냉동·냉장식품의 콜드체인시스템은 예냉을 포함한 냉동·냉장 저장시스템, 수·배송시스템, 쇼케이스 등으로 나눌 수 있다.
여기서 냉동·냉장식품이란 구체적으로 농·수·축산물, 화훼, 가공식품, 의약품 등의 식품류를 총체적으로 의미하며 저온유통시스템의 본질적인 목적은 이들 대상물을 적정온도하에서 일정하게 유지함으로써 생물학적 반응을 억제, 선도 및 본질적 가치를 연장시키는 것을 포함한다.
2013년을 기준으로 미국 내 전체 콜드체인시스템 중 PCM(상변화물질: Phase Change Material)을 적용한 축냉식 콜드체인시스템은 3% 정도이나 뛰어난 정온유지 및 위생관리 능력으로 점차 확대될 것으로 예상된다.
실제로 기술시장 조사기관인 MarketsandMarkets에서 예측한 PCM시장규모를 살펴보면 고정식 냉동기를 사용하는 축냉식 콜드체인시스템의 경우 2018년 PCM시장규모를 연평균성장률 16.9%에 6,090만달러로 추정하고 있으며 이동형 축냉식 콜드체인시스템(Shipping, Packaging & Transportation)의 경우 시장규모가 300% 이상인 1억9,690만달러로 예상하고 있다.
현재 적용되고 있는 대표적인 축냉식 콜드체인시스템으로는 성숙기에 접어든 냉동탑차와 성장기의 소형 이송박스 및 도입기의 냉동창고가 있으며 국내 및 글로벌시장에 공급되고 있다.
PCM 냉동차, 심야전기로 축열
일반적으로 냉동차는 탑재된 냉동기의 동력원을 엔진으로부터 취득하고 있으며 대형인 경우 별도의 보조엔진을 사용하고 있다. 하지만 PCM냉동차시스템은 특정 운송품목 및 국가별 운영시스템 규정에 따라 냉동차에 고내 온도유지를 위해 적절한 온도대의 PCM을 판형 또는 특정형태의 용기에 봉입한 PCM모듈을 장착해 심야시간대 전기로 냉열을 축적하고 주간에는 냉동기 운전없이 저온상태로 내부온도를 유지시킨다.
PCM 냉동차의 가장 큰 특징이자 장점은 엔진구동식 냉동차와 비교해 환경친화적이라는 점이다. 엔진구동식의 경우 운행 외에 소모돼야할 연료만큼 배기가스에 의한 환경오염이 심각한 정도에 이르고 있기 때문이다.
이 밖에 고내의 습도가 높게 유지돼 제품의 신선도 유지가 용이하고 야간에 냉열을 저장, 주간에 방열하므로 운영비가 절감된다. 도어개폐 시 외기부하에 의한 고내온도 상승이 설정온도로 신속하게 복귀되는 장점도 갖고 있다.
PCM 냉동차의 단점은 PCM모듈 무게에 의한 하중부담과 PCM에 의한 고내 설정온도 조절 폭 제한 등을 들 수 있다. 이러한 단점은 지입차 제도를 운영하고 있는 국내실정에서 보급확대에 큰 걸림돌로 식품회사에서 물류를 직접관리하거나 아이스크림 같이 확실한 온도유지가 필요한 곳에 주로 보급되고 있다.
일반적으로 PCM냉동차의 고내온도 유지능력은 외기온도가 30℃ 이상이고 냉동차의 도어개폐가 없는 조건에서 –18℃ 이하로 15시간 이상 유지되도록 설계한다.
이송용 PCM박스…정온유지 탁월
PCM을 이용한 소형 박스의 적용분야는 음식료(F&B), 의료, 전자기기 및 특수장비 등 보관보다는 이송용으로 응용되는 영역이 훨씬 많다. 단열재로는 일반적으로 EPS나 폴리우레탄 재질을 사용하지만 장시간 이송 시 일반단열재보다 약 7~8배 우수한 고효율 진공 단열재(Vacuum Insulation Panel)를 적용하고 있다.
실제 테스트결과 평균 대기온도 30℃ 조건에서 4일 동안 박스 내부의 온도가 PCM에 의해 –20℃ 이하 환경에서 제약품 이송규정에서 요구하는 온도(2~8℃)를 3.5일간 유지할 수 있다. 독일의 Va-Q-tec AG사는 밴이나 트럭, 선박, 항공기 등에 사용이 적합한 125×85×132cm³ 규모의 초단열 컨테이너를 개발해 약 500kg 이상의 물품을 20℃ 외기온도에서 –18℃ 이하 온도로 4일간 유지가 가능하게 상용화했다.
