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스페셜리포트

[특별기고] 고온수 히트펌프 개발 배경 및 확대 가능성

“산업공정 폐열 직접 이용
고온 토출형 HP, 공정효율 높여”

산업 전반에 걸쳐 COP 21과 같은 국제적인 회의에서 정한 탄소 배출량을 만족시키기 위한 다각적인 노력이 요구되고 있다. 이에 따라 신재생에너지와 저탄소에너지가 화석연료를 대체해 가고 있다.


히트펌프는 지속적인 에너지전환의 핵심기술로 인식되고 있어 가정과 상업용뿐만 아니라 산업용으로도 관심이 계속 증가하고 있다. 특히 히트펌프는 생활수준의 고도화와 산업발전에 따른 이산화탄소 감축수단으로서 각광을 받고 있어 날로 시장이 확대되고 있다.


히트펌프를 포함한 공조기기의 기술과 시장 관련 전문지인 JARN(Japan Air Conditioning, Heating & Refrigeration News)이 www.marketsandmarkets.com의 자료를 인용해 발표한 보고서에 따르면 히트펌프시장은 2018년 약 540억달러의 규모에서 5년 후인 2023년에는 11.68% 성장한 약 940억달러가 될 것으로 예측하고 있다. 올해 8월 몬트리올에서 개최된 국제학술대회(ICR 2019)에서는 국제냉동기구의 자료를 인용해 전 세계적으로 약 1억6,000만대가 운용되고 있으며 가정, 상업용뿐만 아니라 산업용 히트펌프도 포함돼 있는 것으로 발표됐다.


산업공정에서 발생하는 폐열의 약 60%는 경제적으로 직접 이용하기에는 온도가 낮기 때문에 고온 토출형 히트펌프는 이러한 중저온의 열원으로부터 산업공정에 유용한 고온을 얻을 수 있는 기회를 제공할 수 있다. 100℃를 초과한 고온의 열은 증기생산과 지역난방 혹은 산업공정으로 재통합해 시스템과 공정효율을 향상시킬 수 있다.


최종 에너지의 약 60%가 산업부문에서 소비되는 우리나라와 비교해 산업용 히트펌프를 다양한 분야에서 이용하고 있는 유럽의 경우 산업부문에서 약 2,000TWh의 열이 요구되고 있으며 이중 약 10%인 174TWh의 열을 재활용할 수 있는 것으로 보고하고 있다. 이 수치를 우리나라에 적용하면 시사하는 의미가 매우 크다.


이번 특별기고인 ‘고온수 히트펌프 개발 배경 및 확대 가능성’에 관해 운영국인 독일을 비롯해 오스트리아, 덴마크, 일본, 스위스 및 영국 등이 참여한 산업용 히트펌프 관련 국제공동연구 프로그램(ANNEX 48)의 최근 발표 결과를 먼저 언급하고자 한다. 이 결과는 앞에서 언급한 국제학술대회(ICR 2019)의 워크숍에서 발표됐다. 이 발표에서 흥미로운 사항은 오스트리아의 경우 2012년부터 2017년까지 산업용 히트펌프의 누적대수는 약 160대에 이르는 것으로 보고됐다. 스위스의 경우에도 전체 히트펌프의 1% 미만이지만 매년 115대에서 145대의 산업용 히트펌프가 판매되고 있다.


또한 금속, 식품, 발전 등 다양한 산업분야에서 설치돼 운전되고 있는 산업용 히트펌프에 의한 에너지절감 사례 소개는 국가산업, 에너지정책과 매우 밀접한 관련이 있으며 산업분야 적용은 향후 지속적으로 확대가 필요한 것으로 강조됐다.


참가국 중 하나인 일본에서 조사한 바에 따르면 29개의 증기이용공정에 대한 실제 조사결과 효과적인 증기이용률은 각종 손실(연소손실 10%, 배관 손실 26%, 드레인 손실 10%)로 인해 입력에너지의 54% 정도 수준이다. 이와 같은 공정에 성능계수(COP: Coefficient Of Performance) 3~5의 히트펌프를 적용하게 되면 50~70%의 에너지절감이 가능한 것으로 분석해 산업용 히트펌프 필요성을 강조했다.


