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태양전기, 산업용 보일러 대체 ‘고온 HP’ 개발

350kW급 160℃ 증기생산용 무급유 압축기 적용
60~1,000RT급까지 모듈화·에너지효율 10~20%↑


고온 히트펌프는 혁신적인 온실가스 감축을 위해 에너지 다소비 공정·공장 중심으로 효율향상 기술개발을 위한 핵심기기로 평가받고 있어 정부의 탄소중립 기술혁신 10대 핵심기술에 포함돼 있다. 제조업 중심 경제구조, 산업공정 에너지효율 향상이 탄소중립에 필수이며 향후 20년간 에너지 관련 온실가스 감축의 40% 이상이 효율향상으로 감축될 것으로 IEA는 전망하고 있어 고온 히트펌프에 더욱 관심을 가져야 하는 이유다. 

고온용 증기 생산 히트펌프는 증류 및 살균 공정(석유화학·식음료), 제습 및 건조공정(전기차 배터리·전자부품·종이펄프·식품산업), 세정(전자부품·자동차부품 전처리·음료수병·화장품 용기) 등 다양한 산업분야에서 응용이 가능하며 정부의 탈탄소화 전략 핵심기술로 기존 연소식 보일러 대체가 가능한 기술이다. 

산업공정에서 사용 후 버려지는 미활용열 회수를 위한 가장 효과적인 기술이 고온 히트펌프임. 화석연료 등 에너지가격이 비쌀수록 열회수 요구는 증가하고 있다. 고온용 증기 생산 히트펌프는 증류 및 살균 공정(석유화학·식음료), 제습 및 건조공정(전기차 배터리·전자부품·종이펄프·식품산업), 세정(전자부품·자동차부품 전처리·음료수병·화장품 용기) 등 다양한 산업분야에서 응용이 가능하며 정부의 탈탄소화 전략 핵심기술로 기존 연소식 보일러 대체가 가능한 기술이다. 

세계 고온 히트펌프시장은 2030년 약 155억달러(18조6,000억원, 2018년대비 연 5.6% 성장)로 예상되며 국내 시장은 약 7,200억원 규모로 예상된다. 이는 산업용 및 상업용 노후 증기보일러 350kW 환산수량 2.5%/년 교체 시 예상되는 시장 규모로 현재 국내 산업체 및 상업용 건물에서 사용 중인 보일러를 350kW급으로 환산 시 36만대 이상이며 대부분이 히트펌프 활용 온도범위에서 사용되는 것을 감안하면 시장수요는 충분할 것으로 보인다. 특히 산업용 보일러시장보다 규모가 큰 국내 건물용 고온수 및 증기 보일러 대체용 시장 진입도 가능할 것으로 전망된다. 



그러나 고온 히트펌프의 핵심부품인 냉매 압축기는 가전 및 일부 상업용 시스템을 제외하고 대부분 수입품이 시장을 점유하고 있어 160℃급 히트펌프에 필요한 국내 기술은 아직 개발되지 않은 실정이다. 

특히 산업공정용 히트펌프에 사용하는 냉매 압축기는 윤활유를 사용하는 왕복동, 스크류, 원심식에서 윤활유를 전혀 사용하지 않는 자기부상식 무급유 압축기로 전환되고 있지만 현재 일반 공조용 무급유 냉매 압축기시장은 외국산 제품이 사실상 독과점으로 판매하고 있다. 

고온 히트펌프 개발을 위해서는 고온·고압 대응 Low GWP 냉매, 무급유 원심 압축기, 초임계 적용 열교환기 및 시스템 최적화 설계, 제조, 평가기술 개발이 요구된다.  

차세대 냉동공조기술 개발 

태양전기(대표 박종훈)가 산업통상자원부의 지원받아 ‘350kW급 160℃ 증기(Steam)생산용 무급유 원심식 히트펌프 개발’에 나선다. 개발제품은 산업체에서 발생하는 미활용 열에너지인 폐열이나 배열을 열원으로 산업공정에 고온·고압의 고온수 또는 증기(Steam)를 생산·공급하는 기술로 기존 화석연료 사용 증기 보일러를 대체할 수 있는 대표적인 탄소중립 대응 제품이자 친환경 냉매를 이용한 차세대 냉동공조기술로 평가받고 있다. 

산업용 고온 히트펌프는 이미 사용된 재생 가능한 저급의 미활용 열에너지를 이용해 에너지효율을 높이는 기술로 탈탄소화를 위한 산업공정 효율화의 핵심기기다. 화석연료(석유, 가스) 연소 보일러를 대체 가능한 신기술로 배출가스의 CO₂저감과 기존대비 10~20% 이상 에너지효율 향상을 기대할 수 있다. 또한 열용량 350kW급 개발이 완료되면 모듈화해 60~1,000RT급까지 대형 산업용으로 적용이 가능하며 기술개발 성공 시 현재 외국산 무급유 냉매 압축기에 잠식당한 국내 시장의 수입대체 효과도 기대할 수 있다. 

태양전기의 관계자는 “160℃급 고온 증기 발생용 무급유 원심 압축기, 열회수 증발기, 초임계 가스냉각기, 산업용 고온 히트펌프시스템은 아직 상용화되지 않은 기술로 한국보다 10여년 앞서 연구를 시작한 일본, EU를 포함해 모두 관심이 높은 고온 히트펌프 기술개발 및 보급을 통해 산업공정 에너지효율 제고와 온실가스 감축에 기여하기 위해 관련 기술개발을 경쟁하고 있다”라며 “국내 중소기업 및 열사용 산업체의 기술 경쟁력 제고 및 원가절감에 기여하고 자  이번 연구를 통해 유하액막식(falling film type) 증발기를 개발할 경우 매우 고가인 Low GWP 냉매 충전량을 20% 이상 줄일 수 있다”고 밝혔다. 



태양전기의 고온 히트펌프 개발은 현재는 존재하지 않는 160℃급 산업용 고온 히트펌프를 통한 새로운 시장 및 일자리 창출에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 네덜란드의 경우 환경보존을 위해 화석연료 및 직접 가열 전기히터의 사용을 제한하고 히트펌프 사용을 지원하며 연소보일러 사용을 제한하는 정책을 펴고 있어 고온 히트펌프는 이러한 추세에 적절한 대응이 가능할 것으로 예상된다. 

회전기계인 냉매압축기에 자기부상(magnetic levitation)을 이용한 자기베어링을 사용함으로써 윤활유를 전혀 사용하지 않아 윤활유에 의한 열전달 저하가 없어 열교환 성능이 약 15% 상승하는 만큼 곧 제조 원가절감으로 이어질 수 있다. 

윤활유 순환 및 냉각장치가 없어 기존대비 고장율 50% 이하로 감소할 수 있어 이는 곧 생산성 향상으로 이어지며 윤활유 순환 및 냉각장치가 없어 기계구조가 단순화함에 따라 제조원가 절감과 윤활유에 의한 환경오염도 없다. 

160℃ 이상 스팀을 생산해 산업부문 열수요 중 온도범위 약 50% 범위까지 공급 가능하므로 히트펌프에 대한 신규 수요도 창출할 수 있다. 

태양전기의 관계자는 “산업계에서 요구되는 온도 범위는 매우 크지만 주요 8개 산업분야에서 소비하는 열의 68%는 100~200℃ 사이에 분포하는 것으로 조사돼 있다”라며 “2050 탄소중립을 실현하기 위해서는 스팀(고온) 히트펌프의 활용이 기대된다”고 강조했다.