‘생산정보 연계 제조설비·환경설비 에너지통합 운영관리시스템 개발 및 실증’ 연구단은 생산공정 영향을 최소화하면서 에너지효율과 환경성능을 높이기 위한 연구과제를 수행해 지난 7월 연구기간이 종료됐다.

이중 3세부는 ‘공기 환경설비 전기화 및 고효율 기술개발’을 수행했다. 생산설비 에너지효율화를 위해 유해가스를 처리하는 설비인 RTO(축열식 열산화설비)의 에너지절감을 극대화한 전기식 RTO(e-RTO) 개발이 핵심이었다. 3세부 총괄을 맡아 e-RTO개발을 주도한 신동준 대양이엔아이 대표를 만나 연구내용과 성과에 대해 들었다.

 

■ 대양이엔아이는

대양이엔아이는 산업현장, 일상생활에서 배출되는 대기오염물질과 악취를 효과적으로 처리할 수 있는 종합 솔루션을 제공하고 있다. 1991년 설립 이후 휘발성유기화합물(VOCs) 처리분야에서 독보적인 기술력을 확보해 설치비와 유지관리비 절감이 가능한 고효율설비를 산업현장에 보급하고 있다.

대양이엔아이는 크게 환경측면과 에너지절감 측면에서 30년 이상 환경설비의 직접적인 성능향상을 위해 노력해온 기업정체성을 갖고 있다. 연구단 목표가 제시됐을 때 늘 관심 가졌던 기술이었기 때문에 개발과제에 참여하게 됐다.

 

■ 3세부 연구필요성은

3세부에서 특히 중점뒀던 것은 환경규제 조건을 충족하면서 안정적으로 시스템을 운영, 제어해 궁극적으로 에너지 총소비량을 절감할 수 있는 시스템을 구축하는 것이다.

다른 축으로는 미래 탄소중립에 기여하기 위한 방안으로 공정에 필요한 에너지원을 화석연료가 아닌 전기에너지로 대체해 에너지사용에 따른 온실가스 원단위 배출치를 낮추는 것이 목표였다.

이에 따라 이번 연구과제에서 적용코자 했던 핵심개념은 기존에 화석연료를 사용해 대기오염물질과 악취 등을 해결했던 방법에서 벗어나는 것이다. 탄소중립 추진에 발맞춰 잉여 재생에너지 등 무탄소원 전기에너지를 사용할 경우 온실가스의 배출을 현저히 줄일 수 있다.

전기에너지의 경우 지속적으로 재생에너지의 생산이 증가함에 따라 계통에 접속할 수 있는 한계전력으로 인해 잉여전력이 발생할 때 생산된 재생에너지를 흡수할 수 있는 대안으로도 고려됐다.

또한 화석연료대비 공정에 필요한 에너지를 공급할 때 부하추종성이 빠르다는 특징이 있어 공정의 효율적, 효과적 운영이 가능함에 따라 사용에너지 총량을 줄일 수 있다.

이와 함께 에너지절감과 설비의 안정적인 운전을 위해 AI가 탑재된 이상상태 감시 모니터링시스템을 추가한 것도 핵심 내용 중 하나다. 강화학습을 접목시킨 지능형 에너지최적화 알고리즘을 기반으로 이상상태감시 모니터링 시스템 개발 및 적용을 통해 에너지절감과 설비의 안정적 운전 등 신뢰성을 확보했다.

 

■ 연구목표는

3세부 연구의 최종목표는 ‘공기환경설비 전기화 및 고효율 기술개발’이었다. 이를 위해 전기식 히터, 인공지능 AI모듈, 축열식연소산화설비 구성, 에너지 통합시스템 등 단위 핵심 요소기술에 대한 연구를 진행했다. 이를 기반으로 에너지 절감형 e-RTO시스템 전체 개념 도출, 시스템 설계 및 제작, 산업체 현장설치 및 실증운전을 통해 최종적으로 에너지절감이 가능한 e-RTO 시스템이 개발됐음을 입증하는 것까지가 연구내용이었다.

