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[인터뷰] 김욱중 한국기계연구원 박사

“LGWP 대응 기기개발 ‘국가경쟁력 확보”
‘Low GWP 냉매 대응 냉동시스템 원천기술 개발’ 총괄

지구온난화 방지를 위해 CFC냉매에 이어 HCFC냉매도 2030년에는 사용이 중지될 예정이다. 이처럼 냉매규제로 사용 냉매의 GWP수치는 지속적으로 감소할 것으로 예상된다.

전세계적인 규제 추세에 따라 냉동공조기계 세계 5위의 생산국인 우리나라는 2013년 기준 국내 생산액의 1/2 이상인 54억달러를 수출하고 있어 Low GWP 냉매 사용에 대한 적극적인 기술개발이 요구되고 있다. 특히 R600a를 사용하고 있는 가정용 냉장고와 암모니아와 CO₂를 채용하는 극히 일부의 산업용을 제외하고는 대부분 High GWP냉매를 사용하고 있어 대응기술 개발이 시급한 실정이다.

이에 따라 정부는 Low GWP(100 이하) 냉매를 적용하는 냉동시스템의 원천기술을 개발하고 있으며 김욱중 기계연구원 박사는 총괄책임자로서 국책과제를 수행하고 있다. Low GWP에 대응하는 국제적인 경쟁력 확보에 나서고 있는 김욱중 박사를 만나봤다.

■ 왜? HFO냉매인가
무엇보다도 지구온난화지수(GWP: Global Warming Potential)가 자연냉매 수준으로 낮은 것이 가장 큰 장점이면서 일부 제품은 기존의 HFC냉매를 대체할 경우 성능면에서도 크게 차이가 발생하지 않기 때문이다.

■ 현재 개발하고 있는 HFO 대응 과제 상황은
국책과제로 진행하고 있는 ‘Low GWP(≤100) 냉매 대응 냉동시스템 원천기술 개발’ 과제는 제1, 2 세부과제로 구분돼 진행하고 있다. 제1세부 과제에서는 원통다관형, 판형 및 핀-튜브형 등 다양한 열교환기 형태에 대해 Low GWP 냉매를 적용할 때 설계가 가능하도록 열전달 및 압력강하 상관식 개발을 목표로 하고 있다. 지금까지 HFO냉매로 R446A, R1234ze(E), R1233zd(E) 등을 적용해 각 열교환기 형태에 대한 상관식과 이를 활용한 열교환기 설계 프로그램을 개발했다.

Low GWP 냉매를 적용한 500RT급의 터보냉동기 개발을 목표로 하고 있는 제2세부 과제에서는 초기에는 R134a 냉매 대체를 위한 R1234ze(E) 냉매 적용과 R124 대체를 위한 R1233zd(E) 냉매 적용 냉동기 개발을 동시에 수행했다. 하지만 2차년도부터는 기술적 난이도가 높고 향후 히트펌프 시스템으로도 적용을 고려해 R1233zd(E) 냉매 적용 압축기 개발과 제1세부 과제에서 개발한 응축기와 증발기를 통합한 냉동기 개발을 진행해 현재 성능 시험을 수행하고 있다.

■ 전 세계 HFO 냉매 제품 개발, 출시 현황은
냉동기와 히트펌프, 자동차용 에어컨 등 매우 다양한 조건 및 제품군에 대해 아주 다양한 냉매들이 단일 혹은 혼합물의 형태로 적용되기 때문에 여기서 모든 HFO냉매 적용 제품에 대해 얘기할 수는 없을 것이다. 가장 대표적인 HFO냉매로는 자동차용 에어컨의 R134a 냉매를 대체한 R1234yf가 있지만 가격과 가연성 문제로 아직까지는 대량 공급이 이뤄지지 않고 있다.

많은 냉매 충진량을 요구하는 터보냉동기의 경우 Trane(Insersoll Rand), Carrier, Daikin, ME 등 이 분야의 선진기업이 R1234ze(E)와 R1233zd(E)를 적용한 제품개발이 꾸준하며 일부 판매해 적용한 사례를 발표하고 있다.

