에너지효율향상 R&D는 산업, 건물, 수송으로 구성된 국가 에너지수요부문의 에너지소비량 절감과 동시에 온실가스 배출 저감에 크게 기여할 수 있는 R&D를 진행하는 것이 핵심임무다. 올해 신규 에너지효율향상 신규 R&D는 △초고효율화 △무탄소·전기화 △융복합화 등 세 가지 전략방향에 부합하는 과제로 선정됐다. 이윤빈 에너지기술평가원 효율향상PD를 만나 올해 R&D 과제선정 배경 및 계획 등에 대해 들어봤다. 

에너지효율과 관련 기술들은 에너지공급 과정의 수요부분에 위치해 다양한 기술들이 포함돼 있으며 주제 선택의 어려움이 매우 크다. 효율향상분야 신규 R&D과제는 수요부문의 큰 구분인 산업, 건물, 수송 각각의 부문별 현황과 기술 이슈들을 분석하고 전년도에 추진한 결과물인 에너지수요관리핵심기술개발사업 미래전략의 주요내용, 상시수요조사와 집중 수요조사와 같은 다양한 채널을 통해 수집된 내용들이 담길 수 있도록 다양한 전문가분들과 고민해 과제선정을 진행했다.  

특히 이번에는 에너지공단과 함께 진행한 에너지수요관리얼라이언스의 수요사항들을 반영해 제도연계형 과제를 구성했다. 최저효율제나 고효율기자재와 같은 효율관리제도와 연동돼 R&D를 진행하면 시장보급도 빠르게 진행될 수 있으며 가시적인 성과도 더 커질 수 있을 것으로 기대된다.

콜드체인은 대상물이 생산지에서 소비자에게 전달될 때까지 품질, 신선도, 안전성 확보를 위해 적절한 저온으로 관리되는 공급사슬이며 신선물류라고도 한다. 3년 남짓한 코로나19 시기를 거치면서 식품이나 제약분야의 변화와 발전으로 인해 큰 주목을 받게 됐다. 콜드체인 확대로 창고용, 차량용, 상업용 등 냉동·냉장시스템 각각의 인증표준이나 관련 인증시험기관, 제도 보완 및 체계화가 필요하다는 의견에 더 큰 힘이 실리고 있다. 특히 영세성 문제로 미뤄왔던 국내 콜드체인부문은 효율규제나 냉매규제 대응 시작의 필요성이 커졌기 때문에 R&D 추진이 시급한 것으로 판단했다. 

시장규모 관점에서 보면 단기적인 시장 성장 둔화가 있더라도 전체 설비시장 규모는 8~10년 주기의 대규모 설비교체시장과 함께 지속적인 성장이 전망된다. 글로벌시장의 경우 2020년 기준으로 1,071억8,000만달러 규모로 추정되며 2027년까지 2,600억7,000만달러 수준까지 팽창해 연평균성장률 13.5%의 급격한 성장세가 전망되는 분야다. 에너지 관점으로 보면 콜드체인 냉동기는 365일 24시간 상시 운전하는 에너지다소비형 설비이므로 온실가스 배출량을 감축하고 에너지도 절약할 수 있는 고효율 냉동시스템기술 확보 중요성이 크다.  

국제사회의 논의를 통해 마련된 키갈리개정서가 2022년 12월 국회 비준을 거쳐 올해부터 국내 HFC냉매 규제가 실행될 예정이다. 국내 생산량과 수입량을 더한 값에서 수출량을 차감한 국내 소비량에 대한 감축규제이며 단계적 감축을 통해 2045년까지 80%를 감축해야 하는 상황이다. 국내 콜드체인에서 가장 높은 비중을 차지하는 HCFC냉매는 2030년 전폐 예정이므로 낮은 GWP을 갖는 냉매를 적용한 콜드체인시스템 기술 확보가 시급하다. 

오랜 기간 연구개발을 통해 기계적, 화학적 관점에서 우수한 성질을 지닌 냉매들이 개발돼 다양한 제품들에 적용됐으나 환경문제로 기존 냉매들의 퇴출에 대한 논의가 구체화되면서 강제성을 지닌 규제로 강화돼 산업 관점에서 중요한 이슈가 됐다. 유럽 규제에서 확인할 수 있듯 보건문제로까지 확대되면서 매우 복잡한 양상으로 급박하게 전개되고 있다. 유럽환경청의 불소가스 규제나 PFAS, 그리고 미국 EPA의 Low GWP 규제와 같이 냉매와 관련된 규제들이 지속적으로 강화되는 방향으로 논의되고 있다. 

