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에스앤지에너지, 산업공정용 열공급 SoHProTES 개발 추진

산업열부문, 태양열 통한 탄소중립 실현 기대
120℃ 이상 열공급·스마트 O&M시스템 적용

화석연료 의존도가 높은 산업공정용 열부문에 대한 온실가스 저감을 실현하기 위한 태양열 융합 열공급시스템 개발이 추진된다. 

에스앤지에너지(대표 박종일)는 ‘2022년도 제1차 에너지기술개발사업 신규지원대상과제’ 중 ‘산업공정용 열공급을 위한 태양열 융합 열공급시스템(SoHProTES: Solar Heat pump industrial Process Thermal Energy supply System) 개발 및 스마트 O&M시스템 구축기술개발’ 주관기관으로 선정됐다. 

이번 과제의 목표는 △산업공정에 활용할 수 있는 태양열 히트펌프 융합 열공급시스템 설계기술 개발, 구축 및 3개소 이상 실증 △산업공정열 공급을 위한 태양열 핵심기자재 성능 및 신뢰성 향상기술개발 △SoHProTES의 스마트 O&M 및 서비스플랫폼 개발 등이다. 

목표를 달성하기 위해 주관기관인 에스앤지에너지를 비롯해 △한국기계연구원 △한국에너지기술연구원 △선다코리아 △베리워즈 △경희대 산학협력단 △대전대 산학협력단 등이 참여한다. 



에스앤지에너지는 △중온용 태양열 집열기 제작 △내구성, 신뢰성이 향상된 핵심기자재 분석 및 제작 △실증대상지 비즈니스모델 분석 및 설비구축 △태양열집열기 파일럿플랜트 제작 및 성능분석 등을 수행한다. 

기계연구원은 △SoHProTES 설계플랫폼 개발 △SoHProTES용 히트펌프시스템 설계 및 구축 △축열조 고단열 및 집열기 신뢰성기술 개발 △SoHProTES 스마트 O&M 및 서비스플랫폼 설계지원 등을, 에너지연은 △중온용 평판형 태양열집열기 및 실험장치 제작, 성능시험, 성능분석 △중온용 열저장조 및 성능시험 △SoHProTES 중온용 집열기 및 열저장조 제작 △집열기, 열저장조의 실증성능 분석 및 평가 등을 맡는다. 

선다코리아는 △열매체 및 태양열 배관설비부 설계 및 제작 △중고온용 열교환 및 배관부 성능분석, 평가 △집광형 SoHProTES 등 중고온 산업공정용 비즈니스모델 발굴 및 확대적용 등을, 베리워즈는 △열공급의무화 관련 BM개발 △열거래, 탄소배출권 BM개발 등을 추진한다. 

경희대는 △SoHProTES 성능진단·제어, 평가기술 개발 △원격모니터링, 유지관리, 안전관리를 위한 서비스플랫폼 개발 △통합운영센터 연계 양방향 스마트 O&M 기술개발 등을, 대전대는 △중온용 평판형 집열기·열저장조 성능향상 시뮬레이션 △중온용 평판형 집열기 진공식 이중투과체 개발 △고효율 집열기 개발 △SoHProTES 시공 가이드라인 등을 수행한다. 

집열기·열저장조·관리시스템 통합 개발
기존 태양열을 활용해 산업공정용 열을 공급하기 위한 시스템은 보일러 공급수를 가열하는 시스템으로 보조시스템이라는 한계를 가지고 있었으며 태양에너지의 간헐성으로 인해 안정적인 열공급을 위한 산업공정에 직접 적용하기 어려웠다. 

또한 80℃ 수준의 저온공정용 열을 생산하기 때문에 스팀을 사용하는 산업공정에는 적용할 수 없었으며 산업공정별 설계·사용·환경조건 등이 상이하지만 특정 조건을 대상으로 연구가 진행돼 확대되지 않았다. 

이번 연구는 이러한 기존 시스템의 한계점을 극복하기 위해 추진됐으며 태양에너지의 변동성을 해소하고 기존 보일러 연계 및 완전대체를 위해 150℃급 고효율 히트펌프와 연계해 시스템을 구성할 방침이다. 전일사를 이용할 수 있는 중온용 고효율 평판형 집열기 및 축열조를 개발해 적용범위를 확대하며 △공급온도 △열수요량 △부지여건 △기존설비 △일사량 등을 반영하는 최적 공정설계플랫폼을 개발해 경제성을 극대화한다. 

