보일러 대체 산업용 180℃급 고온 스팀히트펌프가 개발된다. 

한국에너기술평가원은 2024년도 에너지기술개발사업 신규 연구개발과제로 ‘보일러 대체 산업용 180℃급 고온 스팀히트펌프 기술개발’ 과제를 공고했다. 이번 과제는 57개월간  1단계 3년, 2단계 2년으로 1차년도 정부지원연구개발비 50억원 내외를 포함해 1단계 170억원, 2단계 100억원 등 총 270억원의 연구개발비가 투자된다. 

탄소중립을 위한 전기화 전환을 위해 기존의 화석연료 보일러를 대체하는 고온스팀 히트펌프 기술 개발 필요성이 꾸준히 제기되고 있다. 이에 따라 정부는 ‘2030 NDC 및 2050 탄소중립 실현’을 위해 민간 주도의 임무중심 탄소중립 기술혁신 등 3대 방향을 제시하고 히트펌프기술을 100대 핵심기술에 2022년 10월 탄소중립·녹색성장 기술혁신 전략에 포함시켰다. 

국내 산업부문 에너지소비는 전체의 60% 가량 차지하며 산업에너지의 80%를 화석연료에 의존하고 있어 산업용 고온 히트펌프 도입을 통한 탈탄소화 지원이 중요하다. 

고온 히트펌프는 산업공정 탈탄소화를 위한 핵심기술로 다양한 산업분야에 적용 가능하며 EU와 일본 선진사들은 다양한 형태의 고온 히트펌프를 개발, 시장에 보급해 에너지절감효과를 확인하고 시장을 선도하고 있다.

MarketsandMarkets의 조사자료에 따르면 산업용 고온 히트펌프 세계시장은 2023년 40억1,700만달러의 규모로 추정되며 2028년까지 연평균 성장률(CAGR)은 6.8%로 성장 예상된다. 

우리나라대비 10여년 앞서 연구를 시작한 일본, EU를 포함한 다수 선진국들은 고온 히트펌프 관련 기술 개발을 진행 중이며 보일러를 대체할 수 있는 산업용 대용량 스팀 히트펌프 요소 및 시스템 기술을 개발하고 실증을 통해 트랙레코드 확보가 필요하다. 

글로벌 선전기업인 고베스틸, AMT, Skala Fabrikk AS 등 선진업체들은 스팀을 생산할 수 있는 히트펌프를 개발, 실증운전을 수행하고 있다. 

이번 과제의 최종목표는 기존 산업공정 열원으로 사용되는 보일러를 대체하기 위해 180℃ 이상 고온의 스팀을 생산하는 히트펌프 요소기술을 개발하고 히트펌프시스템 및 산업공정 적용 연계 기술을 개발해 산업단지에 실증 및 에너지소비 절감량을 확인하는 것이다. 

산업용 대용량(스팀용량 3MWth 이상) 히트펌프시스템을 실제 환경에서 성능검증까지 목표 달성을 위해 △180℃급 보일러 대체 산업용 고온 스팀히트펌프 요소기술 △대용량 스팀히트펌프 적용 고효율 증발기 및 응축기 △고온 스팀 생산을 위한 증기발생기 설계기술 △스팀히트펌프 저온부 폐열 공급을 위한 폐열회수 열교환기 설계기술 △Low GWP 저압 냉매 적용 환경에서의 퍼지 시스템 설계기술 △스팀 활용 확대를 위한 스팀 승온용 MVR(Mechanical Vapor Recompression: 기계식 증기재압축기) 설계기술  △180℃급 보일러 대체 산업용 고온 스팀히트펌프 시스템 기술 등이 개발된다. 

또한 △Low GWP(10 이하) 냉매 적용 히트펌프 시스템 설계 및 최적화 기술 △히트펌프 가열 용량 3MWth/unit 이상, 고온스팀 공급온도 180℃ 이상, 저온열원온도 100°C 미만, 스팀히트펌프 및 MVR 복합시스템 COP 2.5 이상 △180℃급 대용량 고온 스팀히트펌프 시스템 실증 및 운영기술 등도 개발된다. 

에기평의 관계자는 “180℃ 이상 고온 활용에 따른 요소부품과 시스템의 고온 안정성과 신뢰성을 확보하고 히트펌프와 MVR 연계 운전 최적화를 통해 기존 보일러대비 경제성 확보가 필요하다”라며 “높은 COP 확보를 위해 산업공정 열원기기의 경우 수요처의 특성에 맞는 엔지니어링 기술개발과 안정적인 운영기술 확보로 수요기업의 수용성 제고도 필요하다”고 밝혔다.

이어 “대용량 실증에 소요되는 전력 확보와 관리기술이 필요하며 Low GWP 친환경 냉매 적용을 통한 사회환경 위험요인도 대응해야 한다”고 강조했다.