월드이엔씨이 총괄주관하는 ‘산업공정 폐열 구동 흡수식 히트펌프와 MVR을 이용한 스팀생산시스템 개발 및 실증’ 과제가 2차연도를 맞아 '한-스위스 국제협력 워크숍'을 개최했다.

 

주관기관인 월드이엔씨는 냉동기를 자체 개발하고 있는 기업으로 최근 사업확장을 위해 무급유 터보칠러와 스크류냉동기 자체개발을 진행 중이다. 25건의 특허를 보유하고 있다.

 

무급유 터보냉동기는 최소 80~600RT급까지 19개의 모델을 보유하고 있으며 모듈타입 무급유 칠러는 80~140RT급 모델을 보유하고 있다.

 

또한 자체 컨트롤시스템을 개발해 사용자인터페이스를 구축했으며 컨트롤러는 PLC시스템으로 압축기 2~3개 있는 경우도 대응가능하다.

 

세종정부청사, 인천공항, 화학공장, 병원 등에 제품을 설치했으며 홈플러스, 광명 롯데아울렛 등 상업용건물 대상으로 안정성을 입증했다.

 

 

월드이엔씨가 주관기관으로 참여하는 이번 과제의 공동수행기관은 TNE코리아, 생산기술연구원, 냉동공조시험연구원(K-HVAC), 한국섬유기계융합연구원(KOTMI), 전북대학교, 시립대학교, OST 등이며 자연드림 솔트로드와 오미나라를 대상으로 실증을 진행하는 과제다.

 

주관기관인 월드이엔씨는 흡수식 히트펌프를 개발하며 3~4차연도에 실증사이트를 구축할 예정이다. TNE코리아는 MVR설계·제조·제작·시험 등을 수행하며 생산기술연구원은 공력설계를 맡는다. K-HVAC은 성능시험장치 설비구축을 위한 과업을 담당하며 흡수식 히트펌프와 MVR시스템 시험방법을 구축할 예정이다.

 

KOTMI는 진공증발 열교환기 구축을 담당해 3~4차연도에 실증사이트에 설치할 예정이며 전북대학교는 흡수식히트펌프 사이클설계와 흡수식 히트펌프 MVR시스템 디자인·AI기반 제어기술 개발을 담당한다. 서울시립대학교는 축열·열원분석과 열저장시스템기술 담당한다.

 

 

김인관 월드이엔씨 이사는 개회사를 통해 “9개기관이 진행하는 과제로 1차연도를 마치고 2차연도에 돌입했다”라며 “이번 워크숍을 통해 기술적인 부분을 이야기할 수 있는 자리가 마련될 수 있도록 노력할 것”이라고 말했다.

 

리광훈 대한기계학회 수석부회장은 환영사를 통해 “산업공정 스팀생산을 위한 히트펌프, MVR기술을 주제로 한 공동워크숍 개최를 축하한다”라며 “한국과 스위스는 지속가능한 산업발전과 탄소중립 실현을 위해 기술혁신 선도해온 국가로서 이번 워크숍이 양국의 연구역량을 모아 히트펌프와 MVR기술을 확산하는 중요한 전환점 될 것”이라고 말했다.

 

이어 “학문적 교류를 넘어 실제 적용으로 이어지길 바란다”라며 “실증을 통해 에너지효율 향상, 지속가능한 미래에 크게 기여하길 바란다”고 강조했다.

 

흡수식 히트펌프와 MVR연계기술

김인관 월드이엔씨 이사는 현재 진행 중인 R&D 과제 핵심인 흡수식 히트펌프와 MVR연계기술을 공유했다. 이번 과제는 90℃ 이하 온수를 이용해 흡수식 히트펌프를 구동해 생산되는 120℃ 스팀을 MVR가동을 통해 160℃로 만드는 것이다. 이를 통해 보일러대비 80%의 에너지절감효과를 기대하고 있다.

 

과제를 통해 흡수식 히트펌프 연구와 진공관 열교환기 구축, MVR 고효율화, AI를 통한 폐열제어기술, 실증사이트 구축, 최종적으로 MVR을 이용해 실증하는 것이 최종 목표다.

