전 세계적인 기후위기에 대응하기 위한 탄소중립이 더이상 거스를 수 없는 시대적 과제로 부각됨에 따라 사회 전 분야에 걸친 온실가스 감축방안 논의가 이뤄지고 있다.
이러한 가운데 공기냉매를 활용한 Zero GWP 냉방·냉동기술이 개발되고 있어 식품·의약품 보관, 산업공정, 수소 등 다양한 분야의 탄소배출을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
신형기 한국에너지기술연구원 열변환시스템연구실장은 2006년부터 현재까지 열변환시스템에 대한 연구를 진행하고 있으며 2018년부터는 열변환시스템연구실을 지휘하고 있다.
불소계 온실가스 저감을 위한 Zero GWP 냉방·냉동기술 개발을 추진하고 있는 신형기 실장을 만나 냉방·냉동부문 탄소중립 현항과 현재 진행하고 있는 연구현황 및 개발방향에 대해 들었다.
▎열변환시스템연구실은에너지연의 열변환시스템연구실에서는 저온 및 고온열에너지의 효율적인 이용을 위해 열-열, 열-전기, 전기-열 등의 효율적 변환기술과 열을 이용한 대용량 전력저장을 포함한 열에너지시스템에 관한 연구를 수행하고 있다.
주요 연구분야는 △건물·산업용 히트펌프 △냉방·냉동 △열에너지네트워크 △재생에너지 변동성 대응 카르노배터리 △터보식 압축기·팽창기 △미래형 열교환기 등이다.
▎냉방·냉동부문 2050 탄소중립 달성 현안은
가장 중요한 현안은 효율향상과 냉매규제가 있다. 효율은 개별기기뿐만 아니라 실제 시스템운전 시 효율을 포함하고 있다.
그러나 현재 실제 설치환경에서는 표기된 효율수치가 나오지 않는 경우가 많은 상황으로 특히 냉방·냉동시스템은 현장 유지관리에 따른 효율변화가 큰 분야로 냉매누설, 열교환기 막힘 등이 주요 요인이다.
이에 따라 냉방·냉동부문에서도 Low GWP 냉매, Zero GWP 냉매 등의 적용과 AI, 딥러닝 등의 기법 도입이 주목받고 있다. 국제적인 협약 따라 높은 GWP의 냉매 사용을 2045년까지 80% 저감해야 하며 이후 기존 냉매를 활용하는 냉방·냉동기기 생산 및 활용이 현실적으로 불가능해질 전망이다.
특히 냉동부문에서 많이 활용되는 R404A와 R507A 등을 냉매의 경우 대체할 수 있는 냉매가 CO₂, 암모니아 등으로 제한적이다. CO₂의 경우 높은 압력비로 인한 설비안정성, 초기투자비 문제가 있으며 고압가스를 활용함으로써 대형화에 어려움이 있다. 암모니아는 독성으로 인해 도심에서 활용이 제한적이다.
전 세계적으로 Low GWP 냉매 전환이 가속화되고 있으며 규제로 인해 HFO나 자연냉매 전환이 이뤄져야 한다. 프레온 감축에 대한 계획은 이미 실행단계에 있으며 사용되고 있는 R22 냉매의 경우 매년 수입가스총량이 축소, 제한돼 2030년에는 전폐될 예정이다.
국내는 기존 프레온냉매에 대한 냉매전환 방향성이 뚜렷하지 않은 상황으로 산업용 냉열부문 역시 대체냉매 후보가 부족해 이에 대한 대비가 필요하다. 앞으로도 고품질 공조시스템은 물론 간편 밀키트, 초저온 의약품 유통망 등에 이르기까지 냉동서비스 수요는 지속적으로 고도화될 전망된다.
이에 따라 콜드체인시스템의 대형화·저온화 트렌드 또한 심화될 것으로 보인다. 전력은 재생에너지와 원자력 등을 통해 탄소중립을 달성해 나갈 예정으로 결국 남은 과제는 온실가스를 다량 배출하는 불소계 온실가스의 전환이라고 생각한다.