전체 연구단에서 추구하는 목표가 사업장의 통합적인 공정과 각 공정에 구축된 제어 및 운전상황을 통합해 사용자가 효율적이며 효과적으로 운영할 수 있는 시스템을 구축해 제공하는 것이라면 3세부는 사업장에서 운영되는 환경처리시스템에 특화해 시스템을 구축하고 운영하는 서브시스템 개념으로 진행됐다.

 

■ 연차별 개발과정은

1차연도에는 전기에너지를 활용해 휘발성 유기화합물(대기오염물질)을 처리할 수 있는 시스템 개념을 설계했다. 또한 전기에너지 활용을 위한 전열히터모듈을 설계 및 개발했으며 에너지효율 개선을 위한 모니터링 기반의 AI 알고리즘을 개발했다.

2차연도에는 에너지절감형 e-RTO 통합시스템을 구성하고 시작품을 개발했으며 전기히터 적용 및 성능 시뮬레이션을 분석하고 시제품을 제작했다. 또한 이상징후 사전감지를 통한 안전사고 및 고장진단 AI 알고리즘을 개발했다.

3차연도에는 에너지 절감형 e-RTO 통합시스템을 현장설치하고 시운전했으며 사전감지 및 고장진단 AI 알고리즘을 최적화했다. 또한 AI 기반 통합 운영관리시스템과 연동하는 한편 생산정보와 연계한 효율운전기술을 개발했다.

4차연도에는 e-RTO 통합시스템을 현장실증했으며 최적화 및 성능검증을 진행했고 에너지최적화 인공지능 알고리즘 최적화 기술개발도 진행했다.

 

 

■ 연구성과는

이번 연구과제에 참여해 화석연료를 사용하는 환경오염제어설비의 무탄소화를 통해 탄소중립 실현에 기여하고자 했으며 휘발성 유기화합물 산화처리 시 활용되는 에너지절감형 전기식 RTO(e-RTO)를 개발함으로써 선도기술을 확보했다.

우선 대표적인 연구성과로 화석연료를 전기로 대체할 수 있는 ‘에너지절감형 전기식 휘발성 유기화합물(VOCs) 산화처리시스템’의 설계·제작·설치 및 시운전을 꼽을 수 있다. 이 시스템에는 참여 연구기관이 공동으로 개발한 전기히터의 설계 및 배열, AI를 이용한 이상상태 감지기능, 공정에너지 통합 등이 융합됐다.

이를 통해 연간 온실가스 감축을 88.44TC(탄소톤), 연간 에너지를 3,383TOE 절감할 수 있음을 입증했다. 연구개발 과정을 통해 특허출원 8건, 저작권 등록 6건, 논문게제 4편, 고용창출 등 성과가 있었다. 이를 바탕으로 온실가스 감축과 에너지절감이 필요한 다양한 산업체에 기술적용 제안 및 보급을 확대할 예정이다.

이번 연구결과를 여러 사업체에 적용한다면 에너지를 절감하면서 휘발성 유기화합물과 같은 대기오염물질을 효과적으로 줄일 수 있다. 이에 따라 산업체에 경적인 부담을 줄일 수 있으며 온실가스 감축을 통한 대기환경 보전에도 크게 기여할 수 있을 것이다.

 

■ 사업화 계획은

이번 과제를 통해 해당 설비의 전기화 및 에너지절감 AI모델을 개발할 수 있었으며 이를 적용함으로써 향후 탄소배출 제한기업의 수요를 만족할 수 있을 것이다. 또한 기존의 축열식연소산화설비를 운영하는 기업의 경우 에너지절감, 안전 및 유지보수 측면에 기여할 수 있는 기술을 제공할 수 있다.

이는 에너지절감에 따른 운영비감축에 대한 수요를 충족시킬 수 있음을 의미한다. 구체적인 예로 반도체, 디스플레이, 화학제품 제조사 등 다양한 기업을 대상으로 기존 RTO 대체기술로 개발한 기술을 제시할 계획이다.