과제를 통해 개발되는 SoHProTES는 보일러 등 기존 설비가 있는 경우 보일러 급수 예열용 또는 보일러 헤드에 직접 증기를 공급하는 연계공정으로 설계될 예정으로 신설공정 및 중장기 BM을 고려해 SoHProTES만으로 공급가능한 모델도 동시 개발된다. 

현재 개발된 고온 히트펌프의 최대온도는 165℃지만 에스앤지에너지 컨소시엄은 COP 및 가격 등을 고려해 적용온도를 선정할 예정이며 히트펌프 증발기 및 응축기 2차 유체 열원으로 공정폐열과 태양열 집열기 열을 이용할 방침이다. 태양열 집열기는 히트펌프와 직렬, 병렬로 연결돼 열을 공급하며 180℃ 이상 공정에 대해 기존 보일러 및 과제를 통해 개발될 평판형 집열기와 연계, 구성한다. 

다만 산업공정열분야에 적합한 120℃ 이상의 열을 안정적으로 공급할 수 있는 태양열집열기가 부재한 상황이다. 또한 100~180℃ 범위의 중온 산업공정열분야에서 사용되는 화석연료를 대체하기 위한 신재생열에너지공급시스템 개발이 필요하다.

단일·이중 진공관형 집열기는 전면적대비 낮은 투과면적을 가지고 있어 평판형대비 약 70% 수준이며 집광형 집열기의 경우 전일사 중 직달일사만 집열할 수 있어 산란비일사가 45% 내외인 국내 기후여건이 적합하지 않다. 

이에 따라 평판형 집열기가 태양열 집열기로 선정됐으나 기존 평판형 집열기의 경우에도 작동온도는 80℃ 이하다. 에스앤지에너지 컨소시엄은 180℃의 고온과 1MPa의 고압의 조건에서도 안정적·지속적 열공급이 가능하고 작동온도 120℃, 일사 1,000W/m²에서 50% 이상 효율을 달성하는 것을 목표로 △단열성능 0.5W/m²K 이하 고성능 진공유리투과체 △이중구조 프레임 △흡수판 △단열재 △고온·고압 작동 열매체 누수방지를 위한 서펜타인 열매체배관 등으로 구성된 전일사 집열이 가능한 평판형 집열기가 개발한다. 

안정적인 열공급을 위한 중온용 고효율 열저장조는 극저온 유체저장용 초고단열기술이 적용돼 높은 밀도로 열저장이 가능하고 열전달매체오일과 재생골자를 혼합한 혼합축열매체로 경제성을 확보할 것으로 기대된다. 

이와 함께 SoHProTES의 원격모니터링, 고장진단 및 제어, 유지관리 및 안전관리 등을 통해 사용자, 설비엔지니어, 안전관리자 등의 편의성을 확보할 수 있는 스마트 O&M시스템도 개발된다. 또한 스마트 O&M시스템과 연계한 통합운영센터(TOC) 기술개발도 추진해 수익모델 창출을 극대화할 방침이다. 



TOC는 △최적화운전시스템 △실시간 관리시스템 △정보제공시스템 △열거래시스템 등으로 구성되며 최적화운전시스템과 실시간 관리시스템을 통해 공장별 수요예측, 최적 생산·공급계획 수립, 실시간 모니터링, 고장상황 대응 등을 가능케 한다. 열거래시스템을 통해서는 △열원수요 예측정보 활용 △열거래 △열공급의무화 △탄소배출권 등에 대한 실적을 관리할 수 있다. 

과제의 성과를 확인할 수 있는 실증부지는 △에스앤지에너지 △더본코리아 △대명축산식품 △고려인삼과학 △뉴월드통상 등 수요처 5개소 중 △일사조건 △설치편의성 △기존 설비 연계성 △공정온도 적정성 △사업장 의지 등 평가기준을 고려해 선정됐다. 

이중 △에스앤지에너지(김포시 공장동) △더본코리아(충남 예산군 공장) △대명축산식품(김포시 신축공장) 등이 우선 실증부지로 선정됐으며 실증부지 사용 협력의향서를 지난 2월 체결했다.