냉난방공조·냉동냉장분야에 사용되고 있는 냉매는 별다른 환경규제가 없다면 지구온도 상승에 0.3~0.5℃ 유발하는 것으로 보고되고 있어 냉매로 인한 지구온난화 영향을 감소시킬 수 있는 연구가 시급하다. 냉난방공조·냉동냉장분야는 현대 도시사회에 있어 쾌적한 생활환경 제공, 건강한 식품과 의료품 제공 등과 같은 필수적인 역할을 수행하고 있어 향후 관련분야 수요는 지속적으로 증가할 것으로 전망된다. 지구온난화지수(GWP)가 높은 냉매의 생산을 금지하고 GWP가 낮은 냉매를 개발하고 사용하도록 요구하고 있다. 친환경냉매로의 전환은 선택이 아닌 필수다. 이러한 중요성을 인정받아 탄소중립 100대 기술로도 선정됐다. 송찬호 한국기계연구원 열에너지솔루션연구실 실장을 만나봤다.
■ 친환경 냉매 관련 현주소 및 한계점은
에어컨, 히트펌프와 같은 대부분의 냉난방기기에서 사용 중인 냉매의 감축이 도래하고 있어 새로운 Low GWP 냉매 제품, 요소기술 확보가 필요한 상황이다. 일부 대기업 위주 수출용 제품으로 R32냉매 적용 제품이 존재하고 있으나 다양한 대체 냉매 후보군에 대응하는 기술력 확보가 시급하다. 대부분 낮은 GWP를 가진 냉매들은 인화성, 고압 혹은 음압, 독성 등의 문제점을 가지고 있어 안정적인 사용을 위해 이를 극복하는 기술개발이 필요하다.
몇몇 국가에서는 연구개발과제를 통해 Low GWP 대응 냉동기 개발을 진행했거나 진행하고 있으며 기계연구원 주관으로 새로운 냉매를 개발하는 과제도 진행 중이다.
완전한 자연냉매를 적용하는 냉동기 및 히트펌프 제품 개발도 주목을 받고 있다. 자연냉매인 물을 작동유체로 사용하는 냉동기 또는 공기를 적용하는 히트펌프시스템 개발도 시도되고 있다.
■ 글로벌 기술수준 및 산업동향은
전 세계적으로 친환경 냉매에 대한 관심이 증가하고 있으며 이에 대한 연구도활발하다. 해외 많은 나라들이 Low GWP 냉매에 대한 특성 분석, 실제 제품을 개발해 적용하고 있으며 자연냉매도 개발하고 있다.
미국의 AHRI(Air-Conditioning, Heating and Refrigeration Institute)는 적절한 대체냉매 식별을 위해 Low GWP 대체냉매 평가 프로그램을 시작해 산업계와 공동 연구를 수행했다. 이미 R410A 대체냉매로 R455A, R447B, R452B 및 R454B와 같은 HFO 혼합냉매들이 개발됐으며 열물성 상태식이 정립되지 않은 냉매들은 미국국립표준기술연구소(NIST)를 중심으로 연구하고 있다. 환경보호청 산하 SNAP(Significant New Alternative Program) 프로그램의 운영으로부터 유망 대체냉매를 제시하고 특성에 관한 연구도 진행하고 있다.
중국, 인도에서는 가연성이 있으나 가격이 저렴한 자연냉매(R290, R1270)를 사용한 제품이 보급되고 있으며 R32 적용 제품도 출시돼 판매가 급증하고 있다.
일본은 약가연성(A2L) 냉매를 사용할 수 있도록 안전규정을 개정해 7kW 이하 용량의 냉난방기기의 대부분은 R32를 적용하고 있다. 2018년 미쓰비시전기가 영국에서 최초로 R32를 적용한 다중 하이브리드 건물용 히트펌프를 출시한 바 있다. 또한 미국, 일본 등은 실제 환경을 고려한 화재 안전성 평가를 수행하고 이를 바탕으로 안전규격의 제·개정으로 추진하고 있다.
유럽은 기존에 운영 중인 시스템의 냉매 누출사고 데이터를 기반으로 Low GWP 시스템 구성부품 개발 방향 및 유지관리 방향을 제시하고 있다. 이외 Low GWP냉매인 R1234ze 기반 히트펌프를 활용한 지역난방시스템 구축 프로젝트를 발표하는 등 다양한 시도가 이뤄지고 있다.
최근 독일의 경우 공기 또는 수증기를 사용하는 히트펌프를 개발하고 있으며 신재생에너지와 연계해 의미있는 결과가 도출될 것으로 기대하고 있다.