수출 의존도가 높은 한국산업의 입장에서 보면 냉매에 대한 국제적인 규제 변화를 파악하고 대비할 필요성이 매우 크다. 수출 중요성이 큰 우리나라 산업의 입장에서 보면 유럽시장도 계속 공략해야 하고 매력적인 미국시장에서도 시장점유율을 높여나가야 하기 때문에 선제적인 기술개발이 중요하다. 

산업부와 에기평이 발표한 탄소중립에너지기술로드맵을 보면 히트펌프의 경우 고효율과 공급온도 광대역화를 향후 방향으로 명시하고 있다. 스팀히트펌프 R&D는 온도범위를 광대역화에서 고온쪽으로의 확장을 위한 핵심적인 R&D과제다. 산업용 공정들은 가열, 세척, 건조와 같은 각각의 적용처마다 생산수율을 맞추기 위한 요구조건이 있다. 공정들의 구체적이고 특수한 운전조건을 맞출 수 있는 정밀한 설계와 운영엔지니어링 기술개발이 필요한 분야다. 산업수요에 맞춘 대용량 시스템으로 스팀을 안정적으로 공급하기 위한 난이도 높은 기술개발 과제다.

국내 산업부문 에너지소비는 전체의 60%가량 차지하며 산업에너지의 80%를 화석연료에 의존하고 있다. 오랜 기간동안 성능과 효율이 입증된 화석연료 기반 설비들을 계속 쓸 수 있다면 좋겠지만 탄소중립 실행을 위해서는 저탄소·무탄소 설비들로 단계적 교체가 불가피하다. 다양한 대안 중 산업용 고온히트펌프 기술개발을 통한 탈탄소화 지원은 IEA 보고서에도 거듭 제시됐듯 매우 중요하다. 유럽이나 일본의 선도적인 기업들은 다양한 형태의 고온히트펌프를 개발해 시장에 보급하기 위한 노력을 진행 중인 점을 통해서도 중요성을 확인할 수 있다. 

디지털전환 진행, 빅데이터, 5G, 클라우드, 인공지능 애플리케이션 증가 등으로 인해 데이터센터 설치가 급격하게 증가하고 있으며 데이터센터 대형화로 에너지관점에서의 이슈도 중요해졌다. 전 세계 데이터센터시장은 2021년 2,158억달러 규모에서 2027년 2,883억달러 규모로, 국내 데이터센터시장도 2027년 58억달러 규모로 성장이 예상된다. 데이터센터는 IT장비의 전력소비와 공조·냉각의 전력소비로 인해 많은 전기에너지가 소비되는 에너지다소비 주체다. 2023년 IEA 발표에 따르면 2020년 글로벌 데이터센터의 연간 전력소비량은 240~340TWh이며 세계 전력소비량의 1~1.3% 정도를 차지하는 것으로 추정된다. 하이퍼스케일 데이터센터 3~4개를 운용하는데 1개의 발전소가 필요한 수준으로 대형화가 진행되는 등 에너지관점에서 중점적으로 다뤄야 하는 이슈다. 

데이터센터 대형화와 고집적화가 진행되면서 랙당 소비전력도 지속적으로 증가하고 있으며 기존 공냉식보다 더 강력한 냉각방식의 적용이 필요한 시점이다. 

데이터센터 냉각에 저온의 외기, 수열원, 또는 LNG냉열 활용 등 다양한 노력이 진행 중이다. 총 전력량을 IT장비 소전량으로 나눈 전력효율지수(PUE)가 기준값으로 많이 언급되는데 국내 데이터센터 평균 PUE는 1.78 정도로 세계 평균 1.59와 차이가 존재한다. 탄소배출량 저감을 위해서는 PUE를 지속적으로 낮춰 전력사용 효율성을 높이고 데이터센터 운용과정에서 발생하는 열에너지를 재활용하는 기술 확보 중요하다. 이번 R&D과제의 성공적인 추진을 통해 데이터센터의 PUE를 낮춰 전력사용의 효율성을 제고하는데 기여할 수 있으며 배열을 냉방에 활용함으로써 탄소배출량 저감에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 데이터센터산업은 세계적으로 관심도 높고 지속적인 성장 과정에서 사업화와 관련된 성과들이 도출될 수 있을 것으로 기대한다.