최근 탄소중립, 에너지가격 상승 등 글로벌 에너지산업이 급변함에 따라 히트펌프에 대한 중요성이 갈수록 커지고 있다. 2050 탄소중립(Net-Zero)의 선언과 함께 히트펌프 시스템이 주목받고 있으며 전 세계적으로 히트펌프 개발 및 산업으로의 적용 가능성에 대한 검토가 발빠르게 진행되고 있다. 

또한 세계적인 냉매 규제에 따라 산업용 시스템에 친환경 냉매 적용이 요구되고 있어 친환경 냉매를 활용한 기술개발도 활발하다.

산업용 히트펌프는 공장에서 발생하는 폐열을 이용해 고온의 열을 생산한 뒤 공정으로 재활용하거나 지역난방·공조 등에 열을 공급하는 시스템을 의미한다. 국제에너지기구(IEA)의 발표에 따르면 히트펌프는 온수 생산을 위해 사용한 연소식 보일러에 비해 1차 에너지와 온실가스를 각각 60%, 70% 이상 감소시킬 수 있는 대표적인 에너지절약기기로 명시하고 있다. 산업공정에 히트펌프를 열원으로 적용하기 위해서는 터보히트펌프 개발, 독자 기술 보유 및 기술 고도화가 필요하다. 이에 따라 대용량 온열 수요나 온수와 냉수를 동시에 필요로 하는 산업공정 적용을 위한 고효율 고신뢰도의 시스템 기술 확보 시급한 상황이다. 

냉동시스템 내 오일 농도 증가에 따른 효율저하 문제와 유지보수 비용 문제 해결을 위한 무급유 터보압축기 적용 대용량 히트펌프 개발이 필요하다. 대용량 터보히트펌프의 경우 국내 제품이 제한적이지만 향후 온실가스배출 저감 관점에서 고효율에너지기기·시스템 적용 증가를 고려하면 가파른 시장 확대가 예상된다.

 

산업공정 열원의 대부분을 화석연료에 의존하고 있어 산업공정 열에너지의 탈탄소화는 탄소중립을 위해 매우 중요한 숙제다. 화석연료 의존도가 높은 우리나라의 경우 공정열원의 80% 가량을 화석연료에 의존하고 있어 화석연료 대체기술 개발이 더욱 시급한 상황이다. 실제로 2019년 기준 우리나라 부문별 에너지소비에서 산업부문 에너지소비는 60.2%(1억3,634만8,000TOE)를 차지하며 산업부문 내 설비용(공정열)으로 사용되는 에너지소비량은 총 4,955만9,000TOE 수준이어서 저감기술 확보가 시급한 상황이다.

산업 공정은 100℃ 이상의 열수요가 많은 비중을 차지하고 있어 선진 각국에서는 열공급설비로서 히트펌프역할 확보를 위한 대용량 실증을 적극 추진하고 있다. 전 세계 히트펌프 시장은 2021년 기준 703억달러에서 2030년 1,394억달러로 성장할 것으로 예측되며 일본, 미국, 유럽 등 각 국가별 대표기업이 시장선점을 위한 경쟁 진행 중이다. 글로벌 히트펌프시장의 주요 기업은 일본의 Mitsubishi Electric, Daikin, 미국의 Carrier, Johnson Controls, Trane, York 등이 있다. 

기존에 적용된 작동유체에 대한 규제 현실화로 인해 새로운 냉매 개발과 신냉매에 최적화된 압축기 등 핵심부품의 고효율 기술개발이 진행되고 있다.주로 Low GWP로 주목받고 있는 HFO계열 냉매를 적용한 부품 구조, 베어링 소재 및 윤활계통 등 다양한 연구가 이뤄지고 있다. 

업계의 한 관계자는 “미쓰비시중공업, Trane, Carrier, Danfoss, Friotherm 등 히트펌프 기존 시장의 강자들이 새로운 압축기 개발과 시장점유율 확대에 집중하고 있다”라며 “중국의 Midea, Gree, 대만의 한벨 등에서도 기존 냉매에 자기베어링을 적용한 원심 압축기를 개발해 선보였다”고 밝혔다.

국내 히트펌프 주요기업으로 LG전자, 귀뚜라미범양냉방, 센추리, 신성엔지니어링, 대성히트에너시스 등이 있으며 국내 기업들은 상업용 냉난방을 위한 히트펌프 기술개발을 다수 진행해 다양한 기술개발 경험을 축적하고 있다.국내의 경우 수요자의 낮은 인식, 건물·가정부문 위주 개발 등으로 인해 산업공정에서 히트펌프가 보급된 사례는 사실상 전무한 상황이다. 화학공정에서 폐열을 MVR(mechanical vapor recompression), TVR(thermal vapor recompression)과 연계해 산업공정열원으로 활용한 사례는 국책과제를 통해 LG화학에 설치한 사례는 있다.

