나는 사례가 국내는 물론 해외에서도 다수 조사되고 있기 때문에 유럽과 일본, 미국에서는 냉동창고의 기준 에너지사용량(SEC-Specific Energy Consumption, KWh/㎥/year)을 규정하고 냉동창고의 에너지절감을 위한 데이터 조사 및 연구가 계속되고 있다.
전 세계 냉동창고의 보관용량은 2020년 기준 7억1,900만㎥(2억5,900만톤)으로 GCAA의 GLOBAL CAPACITY REPORT에서 조사됐다. 또한 글로벌 콜드체인시장 규모는 2020년 1,972억4,000만달러(약 236조7,000억원)이며 이중 냉동창고 시장규모는 콜드체인시장의 65.8%를 차지하는 1,296억9,000만달러(약 155조6,000억원)로 나타나 콜드체인 중에서 냉동창고가 중요한 역할을 차지하는 것을 알 수 있다.
정연주 선임은 “우리나라 냉동창고의 보관용량은 2020년 기준 520만톤으로 연간 전기사용량은 일본 냉동창고 기준의 SEC인 158KWh/ton/year을 적용할 경우 연간 8억2,160만KWh의 전기를 사용하는 것으로 추정할 수 있다”라며 “기존 냉동창고의 경우에도 냉각설비 개보수작업을 시행한다면 현재 국내 냉동창고의 전기사용량을 최소 30% 이상 절약할 수 있다”고 말했다.
이어 “이러한 에너지절감 노력으로 연간 2억4,648만KWh의 전기사용량을 절감할 수 있게 되고 이를 CO₂ 상당톤으로 환산하면 연간 11만4,860TON의 CO₂ 배출량을 줄일 수 있다”라며 “냉동창고의 에너지절감 노력은 기후위기를 극복하기 위한 CO₂ 배출량삭감과 냉동창고의 운영원가 절감, 천연자원의 보호라는 3가지의 목적을 갖고 실행돼야 한다”고 말했다.
냉동저장고 및 건조기 에너지효율화 방안 제시
허재혁 한국에너지기술연구원 박사는 ‘냉동저장고 및 건조기 복합시스템의 증발압력 제어에 관한 연구’를 발표했다.국내 농축산업분야에서 널리 사용되는 건조기는 주로 전기 또는 유류를 사용하는 저효율 제품이며 2010년 이후 매년 200만대 이상 보급되고 있다. 농축산품용 건조기는 운전특성 상 연중 최대 4~5개월을 지속적으로 사용하고 있어 국내 농업용 전력에너지의 상당량을 차지하고 있으며 신재생에너지 이용 및 히트펌프 방식이 적용된 고효율제품 보급확대를 통해 전력소비 절감이 요구되고 있다.
히트펌프식 건조기는 건조실 내부에서 발생하는 농수산물의 습기를 빠르게 제거하고 증기압축사이클의 적용으로 전기에너지 소모량을 줄일 수 있는 특징이 있다.
최근 농가에서 건조기와 냉동저장고의 동시 수요가 늘어남에 따라 건조기 및 냉동저장고를 결합한 형태의 제품이 등장하고 있으며 저장고에는 히트펌프 방식을 사용하고 건조기에는 히터를 사용하는 방식으로 적용하고 있다. 이러한 경우 전기히터 사용으로 인해 전력소비 절감에 한계가 있다.
이에 따라 히트펌프 방식을 적용한 건조기 및 냉동저장고 일체형 시스템에 대한 개발이 필요하며 이를 통해 공간효율성을 증대시키고 건조 및 냉동저장고의 운전에 소요되는 소비동력의 절감이 가능하다.
이를 위해 냉동저장고 및 건조기의 복합 냉동사이클 구현을 위한 실험장치를 제작했으며 건조기 및 저장고에 설치되는 개별증발기 압력제어 실험을 통해 복합시스템의 성능특성을 도출했다.
허재혁 박사는 “히트펌프 방식을 적용한 건조기 및 냉동저장고 일체형시스템 개발을 위해 실험장치를 제작했고 복합증발부 구성을 통해 건조실 및 냉동저장실의 증발압력 제어에 대한 연구를 진행했다”라며 “건조실 증발압력은 EPR의 개도변경을 통해 제어가 가능하며 EPR 개도 감소에 따라 건조실 증발용량은 감소, 냉동저장실의 냉동용량은 증가했다”고 말했다. 이어 “중간압력 제어에 따라 COP는 약 8% 정도 차이를 나타냈으며 최대 COP일 때 냉동용량은 전체 증발용량대비 76% 수준으로 도출됐다”고 설명했다.
