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냉온수 동시생산 산업용 히트펌프 개발

산업부, Low GWP냉매용 무급유 터보압축기 적용

냉온수 동시 생산이 가능한 Low GWP냉매용 무급유 터보압축기를 적용하는 산업용 히트펌프가 개발된다. 

산업통상자원부는 최근 ‘소량 냉매사용 및 냉온수 동시생산이 가능한 산업용 히트펌프 기술’ 과제를 고시했다. 연구개발 기간은 45개월이며 올해 정부출연금은 7억원이며 총 40억원 이내에서 지원된다. 주관기관은 제한이 없다. 

이번에 개발되는 히트펌프는 살균·세척과 냉각이 동시에 요구되는 식품공정 등에 활용하는 산업용 히트펌프로서 70℃ 이상 높은 온도차의 냉온수(혹은 증발 및 응축 온도 차)를 동시 생산 가능한 히트펌프 기술이다. 기존 히트펌프에 비해 적정 냉매 봉입량이 혁신적인 소량을 사용하고 친환경 냉매를 사용하는 산업용 히트펌프 기술을 개발하는 것이다.

이를 위해 △냉온수 동시 생산을 위해 70℃ 이상 높은 온도차에 적용이 가능한 Low GWP 냉매(HFC 대체 냉매)용 무급유 터보 냉매압축기 기술 △기존 냉동기보다 초기 냉매 봉입량을 혁신적으로 감소시킬 수 있는 형태의 증발기 및 응축기 기술 △가열 능력기준 350kW(100RT)급 이상의 산업용 히트펌프를 개발해야 한다. 



산업부의 관계자는 “냉온수 혹은 높은 온도차가 동시에 요구되는 각종 산업공정에 직접 적용이 가능한 공정 핵심기기로 폐열 회수형 산업용 히트펌프로도 활용이 가능하다”라며 “기존 냉동기 등의 중요 핵심 부품 대체로 효율 증대 및 온실가스 저감 수단으로 활용할 수 있을 것”이라고 강조했다.   

대용량 급유식 터보냉동기의 경우 대량생산체제의 시장이 형성돼 있으며 주로 대기업 및 중견기업 위주로 국제적인 경쟁력을 확보하고 있으나 대기업을 제외한 중견·중소기업은 해외 전문기업 부품의 수입에 의존하고 있는 상황이다. 

핵심부품은 규모의 경제로부터 가격과 품질을 확보해야 하나 글로벌 선진 부품사들의 시장 선점으로 자본과 기술의 열세인 국내 기업은 독자적인 경쟁력 강화 전략에는 한계가 있는 것으로 나타났다.

GWP 1,030의 R245fa 냉매를 이용해 증발과 응축의 온도차가 60℃ 정도인 증기생산용 무급유식 터보히트펌프가 정부지원과제로 개발돼 양산화를 진행하고 있으며 온실가스 저감을 위해 10 이하의 GWP를 갖는 냉매를 적용한 급유식 터보냉동기 개발 및 열교환기 원천 기술 개발 등이 산·학·연 협력으로 진행 중이다.

100 이하의 Low GWP를 갖는 냉매를 적용한 70℃ 이상의 대온도차와 냉온수 동시 생산이 가능한 산업용 무급유식 터보히트펌프의 개발은 국내 경험이 전무한 상황이다. 

업계의 한 전문가는 “산업용 히트펌프는 고효율 냉동공조 기술로 산업공정의 온실가스를 획기적으로 저감하는 수단으로 다양한 적용연구가 필요한 상황”이라며 “압축식 냉각방식에 사용하는 터보형 압축기는 70℃ 이상 높은 온도차 극복이 가능토록 하는 핵심부품으로 국내에는 개발돼 있지 않다”고 지적했다.

이 관계자는 “기존 증발기에 냉매를 모두 채우는 만액식 대신 초기 냉매 충전량 감소를 위한 기술개발은 아이디어 도출 단계로서 기술개발을 통한 상용화가 필요한 상황”이라고 밝혔다. 

글로벌시장은 제품 생산공정 및 환경에 대한 열환경 제어를 통해 생산성 향상 및 고품질화 등 제조 활동에 관련된 에너지 및 온실가스 저감을 실현하기 위한 토털시스템으로의 개발이 진행되고 있다.

특히 2015년부터 유럽연합(EU)은 온실가스 감축부분에서 가장 강력한 규제안인 ‘F-gas Regulation’을 제시 및 적용하고 있으며 향후 냉동공조기계 부분에서 가장 크게 영향을 미칠 것으로 전망되고 있다.

이에 따라 온실가스 저감을 위해 Low GWP 냉매를 활용하는 냉동기술이 도입되고 있으며 이를 위한 핵심부품(압축기, 열교환기) 개발과 이를 활용한 냉동공조기계 개발이 이뤄지고 있다. 

실제로 Danfoss는 무급유 터보압축기의 선두기업으로서 R134a 냉매 대체용 압축기 개발을 완료했다. YORK, DAIKIN, 히타치 등 대형 냉동기 제조사들도 Low GWP 냉매 적용 냉동기를 출시하고 있으나 무급유 터보압축기 형식은 아닌 것으로 알려지고 있다.

기존 냉동기는 대량의 냉매 봉입량이 요구돼 궁극적으로 온실가스 저감에 반하는 터보냉동기 혹은 히트펌프시스템에서 냉매 충전량 감소를 위해 다양한 형태의 열교환기 개발(Provides사, Onda사 등)이 이뤄지고 있다. 

산업부의 관계자는 “에너지를 많이 사용하는 산업분야에서 히트펌프 적용 사례가 지속적으로 증가하고 있어 세계 시장에서 경쟁력을 확보할 수 있는 기회를 제공할 수 있다”라며 “확보된 핵심부품 및 시스템기술은 원천기술 성격이 강하므로 향후 개발이 이뤄질 각종 새로운 냉매와 타냉동공조 제품개발에도 활용이 가능하다”고 밝혔다. 

이 관계자는 “유럽의 F-gas 규제 등 지구온난화가스 감축 정책이 냉매 충전량 쿼터제 실시 등의 제약적인 규제를 제기하고 있다”라며 “이에 따라 신기후체제 협약 준수를 위해서는 온실가스 지수가 높은 HFC 대체냉매 사용 및 냉매 충전량 감소 관련 연구가 필요하다”고 강조했다.