하지만 세계적으로는 히트펌프 보급률이 높아지고 있지만 국내에서는 히트펌프 활용도가 아직 속도를 내지는 못하고 있으며 건물용에 집중돼 탄소중립 달성을 위한 효과가 큰 산업용 기술개발은 더디다. 

 

특히 산업용 히트펌프의 성능평가를 위한 표준이 별도로 존재하지 않으며 수열원 및 공기열원 히트펌프의 표준이 포괄적으로 활용되고 있는 형편이다. 

최근 10년 동안 산업부를 중심으로 스팀히트펌프, Low GWP 냉매 활용 고온 히트펌프 관련 과제들이 진행됐으나 산업용의 경우 소형 중심으로 기술개발이 진행돼 공정열원으로서의 시장 진출에 한계가 있었다. 시장 진출을 위한 경제성과 냉매 관련 국제규제 관점에서 보면 Low GWP 냉매, 무급유 터보압축기를 이용한 대용량 터보히트펌프 기술개발이 시급한 상황이다.

산업공정열원으로 터보히트펌프를 활용하는 실증, 운영기술 사례는 전무하며 산업부문에서 탄소 저감 효과가 클 것으로 보이는 공정에 대한 실증·운영기술 개발을 통한 에너지절감 연구가 절실하다. 

이런 와중에 에너지기술평가원은 산업용 1,000RT 대온도차 히트펌프 핵심기술 및 실증운영 기술개발을 발주해 아진P&P 컨소시움이 수주해 본격적인 제품개발이 진행되고 있다.  

국내 제조업분야 중 제지, 식품, 섬유, 전자, 금속 등 에너지다소비 공정에 히트펌프의 가열 온도를 직접 사용할 수 있는 공정, Pre-heating 설비로서 온도 승온이 필요한 공정 적용을 통해 시장 진입 및 점유율 확대가 필요한 상황이다. 특히 식품 공정, 디스플레이 제조공정 등을 우선 대상으로 한 실증 레퍼런스 확보가 필요하며 보수적인 공장 이해관계자의 협조를 위해서도 실증 레퍼런스 확보가 매우 중요하다. 국내에서 기존의 대온도차 히트펌프는 100RT급 정도의 규모로만 개발돼 기존 산업용 보일러를 대체하기에는 역부족이므로 대용량화 및 실증연구 진행을 통한 안정적인 운영기술 확보가 핵심이될 것으로 보인다. 

아진P&P 컨소시움은 실증연구를 진행할 수 있는 사이트를 확보했다. 아진P&P는 상자와 상자를 만드는 종이를 생산하는 골판지 전문 제지, 포장기업으로 2022년 기준 연매출 3,000억원, 골판지 원지 생산량 52만톤으로 국내 골판지시장 9.2%의 시장점유율을 자랑한다. 특히 공장설비는 일일 생산량 각각 700톤, 1,000톤의 생산을 유지하고 있어 최적의 실증지가 될 것으로 기대된다. 

제지산업은 365일 24시간 가동되기 때문에 대표적인 너지다소비업종이다. 아진P&P의 경우도 연간 에너지비용(전력비+LNG) 301억원을 소모하고 있다. 이는 연간 매출액의 9.7%를 차지하는 엄청난 금액이다. 화석연료 기반 에너지연료를 이용함으로써 온실가스 배출권거래제할당 대상업체로써 화석연료를 대체할 필요성을 체감하고 있어 이번 히트펌프 과제에 거는 기대가 크다.

아진P&P의 관계자는 “세계적으로 탄소제로화에 박차를 가하면서 정부에서 발표한 ‘2050 Net Zero’ 달성을 위해 모든 부문에서 전기화 전환이 필요한 실정이며 제지산업에서도 탄소중립을 위해 노력이 수반되고 있다”라며 “이에 따라 생산공정의 에너지절감 및 화석연료 사용을 줄임으로써 산업체의 탄소제로화를 달성할 수 있는 기술을 찾고 있었으며 다양한 기술 중 생산 중 발생하는 폐열을 활용하는 히트펌프기술에 관심을 가지고 이번 과제에 참여하게 됐다”고 밝혔다.