■ 친환경 냉매의 탄소중립 기여도는
냉난방, 냉동냉장부문에서 전 세계적으로 연간 3.81~4.13GtCO₂eq가 배출되며 이는 전체 배출량의 7%를 상회하는 수준으로 알려졌다. 국내의 경우 냉매로 인한 온실가스 배출량에 대한 정확한 통계가 아직까지 이뤄지지 않고 있으며 냉매를 사용하는 시스템의 생산량으로 온실가스 배출량을 추정하고 있다. 국내 산업공정분야에서 온실가스별 배출량을 보면 HFC계열 냉매는 약 800만톤CO₂eq.가 매년 배출되는 것으로 추산된다. 이처럼 냉매는 지구온도를 최대 0.3~0.5℃ 상승을 억제할 수 있는 만큼 대응은 매우 중요하다.
■ 친환경 냉매 적용 필요 R&D는
현재 친환경 냉매와 관련 냉매 자체에 관한 연구와 친환경 냉매를 적용하는 냉동시스템 연구분야로 나눠 살펴볼 수 있다. Low GWP 냉매를 개발하는 연구는 국책과제로 진행 중이므로 수년안에 그 결실을 볼 수 있다.
친환경, Low GWP를 적용하는 시스템 개발은 3가지로 나눠 추진해 볼 만하다. 첫째는 ‘친환경 냉매를 기반으로 하는 냉각·가열시스템’ 개발이다. 현재 가정용·상업용 에어컨 및 히트펌프 제품은 R410A를 주로 사용하며 대형 칠러, 냉동시스템은 R134a를 사용하고 있다. 이에 대해 친환경, Low GWP 냉매 적용 히트펌프·냉각-가열시스템을 개발해 관련 요소기기 및 시스템 신뢰성 확보, 해석·평가기술을 완성시키고자 한다.
두 번째는 ‘콜드체인 대응 냉동시스템’ 개발이다. 자연냉매를 적용해 냉동시스템 고효율화를 위한 압축기, 열교환기 등의 개발과 최적화를 주 내용으로 하고 있다. HC(탄화수소계) 및 암모니아 냉매 적용까지 고려된 시스템 개발로 안전성 확보 설계기술이 필수다. 세 번째는 ‘극저온용 신뢰성 챔버의 자연냉매화 기술’ 개발이다. 극저온을 위해 공기 냉방 초고속 터보 컴팬더시스템 설계기술을 개발하고 극저온 운영에 따른 시스템 열관리, 해석이 필요하다. 또한 열교환기에서의 압력손실 최소화가 중요하므로 유로 최적설계도 중요하게 살펴봐야 한다.
■ 친환경 냉매 개발목표 달성 시 기대효과는
탄소중립에 발맞춰 궁극적으로는 2050년에는 탄소중립을 이뤄야 한다. 다양한 연구과제를 추진해 탄소배출 저감량을 약 30만톤/year 이상 목표로 했다. 이외에도 다양하게 추진하는 과제들이 모두 좋은 성과를 내고 산업 전반에 걸쳐 친환경 냉매로의 전환을 달성한다면 탄소중립에 기여하는 한편 냉동산업의 경쟁력을 한 층 더 끌어올릴 수 있다. 이는 국제 사회의 냉매 GWP 규제에 대한 선제적 대응을 통해 글로벌 냉장·냉동시장에서의 경쟁력을 확보할 뿐만 아니라 냉매들이 가지는 가연성, 독성과 같은 신뢰성 이슈들을 극복할 수 있는 시스템, 요소부품의 원천기술을 개발하는 효과를 얻을 수 있다.
■ 국내 R&D 인프라를 평가한다면
현재 탄소중립의 심각성을 인식해 다양한 국가적 연구과제가 도출되고 있다. 주로 대형 과제 위주로 R&D가 형성되며 냉동, 냉장, 히트펌프분야에서는 글로벌 냉매 규제와 맞물려 있어 매우 시급하게 연구개발이 진행되고 있다. 사회적으로도 이에 대한 공감대가 전보다 높아졌으며 각종 세미나, 강연회 등을 통해 그 중요성을 역설하고 있다.
그러나 냉매규제 측면에서 본다면 가연성에 대해 매우 보수적으로 평가하고 있다. 이에 따라 약가연성 냉매에 대한 적용이 매우 어려운 상황이다. 현재의 냉매개발 과제에서도 안정성에 대한 평가가 수행되고 있지만 제도적으로도 이에 대한 과학적 근거를 통해 제도보완이 필요하다.
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