에너지기술평가원은 최근 화석연료기반 열에너지 공급설비(보일러, 직화 흡수식 등)와 전기 구동식 저온 공급 칠러 설비를 동시에 대체하는 ‘산업용 1,000RT급 대온도차 히트펌프시스템 핵심기술 및 실증․운영’ R&D를 발주했다. 개발기간은 총 57개월 이내이며 1차년도 정부지원연구개발비: 28억6,000만원을 포함해 총 정부지원연구개발비는 228억6,000만원 내외다.
이번 기술개발을 통해 대용량 히트펌프시스템의 고효율, 고신뢰성을 확보해 핵심요소기술 개발, 시스템설계, 운용기술 개발 등 동시 진행으로 신속한 시장 진출에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
개발 필요성은
화석연료 연소과정에 의존하고 있는 산업공정 열공급의 전환을 통한 탄소중립 구현을 위해 히트펌프 기술개발이 시급한 상황이다. 우리나라 부문별 에너지소비에서 산업부문은 60.2%를 차지하며 산업부문 내 공정열 공급설비의 에너지소비량은 4,9600만TOE 수준으로 저탄소화 기술 확보가 시급하다.
산업공정부문 시장의 요구사항인 △대용량 △대온도차 △고신뢰성 등을 만족하는 히트펌프 개발은 높은 위험요인으로 인해 민간기업이 독자적으로 추진하는 것은 한계가 있어 정부 R&D 지원이 시급한 상황이다.
산업 공정열원 조건에서 높은 성능계수 구현 기술과 Low GWP 냉매 적용을 위한 핵심기술 및 이를 활용한 산업용 대형 히트펌프시스템 관련 국내 독자 기술 확보도 필요하다.
향후 온실가스배출 저감 관점의 고효율에너지 기기 및 시스템 적용 증가를 고려하면 가파른 성장이 예상됨에 따라 독일, 일본, 미국의 기업들이 대용량 히트펌프기술을 내세워 시장을 선도 중이다.
국내 히트펌프시장은 LG, 삼성이 높은 기술력을 보유해 시장에 진출했으나 대부분 가정용과 상업용(VRF 히트펌프)에 편중돼 있는 것이 현실이다.
산업공정용에 적용하기 위해서는 터보히트펌프 개발 관련 독자적인 기술력 보유 및 고도화가 필요하며 히트펌프를 제지, 식품 등 기존 에너지다소비 공정에 빠르게 확산시키기 위해 대용량 온열수요와 냉열수요가 공존하는 산업공정용 고효율시스템 확보와 국산화가 시급한 상황이다.
산업용 히트펌프시스템은 모듈화, 대량생산의 난점으로 인해 현장 맞춤형 설계가 요구되며 다양한 공정을 수용할 수 있는 설계·운영 엔지니어링 기술개발 적용을 통한 사업화가 필요하다.
기술개발방향은
이번 R&D는 산업부문 열에너지설비 관점의 시장 진출을 위한 대용량 시스템기술을 개발하는 것으로 1,000RT급 대온도차 히트펌프 기술개발 및 실증 단계 추진을 통한 기술 완성도 제고를 달성해야 한다. 시스템 에너지효율과 유지보수 관점의 장점을 확보 가능한 기술을 개발하고 실증 운전을 통해 화석연료 기반 열원시스템인 보일러와 저온 칠러의 동시 대체시스템기술도 확보해야 한다.
이를 위해 사이클 고효율 및 부분부하 대응 관점에서 효율향상을 달성하고 무급유 압축기시스템을 적용해야 한다.
특히 냉매 국제규제를 만족함으로써 중장기적인 규제 위험요소 완화기술도 개발해야 한다. Low GWP 냉매 적용 무급유 히트펌프 개발, 냉매 충진량 저감을 위한 부품 기술개발은 물론 수요처 맞춤형 엔지니어링 기술 개발을 통한 터보히트펌프 운영기술도 확보해야 산업공정 내 냉열, 온열수요에 대응하는 효율적인 운영기술 개발을 통해 운영 안전성을 제공할 수 있기 때문이다.
이번 R&D의 최종목표는 Low GWP 냉매와 무급유 압축기를 적용하는 대용량(1,000RT급), 대온도차(고온/저온 온도차 70℃ 이상) 히트펌프 개발 및 산업공정 실증을 통한 통합 운영시스템 개발이다.
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