그러나 산업공정 적용에는 현실적으로 요구열량과 열손실에 대한 데이터 부족, 히트펌프 사용 경험 부족, 생산라인 유지 리스크 회피, 정보공개 어려움과 함께 기술적 장벽(고온 히트펌프에 대한 신뢰성 부족, 폐열과 열 수요와의 시간적 그리고 공간적 차이) 등 장애요인이 존재하는 것으로 조사됐다.


Low GWP 냉매 대체 연구 활발.
현재 시장에서 활용이 가능한 히트펌프는 온수의 토출온도가 약 90℃로 제한돼 있는 상태이며 금속, 화학, 제지 등 각종 산업공정 상세척, 증발, 건조 등에 요구하는 매체의 온도는 150℃ 이상이다. 세계적으로는 현재 산업용 히트펌프로서 가장 고온의 증기를 생산할 수 있는 시스템은 일본의 고베스틸의 SGH 165 제품으로 스크류 압축기를 채용하고 증기재압축기를 부가적으로 이용토록 구성돼 있다.


이외에도 13개 제조사의 20종류의 제품들이 있으며 이용 가능한 온도와 용량으로 구분돼 있다. 냉매는 현재 R245fa가 가장 많이 이용되고 있으나 이 냉매가 가진 높은 지구온난화지수(GWP: Global Warming Potential)로 인해 이를 낮은 GWP를 가진 냉매로 대체할 필요가 있어 관련연구가 활발히 이뤄지고 있다.


언급된 히트펌프 제품들은 일반적으로 단일 사이클 혹은 내부열교환기, 과냉각기, 이코노마이저 등을 적용한 형태를 취하며 가장 큰 차이는 사용하는 압축기와 냉매에 있다. 주요 형태의 압축기는 트윈 스크류, 피스톤 그리고 2단 터보가 있으며 냉매로는 기존의 높은 GWP를 가진 R245fa, R134a와 신냉매로서 낮은 GWP를 가진 R1234ze(E) 등의 합성냉매와 R717, R744 등 자연냉매가 채용되고 있다.


이외에도 최근 발표에 따르면 R1336mzz(Z), R718, R600, R6001 등이 시도되고 있다. 특히 매우 낮은 GWP를 가진 R1336mzz(Z)와 R1233zd(E)는 각각 160℃, 140℃ 이상의 고온 생산이 가능한 것으로 알려져 있다.


또한 비교적 낮은 GWP의 냉매를 이용해 초임계사이클을 구성함으로써 120℃ 이상의 고온을 얻을 수 있는 시스템개발도 시도되고 있다. 한편 90℃ 이상의 고온을 생산하는 히트펌프는 증기압축식 외 흡수식, 압축식-흡수식 하이브리드식도 있다. 특히 압축식-흡수식 하이브리드식은 120℃ 이상의 토출이 가능한 제품이 상용화돼 있으며 적용온도 증가와 성능계수 향상을 위한 다양한 기술개발이 이뤄지고 있다.


우리나라에서도 국책과제와 한국전력공사의 심야전기 온수보일러 대체를 위한 히트펌프보일러 보급정책 등을 통해 80℃의 온수 토출이 가능한 히트펌프 개발과 시장형성이 이뤄진 바 있다. 또한 국책과제를 통해 스크류 압축기와 터보압축기를 이용해 120℃의 증기 생산이 가능한 산업용 히트펌프 개발도 이뤄졌으며 현재 상용화가 진행되고 있다.


산업분야에서의 에너지소비 비중이 매우 큰 우리나라에서도 고온토출형 히트펌프를 적용할 경우 발생할 수 있는 여러 가지 장애요인들을 극복하고 우수한 사례들을 지속적으로 발굴하고 홍보함으로써 국가적으로 목표하고 있는 탄소배출량 감소에 기여할 필요가 있다. 또한 냉매규제에 따른 다양한 사이클과 고온 토출의 한계를 극복하는 핵심및 요소기술, 산업 공정별 맞춤형 통합 운영기술 등에 대한 개발도 지속적으로 이뤄져야 한다.



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