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“히트펌프 효율, 한계 넘어선다”

산업부, 알키미스트 프로젝트 공고
10kW↑ 대용량·COP 10 이상 개발

산업의 난제 해결에 도전하는 초고난도 기술개발을 통해 사회·경제적 파급력이 높은 기술을 확보하는 사업이 바로 알키미스트 프로젝트다.

산업통상자원부는 최근 히트펌프분야의 알키미스트 프로젝트를 발표했다. 난제의 주제는 카르노 효율 한계에 근접하는 히트펌프 기술을 개발하는 것으로 현재 증기압축식 히트펌프의 효율을 2배 이상 향상시킬 수 있는 새로운 히트펌프 기술을 개발하는 것이 이번 알키미스트 프로젝트의 핵심이다.

이상기후에 의한 폭염과 혹한으로 인한 하절기 냉방부하와 동절기 난방부하 급증으로 전기사용량의 피크부하가 폭증하고 있다. 현재 주류기술인 증기압축식 히트펌프의 효율향상을 위한 연구는 꾸준히 이뤄져 왔으나 압축, 열교환, 팽창과정의 비가역성으로 현재 방식으로는 COP의 획기적 상승은 불가능한 상황이다.

이에 따라 상용 히트펌프는 표준 냉방운전조건 기준으로�COP(Coefficient of performance, 성능계수) 4~5 수준에 불과한 만큼 이번 알키미스트 프로젝트를 통해 COP 10 이상을 만족하는 히트펌프시스템(KS C 9306 냉방 성능 시험 기준, 실외온도 35℃, 실내온도 27℃)을 개발하고자 하는 것이다. 

이를 위해 가용할 수 있는 장치의 제한은 없으나 기존 히트펌프를 대체할 수 있는 수준의 용량 증대가 가능해야 하며 기존 히트펌프와 동등수준의 소재 내구성, 동일한 설치조건에서 작동 가능해야 한다.

이를 통해 △냉난방 소비전력의 50% 이상 감소효과 및 전력피크 저감 기대 △혁신적 고효율 기술로 미래 냉난방시장 재편 △대용량에 대한 기술성 및 경제성을 확보해 상용화하면 매우 빠른 속도의 시장점유 △중국 등의 후발국에 대한 기술적 진입장벽 구축 △요소기술의 활용분야가 매우 넓고 핵심 소재를 활용한 타 분야 응용확대 등이 가능할 것으로 기대된다. 



10kW 이상 대용량에서 COP 10 이상 및 상용 제품과 동등 이상의 내구성을  목표을 달성로 선행연구 2년 이내과 본 연구 5년 내외로 지원된다. 정부출연금은 선행연구 10억원 내외, 본연구 250억원 내외 등 총 260억원 내외이며 올해는 5억원 내외가 책정돼 있다. 1단계 선행연구는 경쟁형R&D로 3배수 내외로 선정, 추진된다. 

히트펌프 효율, 이론적 한계 ‘장벽’

대표적인 냉난방기기인 히트펌프는 여름에는 냉방기기로, 겨울에는 난방기기로 사용되고 있다. 작동원리는 직접 열을 만들어내지 않고 외부의 열을 이동시켜 공급하는 방식이다. 이러한 열변환 방식으로 히트펌프는 투입 전기의 수배의 열을 생산할 수 있어 고효율기기로 인정돼 왔다. 

히트펌프는 200여년된 전통적 기술로 현재 대부분의 히트펌프는 증기압축 사이클을 기반으로 제작되고 있다. 1805년 미국의 Oliver Evans에 의해 증기압축 기반의 냉동시스템을 처음으로 제안됐으며 1854년에 오스트리아의 Ritter von Rittinger는 최초의 히트펌프를 제작했다. 1902년 Willis Carrier는 상업용 에어컨으로 발전시켜 이후 기술발전과 시장을 주도했다. 



히트펌프 효율의 이론적 한계는 비교적 늦은 1824년 프랑스 과학자 Sadi Carnot에 의해 증명됐다. 그는 이상적인 사이클로 카르노 사이클을 제안했으며 카르노 사이클이 갖는 카르노 효율은 이후 증기압축 사이클의 한계효율로서 정의돼 왔다. 

히트펌프는 이와 같이 오랜 기간 증기압축식 사이클 기반으로 개발돼 왔으나 압축, 팽창, 열교환 과정에서 발생하는 비가역성(irreversibility)에 의한 효율저하 등으로 실제 효율은 카르노 효율의 15~30% 수준에서 작동하고 있다. 

히트펌프의 효율향상을 위한 연구는 지금까지 지속적으로 수행돼 왔다. 이로부터 점진적인 효율향상과 성능개선이 이뤄졌으나 증기압축 기반 사이클로는 획기적인 효율향상은 기대하기 어려운 상황이다.

히트펌프 한계 넘어서라

이에 따라 산업부에서는 히트펌프 효율의 한계를 넘어서기 위해 산업기술 ‘알키미스트 프로젝트’ 사업의 신규지원 대상과제로 ‘카르노 효율한계에 근접한 히트펌프’를 제안했다. 

이번 제안은 COP 10 이상의 기존 히트펌프 효율을 2배 이상 향상시킬 수 있는 기술을 발굴하는 것으로 가용할 수 있는 장치의 제한은 없어 가능한 모든 방식을 적용할 수 있다. 

특히 이번 과제는 새로운 히트펌프 기술에 대해 과학적 발견에서만 그치는 것이 아니라 기존 히트펌프를 대체할 수 있는 수준의 용량, 동등 수준의 소재 내구성, 동일한 설치조건에서 작동 가능해야 하는 등 기술적 도전성과 실용적 도전성을 함께 요구하고 있다. 

이를 위해서는 기존의 히트펌프의 작동 방식과 차별화되는 기술 방식이 요구되며 재료·소재, 기계, 전기, 화학 등의 종합적이고 창의적인 사고와 적용이 필요하다. 

공조용 냉난방기기에서 사용되는 에너지소비는 여름철과 겨울철 크게 증가하게 되고 전력피크 이슈가 등장할 때 마다 원인으로 거론되고 있다. 이렇게 많은 에너지를 소비함에도 앞으로는 더 많은 에너지가 냉난방을 위해 요구될 것으로 예상된다. 



인간이 살지 않았던 덥고 추운 지역에도 거주환경이 조성되고 있으며 지구온난화는 더 더운 여름과 더 추운 겨울을 예고하고 있다. 더욱이 중국과 인도의 경제력이 향상은 냉방기기에 대한 수요가 더욱 급격히 늘어나게 될 것으로 전망된다. 

이러한 상황에서 이번 알키미스트 프로젝트의 추진은 매우 시의적절하다고 관련업계에서는 환영하고 있다. 이번 연구가 상용화될 경우 그 파급효과는 매우 클 것으로 예상되기 때문이다. 

냉난방 소비전력의 50% 이상 감소효과에 의한 에너지절약효과는 물론 혁신적 고효율기술의 등장으로 냉난방시장 재편이 이뤄질 수 있기 때문이다. 또한 빠른 속도로 전 세계 냉동공조시장을 추격해오고 있는 중국 등의 후발국에 대한 기술적 진입장벽도 구축 가능할 것으로 예상된다. 

히트펌프분야 전문가인 김민성 중앙대 교수는 “이번 과제를 통해 개발될 요소기술로서 기계, 화학, 소재 원천기술은 타 산업분야에도 확대 적용이 가능할 것으로 사료된다”라며 “모처럼 주어진 히트펌프기술의 도약 기회와 함께 냉동공조시장의 더 큰 발전을 기대해 본다”고 밝혔다.