특히 석유화학부문 탈탄소화에 대한 규제가 가속화될 것이기 때문에 기존 화석연료기반 냉매시대를 종결짓고 자연냉매 기반 시스템 확산에 더욱 집중해나가야 한다. 이에 따라 에너지연은 자연냉매인 공기를 활용한 냉난방시스템, 냉동시스템 등을 적극 개발하고 있다.
▎Zero GWP 냉방·냉동기술은
자연상태 공기를 작동유체로 사용하는 시스템으로 압축기 동작을 위한 전기 외에 오일 등 타 물질을 일체사용하지 않아 가장 친환경적이며 탄소중립과 관련된 규제에서 자유로운 것이 특징이다.
특히 자연상태 공기를 사용하기 때문에 수입에 의존하고 있는 냉매를 비용효과적으로 대체할 수 있으며 최대 2bar 수준의 낮은 압력에서 동작해 안전하다.
시스템은 Reverse Brayton Cycle이 적용돼 –160~100℃의 넓은 온도범위에 대응할 수 있으며 온도가 낮아질수록 기존 기술대비 COP가 높은 것이 특징이다. 1단 압축기, 1단 팽창기, 열교환기 등으로 시스템이 구성됨에 따라 기존 냉동기대비 단순한 구조로 부피가 작으며 고장발생가능성이 낮으며 이에 따라 CAPEX(자본적 지출: 미래의 이윤을 창출하기 위해 지출한 비용), OPEX(영업비용: 정상적인 영업활동을 위한 비용)를 저감할 수 있을 것으로 기대된다.
넓은 온도대에 대응할 수 있어 △식품 냉동저장 및 동결건조 △특수의약품 저장 및 운송 △수소충전소 칠러 △반도체공정 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.
특히 수소충전소의 경우 압축기 토출수소를 냉각하기 위한 냉열공급시스템이 충전소 전체 에너지소비의 40%를 차지하고 있어 수소경제 전환 시 에너지 및 탄소 저감방안으로 적용할 수 있다.
또한 반도체 웨이퍼 식각공정시 –70℃의 극저온환경을 조성해야 하며 EDS(Electrical Die Sorting) 공정에서 완성된 웨이퍼를 저온테스트할 수 있는 극저온환경도 필요하기 때문에 반도체산업으로의 적용도 가능하다.
▎한계점 극복방안은
사이클 특성상 COP가 압축, 팽창과정의 효율에 좌우되며 소형·고효율 고속 터보식 압축기, 팽창기 개발이 필수적이다. 또한 공기냉매 적용을 극대화하기 위해서는 공기베어링과 같은 오일리스, 무접촉방식의 고속베어링이 적용돼야 한다.
공기냉매는 열교환성능이 태생적으로 낮으며 이를 극복하기 위한 공기-공기 열교환기, 공기-물 열교환기 적용을 고려하고 있다. 또한 고속회전 터보식 압축기, 팽창기에 의한 소음이 크게 발생해 개선이 필요한 상황이며 Open Cycle로 시스템이 구성됨에 따라 먼지, 수분 등 공기질 관리가 필요할 것으로 보인다.
냉방 단독운전 시 온도대에 따라 COP가 기존 기술대비 낮으나 토출구 폐열을 활용한 난방 및 급탕활용 연계시 COP를 제고할 수 있으며 냉방과 난방, 급탕을 동시에 공급할 수 있어 현재 고려되고 있는 냉방·냉장분야 외에도 건물용 냉난방시스템으로의 적용도 가능할 전망이다.
현재 개발 초기단계로 실험실 수준에서 개발, 성능시험을 하고 있으나 향후 –50℃ 이하 수십 kW 이상 용량의 수준으로 상용화를 목표하고 있다