 

흡수식 히트펌프는 증발기와 재생기에 열원이 공급돼 증발기 냉매가 가열되면 흡수열이 발생하고 120℃ 온수가 만들어진다. 재생기에서 증발된 냉매증기는 응축기에 응축되며 응축된 냉매는 증발기로 이동되는 시스템이다.

 

흡수기에서 생산되는 온수는 이 자체로 스팀을 만들지 않고 120℃ 온수와 스팀으로 구성된다. 이때 증기는 MVR시스템으로 보내져 슈퍼히터로 가열시킨 뒤 가열된 냉매증기는 압축기로 이동된다. 이후 압축된 증기는 냉각시킨 후 2단압축기를 통해 160℃ 스팀 만들어 공정에 보내질 예정이다.

 

과제는 지난해 7월 시작돼 현재 2차연도에 진입했다. 주요 개발과제는 △고효율 흡수식 히트펌프 기술 △MVR고효율화 기술개발 △디자인 설계 △흡수식히트펌프·MVR연계 실증사이트 구축 등이다.

 

올해까지는 흡수식 히트펌프와 MVR개발을 진행하며 3차연도부터는 흡수식 히트펌프와 MVR을 연계한 시스템을 실증사이트에 적용해 검증할 예정이다.

 

실증사이트는 총 두 곳이다. 자연드림의 경우 심층수 이용 열교환기의 승온을 위해 스팀보일러 스팀이 필요한데 이 때 발생하는 폐열을 활용할 예정이다.

 

오미나라는 스팀보일러를 사용해 120~130℃ 스팀으로 증류하는데 이 때 90~95℃의 온도가 버려지고 있다. 과제 참여진들은 버려지는 열을 흡수식 히트펌프와 MVR을 적용하는 것을 목표로 한다. 흡수식 히트펌프 적용이 어려울 시에는 MVR을 단독 적용하는 방안도 검토 중이다.

 

현재 플래시탱크 설계를 진행하고 있다. 탱크상부에는 스팀미스트가 공정에 들어가지 않도록 하기 위한 데미스터(Demister)가 있다.

 

흡수식히트펌프 설계의 경우 정방향사이클을 활용하고 있으며 응축된 37~38℃의 냉매를 증발기로 바로 보내지 않고 열교환기 구성해 온도를 높일 예정이다.

 

목표하는 성능계수(COP)는 0.45이며 향후 사업화를 위해 적용가능한 프로세스 발굴, 대상고객 모집을 진행할 예정이다. 또한 비즈니스모델 강화와 모델 구체화를 위해 리스크분석, 경제성 분석, 고객맞춤형 강화방안을 제시할 예정이다.

 

김인관 이사는 “CO₂ 배출이 많은 식품·제지·섬유·화학·전력·에너지 등에 적용할 수 있을 것”이라며 “소·중·대형 등 주요타깃에 맞춰 흡수식 히트펌프와 MVR을 적용할 것”이라고 말했다.

 

MVR용 터보증기압축기 공력설계 진행과정 공유

최영석 한국생산기술연구원 박사는 공력설계 진행상황을 공유했다. 압축기는 설계 시 제약조건 많아 얼마 만큼의 양을 얼마 만큼 압축비로 올릴 것인지 등을 감안해야 할 필요성이 있다.

 

이번 과제에 해당하는 온도대인 160℃에 응축압력에 해당하는 조건은 635.78kpa, 287.52℃로 사이즈, 폭, 입구경 등을 설계할 예정이다.

 

최영석 생산기술연구원 박사는 “원하는 조건의 압축기와 온도를 만들기위해 공력설계를 진행했다”라며 “압축기는 2단압축으로 실제 형상 만들기 전 시뮬레이션을 통해 압력과 효율을 확인한 결과 필요한 전력은 26.540kW로 예상돼 기준을 잡고 공력설계를 실시했다”고 말했다.

 

연구진들은 효율을 높이기 위해 디자인변경을 실시했으며 스플리터 위치 등을 수정해 최적설계를 실시하고 있다.