최근에는 R1233zd(E)대비 약간 우수한 성능을 가진 냉매로 일본의 AGC(Asahi Glass Co.)에서는 R1224yd(Z) 개발했다. Ebara사에서는 이를 적용한 터보냉동기도 발표한 바 있다.

또한 마그네틱 베어링을 적용한 무급유 압축기로 세계 시장을 석권하고 있는 Danfoss사에서도 HFO와 HFC 혼합냉매인 R513A 냉매를 적용한 제품 개발을 발표했다.

반면 히트펌프와 상업용 냉동·냉장시스템에 널리 이용되고 있는 R410a와 R404a 냉매를 대체하는 HFO냉매 개발은 용이하지 않는 것으로 보인다. 현재 R448A, R449A, R407H 등 다양한 냉매가 개발되고 있으나 GWP값이 HFC냉매인 R32에 비해 오히려 높은 단점 등이 있어 이 분야에서는 적합한 냉매개발이 더 필요한 것으로 판단된다.

■ 기존 제품과 HFO냉매 제품의 차이점은
HFO냉매는 기본적으로 기존의 HFC 혹은 HCFC 냉매 대체용이므로 두 가지 제품간 큰 차이가 없어야 된다. 그러나 화학적인 특성이 다르기 때문에 함께 사용하는 오일과의 상용성, 냉매가 접촉하는 부품과의 화학적 안정성 등 고려가 필요하다. 냉매 자체가 가지는 비열, 비체적, 열전도율 등 열화학적 특성의 차이로 인해 제품의 크기가 달라질 수 있다.

■ 결국 에너지효율성이 문제인데
저적한 바와 같이 최종적인 온실가스 저감의 척도는 냉매 자체가 가진 온난화지수와 누설, 운전에 따른 온실가스 발생량 등으로 산정해야 하는 만큼 에너지효율이 매우 중요하다. 이에 따라 개발된 HFO냉매에 대해서는 사이클 시뮬레이션 등을 통해 기존 냉매와 성능비교를 매우 상세하게 수행해 적용 가능성을 조사하는 screening 연구가 이뤄지고 있다.

현재까지 냉매제조사에서 발표한 대부분의 HFO냉매들은 특정 조건에서 기존 제품에 비해 성능의 우열을 어느 정도 예측이 가능하다. 다만 이와 같은 이론적인 성능결과를 압축기, 열교환기 등의 실제 부품들을 통해 제품으로 구현해야 하는 것이 관건이다.

■ 국내 도입이 본격화될 시점은
감히 예측하기는 어렵겠지만 아직은 기존의 냉매에 비해 10배 이상 되는 냉매가격이 매우 중요한 요소가 될 것으로 보인다. 국내에서는 HCFC냉매 사용이 금지되는 2020년 이후에나 관심을 보일 것으로 생각된다. 즉 본격화에 대한 예측은 현재로서는 어렵다.

■ HFO냉매 제품 활성화를 위해 필요한 것은
현실적으로 기존 제품에 비해 성능을 획기적으로 향상시키는 것은 용이하지 않으므로 동등 수준의 성능일 경우 에너지절약계획서 등에서 추가적인 가점을 부여하는 방식 등은 매우 바람직하다고 사료된다. 또한 성능 우위가 주요 평가의 척도가 되는 NEP 혹은 NET보다 녹색기술인증제도를 활용하면 좋을 것으로 판단된다.

■ 관련업계에 하고 싶은 말이 있다면
국내의 경우 Low GWP냉매 적용에 대해서는 자동차분야를 제외하고 아직은 발등에 떨어진 불이 아니라는 분위기이다.

그러나 몬트리올의정서보다 HFC 냉매에 대한 감축 속도가 훨씬 빠른 유럽의 F-gas regulation은 현재에도 적용되고 있으며 제품의 50% 이상을 수출하고 있는 국내의 냉동공조산업의 형편을 고려할 때 선제적인 대응이 반드시 필요하다.

이에 따라 이 문제에 대한 연구결과 등에 관심을 기울여 주시고 현재 수행하고 있는 국책과제의 결과 확산을 위해 한국냉동공조산업협회와 공동으로 수행하는 프로그램에 적극적으로 참여해 주시길 부탁드린다.

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