의약품 이송박스의 경우 대상제품이 고가이기 때문에 저장용기와 이송온도에 매우 민감하다. 또한 제품에 따라 보존온도 영역도 다양하기 때문에 PCM을 적용한 적합한 용기가 개발돼 공급되고 있다. 혈액운송 시 혈액은 동결되지 않은 상태로 2~10℃를 유지해야 하므로 PCM을 사용한 전용용기가 개발, 상용화됐다.
국내에서는 백화점, 대형마트 등에서 식품배송을 위한 스티로폼재질의 물류박스에 PCM을 사용하고 있으며 일부 식품업체에서는 재활용이 가능한 진보된 단열용기를 개발해 주기적인 배송에 적용하고 있다.
주목할 부분은 최근 들어 의약품과 같은 고부가가치 물품에 대한 정온유지 배송에 대한 수요가 늘어나면서 이에 대한 업계의 신제품 개발이 활발히 진행되고 있다.
정확한 온도유지 및 소비전력 감소
PCM을 적용한 냉동창고시스템의 대표적인 장점은 일정한 온도유지를 위한 냉동기제어방식을 간편하게 할 수 있으며 정확한 온도유지를 구현할 수 있다는 것이다.
특히 냉매 또는 브라인 냉각방식에서 유닛쿨러를 제어해 온도를 조절하는 것과 비교해 냉동기의 on/off 횟수를 줄여 시스템의 안정성 및 내구성을 확보할 수 있고 보다 정확한 온도유지가 매우 용이하다. 고내공기와 열교환기의 온도차를 줄임으로써 제품의 건조현상도 줄일 수 있다. 심야전기 또는 경부하 시간대의 저렴한 전력을 이용해 주간시간대의 부하를 감당할 경우 운영비의 대폭적인 절감도 기대할 수 있다.
이러한 PCM의 장점을 이용해 미국의 Viking Cold사는 부하가 상대적으로 작은 야간시간대에 증발기로부터 공급되는 냉기로 PCM모듈을 동결한 후 전력소비 피크시간대에는 냉동기 가동을 정지시키고 PCM모듈로부터 방출되는 냉기로만 고내온도를 유지하는 축냉식 냉동창고시스템을 개발했다.
Viking Cold사는 Fermont, CA.에 320ft² 규모의 식료품 냉동창고를 대상으로 실증시험을 한 결과 일반 냉동창고 운전과 비교해 피크시간대 냉동기 가동시간을 60.2%(냉동기 가동정지시간: 6.5hr) 줄였으며 이때 소비전력은 6kW에서 1kW로 85% 감소효과를 얻었다.
또한 부가적인 효과로 도어개방시 냉동보관품의 온도상승이 일반 냉동창고에 비해 매우 느리게 변화하며 냉동기 운전의 탄력성이 다양해지는 장점을 갖고 있다.
국내에서는 한전의 심야전기 적용을 받기 위한 유사한 형태의 PCM 냉동창고를 개발하기 위해 검토 중이거나 일부 업체에서는 시험중에 있는 것으로 파악되고 있다.
이와 같이 해외는 물론 국내에서도 PCM이 적용된 다양한 물류시스템이 개발 또는 상용화됐음을 알 수 있다.
축냉식 콜드체인기술이 선택되는 이유는 복잡한 냉동기 제어기술이 없어도 뛰어난 정온유지 특성을 갖는다는 점과 냉동기와 분리돼도 일정시간 독립적인 온도유지 능력이 있기 때문이다.
또한 전력소비 피크시간대에서 기타시간으로의 부하이전이 가능해 상대적으로 발전단가가 비싼 LNG 또는 신재생에너지원을 이용하는 추세에 피크시간대의 전력소비 감소 및 에너지저장 기능은 앞으로도 매우 필요할 것으로 보인다.
냉동·냉장식품의 콜드체인시스템은 예냉을 포함한 냉동·냉장 저장시스템, 수·배송시스템, 쇼케이스 등으로 나눌 수 있다.
PCM을 적용한 냉동창고시스템의 대표적인 장점은 일정한 온도유지를 위한 냉동기제어방식을 간편하게 할 수 있으며 정확한 온도유지를 구현할 수 있다는 것이다.
목록