 

최 박사는 “3차연도에는 테스트가 가능할 것으로 예상한다”라며 “시제품을 제작하며 발생가능한 문제들에 대해 대처해 나갈 것”이라고 말했다.

 

 

 

MVR 기계설계 및 해석

 

김경수 TNE KOREA 부사장은 TNE의 역할을 소개했다. TNE코리아는 이번 과제에서 모터 설계를 진행하고 있다.

 

생기연에서 필요로하는 전력에 부합할 수 있도록 7만RPM, 60kW가량의 모터파워를 낼 수 있도록 개발할 예정이다.

 

마그네틱베어링 활용을 통해 비접촉으로 오일프리시스템을 적용한다. 전자제어가 가능하며 고속모터, 마그네틱베어링, 냉각 등을 감안해 MVR설계를 진행하고 있다.

 

김경수 TNE 부사장은 “길이는 임펠러 끝단기준 505mm이며 직경 330mm로 컴팩트하다”라며 “고속회전체다보니 진동문제가 발생할 우려가 있어 향후 베어링부분을 최적설계해 20%의 마진을 확보할 예정”이라고 말했다.

 

TNE는 임펠러 고속회전 시 임펠러하중이 커 이와 관련한 구조적 문제 발생여부를 확인했으며 그 결과 이상없음을 확인받았다.

 

1단에는 알루미늄을 2단에는 티타늄을 활용해 설계를 실시했으며 냉각 시 모터온도 180℃ 이하, 마그네틱베어링 150℃ 이하로 조절할 예정이다.

 

김 부사장은 “설계해석과 부품제작상세설계를 곧 마무리해서 1차시제품을 올해 안으로 제작하는 것을 목표로 하고 있다”라며 “내년에는 2차시제품을 제작한 후 납품을 시작할 예정으로 1차시제품 시험결과를 기반으로 일정을 조절할 것”이라고 말했다.

 

산업용 히트펌프 동향 및 MVR 시험설비 개발

김하늘 K-HVAC 박사는 산업용 히트펌프 동향을 공유했다.

 

최근 에너지소비량이 높은 산업공정부문에서 활용하는 스팀보일러를 대체하기 위한 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

 

흡수식 히트펌프 1종은 약 90~95℃의 상대적으로 저온 열원을 활용하며 2종은 60~80℃의 열을 이용해 100~150℃ 수준의 고온스팀을 생산한다.

 

히트펌프 디자인 시 5가지 카테고리로 나뉘며 등급에 따른 공급온도도 다르다.

 

김하늘 K-HVAC 박사는 “주요 카테고리에 해당하는 A클래스는 압축식 히트펌프를 이용해 증기를 생산하는 것이며 D클래스는 흡수식 압축히트펌프를 활용해 저온열을 생성해 플래시탱크에 넣어 저압스팀을 생성한 뒤 MVR을 통해 고온·고압스팀을 최종적으로 만드는 것”이라고 말했다.

 

MVR의 경우 주로 일본, 유럽 등에서 기술개발이 활발하다. 국내에서는 지난 2010년 중반부터 2020년대 초반 사이 300kW급 120℃와 165℃ 스팀히트펌프 기술개발이 시작됐으며 지난 2023년 3MW 이상 히트펌프 등이 개발돼왔다.

 

 

최근에는 대용량 히트펌프 기술개발을 통해 최대 1,000RT까지 증가하고자 하는 노력이 이어지고 있다. MVR 개발의 경우 단기적으로는 MVR 핵심요소 기술개발을 진행하며 중기적으로는 3MW급 터보히트펌프 MVR적용 히트펌프를 개발하는 것을 목표로 한다. 개발된 기술을 실제 실증에 돌입하는 것이 관건이다.

 

 

K-HVAC은 대용량, 대온도차 히트펌프 개발을 위해 고온 대온도차 성능평가방법 표준안 개발 등에 대한 과제를 수행 중이다. 이번 과제 참여를 통해 MVR, 흡수식 히트펌프 관련 시험설비를 개발하며 설계초안계략도를 구상하고 있다.

 

응축탱크, 스팀보일러를 이용해 열원을 공급해 스팀이 생성되며 스팀이 프리히터를 통해 가열된 이후 MVR에 최종적으로 2단압축해 288℃ 가열증기가 발생할 수 있도록 6.4bar를 목표로 하고 있다. 이를 버리지 않고 재활용을 위한 사이클을 구축할 예정이다.

 

김하늘 박사는 “추가적으로 개발된 흡수식 히트펌프와 연계되도록 할 예정”이라며 “생기연, TNE코리아, 월드이엔씨 등과 조율을 통해 히트펌프 실증에 참여할 것”이라고 강조했다.

 

OST 소개 및 고온히트펌프 기술동향

Daniel Gstoehl OST 교수와 Cordin Arpagaus OST 박사는 스위스 동부에 위치한 OST 응용과학대학(OST University of Applied Sciences)의 고온히트펌프 연구성과를 소개했다.

 

OST는 4,000여명의 학생을 보유한 과학대학으로 연구소 내 히트펌프 테스트센터를 자체 보유하고 있다.

 

연구소는 약 90명의 연구원으로 구성돼 있다. 현재 열·냉방, 산업용 히트펌프, 열저장, 에너지 효율화 프로젝트 등을 수행하고 있으며 최근에는 한국과 협력하고 있다.

 

히트펌프 테스트센터는 지난 1993년 설립돼 연간 100대의 히트펌프 테스트를 진행할 수 있는 기반을 보유하고 있다. 스팀, 고온테스트는 200℃까지 가능하다.

 

 

고온 히트펌프는 화석연료 의존도를 줄이고 재생전력을 활용하는 데 유망한 기술로 평가되고 있다. 유럽·일본·독일·오스트리아 등에서 100~250℃ 범위의 산업용 히트펌프 상용화가 진행 중이며 용량도 수백kW에서 10MW급 대형까지 확대됐다.

 

최근에는 무급유 고속 터보압축기, 다단 압축방식, 자연냉매 적용 등 신기술이 도입되며 시장성이 더욱 커지고 있다.

 

Cordin Arpagaus OST 박사는 “히트펌프 개발 시에는 투입되는 냉매가 중요하다”라며 “주로 R245fa냉매를 많이 사용하고 있지만 지구온난화지수(GWP)가 높아 암모니아, CO₂, 헬륨 등을 적용한 냉매를 적용하기 위해 노력 중”이라고 말했다.

 

히트펌프는 냉매, 온도대, 사이클설계 등에 가격이 달라진다. 이에 따라 국가별 전기·가스 요금 구조에 따라 경제성이 크게 달라진다.

 

예를 들어 전기와 가스 요금 차이가 크지 않은 북유럽은 히트펌프 도입이 매우 유리하지만 전기요금이 상대적으로 높은 영국 등에서는 경제성이 떨어진다.

 

 

유럽에서는 다양한 프로젝트가 많이 진행되고 있다. Spirit사는 설탕, 제지공장 등에 히트펌프를 보급하고 있으며 Push2Heat는 제지공장과 화학공장에 2단 압축식 히트펌프를 구축했다.

 

Cordin Arpagaus OST 박사는 “최근 노르웨이에서 6cylinder stirling-cycle 히트펌프가 개발되고 있다”라며 “수백kW, 1MW급으로 상용화되고 있다”고 말했다.

 

노르웨이의 Aneo에서는 암모니아-물 혼합 냉매와 터보, 피스톤 등 여러 압축기를 활용해 90~95℃ 이상 고온에 대응가능한 히트펌프를 개발하고 있다.

 

 

OST는 지난 2017년 소형 히트펌프 개발 연구를 시작했으며 천연냉매 혼합(HFO 등), 증기압축, MVR 기술개발 등을 통해 성과를 내고 있으며 냉매 혼합 및 최적설계 관련 연구도 활발히 진행 중이다. 이는 실제실험에서도 우수한 결과를 나타내고 있다.

 

Cordin Arpagaus OST 박사는 “에너지가격과 정책환경은 국가별로 다르지만 산업용 히트펌프는 전 세계적으로 공통된 탈탄소해법”이라며 “스위스를 비롯한 유럽의 경험과 연구성과가 한국과의 협력에도 기여할 수 있기를 기대한다”고 말했다.