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[인터뷰] 정재동 세종대 기계공학과 교수

“저온열원기술 미성숙 에너지가 폐기되고 있어”
흡착식 냉동시스템 개발 실증과제 참여
집단에너지 의무고시지역 틈새시장 될 것

최근 열공급기업들의 신규 사업모델로 냉방사업이 부각되며 저온열원을 활용한 냉방기술 개발도 진행되고 있다. 그동안 제습냉방, 흡착식 냉방 등 저온열원을 활용한 냉방시스템 기술개발에 적극 나선 정재동 세종대 교수를 만나봤다.

정 교수는 대한설비공학회 축열전문위원회 위원장을 역임했으며 현재는 저온설비위원회 위원장과 IIR(국제냉동기구) 전문위원 및 B1분과 부회장으로 활동하고 있다. 특히 최근 Springer 출판사 의뢰로 데시컨트 관련 신간 저술에도 참여했다.

■ 저온구동 냉방에 관심이 높아지는데
대부분 냉방에 사용되는 냉동기는 전기를 사용하는 전기압축식 프레온 냉동기다. 이는 많은 전력이 필요하다는 점과 프레온 사용으로 인한 환경파괴의 문제를 가지고 있다. 수요가 많은 전기에너지와는 달리 여름철에 열에너지 활용은 그다지 크지 않다. 더구나 전기수요에 따른 부산물로 생산되는 열에너지 양도 상당하다.

저밀도 에너지원은 태양열, 산업폐열, 지역난방수 등 다양한 형태로 존재한다. 일례로 산업현장에서 발생되는 산업폐열에 대한 조사에 따르면 중저온수, 포화수증기 등 다양한 형태로 존재하고 온도별로는 70~90℃의 폐열이 가장 큰 비중을 차지한다.

하지만 저밀도의 낮은 열원을 활용하기 위한 기술은 아직까지 성숙되지 않아 아까운 에너지가 대부분 폐기되고 있는 실정이다. 대부분의 에너지원을 수입에 의존하고 있는 우리나라에서는 에너지의 효율적 활용에 대한 연구가 더욱 시급하다. 다양한 저밀도 열에너지원 활용 및 여름철 수요공급의 불일치로 인한 과잉 열에너지의 활용에 관심 및 기술적 준비가 필요하다.

열에너지를 활용해 냉방수요에 대응하는 대표적인 기술인 흡수식냉동기와 흡착식냉동기를 전기소모가 거의 없고 친환경적이라는 장점이 있음에도 불구하고 아직까지 성능(COP)이나 설비비용, 무게 등에서 실용화를 위해서는 아직도 해결해야 할 과제가 많다.

열에너지를 활용하는 냉방방식이라는 측면에서는 동일하지만 흡착식은 흡수식에 비해 훨씬 낮은 온도에서 구동되는 장점이 있다. 낮은 온도의 저밀도 에너지원이 풍부한 상황에서 이는 매우 큰 장점일 수 있다. 또한 흡수식에 비해 가동부(moving part)가 더 작고 부식(corrosion)이나 결정화(crystallization)에 자유로운 장점이 있다.

같은 흡착방식을 이용하지만 제습냉방(desiccant cooling)과 흡착냉방(adsorption cooling)은 차이가 있다. 흡착냉방은 제습냉방에 비해 적용온도 범위가 훨씬 넓고 냉방 외에도 난방에도 적용가능하고 요즘 핫한 주제 중 하나인 에너지저장에 적용할 시 많은 장점이 있다. 하지만 냉각탑이 필요하고 아직까지 기술적 성숙도 측면에서 제습냉방보다 느린 상태다.

■ 흡착식 개발 시 현안은
흡착식 냉동기 개발에 있어 가장 중요한 현안 문제는 고효율 흡착탑 개발이다. 흡착식 냉동기 보급에 가장 큰 저해요인은 상대적으로 낮은 시스템성능과 큰 시스템 크기다. 냉동기효율은 일반적으로 성능계수(COP: Coefficient Of Performance)로 나타낸다. 사용된 에너지대비 활용하는 에너지의 비율을 의미한다. 일반적으로 전기압축식 냉동기의 경우 4 이상의 COP를 보이나 열구동 냉동기의 경우 훨씬 낮은 COP밖에 얻을 수 없다.

하지만 사용된 에너지의 가치를 고려해 볼 때 열구동 냉동기, 특히 매우 낮은 열원을 사용하는 흡착식 냉동기의 경우 에너지밀도가 낮은 폐열을 활용하므로 COP의 의미가 상대적으로 크지 않을 수도 있다. 그럼에도 불구하고 시스템효율은 냉동기 개발에 있어 중요한 주제 중 하나다.

흡착식 냉동기의 보급에 보다 큰 문제는 상대적으로 큰 시스템 크기일 것이다. 기본적으로 시스템 크기는 SCP(Specific Cooling Power)에 비례하게 된다. 흡착식 냉동기는 전기압축식 냉동기대비 일반적으로 3배 정도의 면적이 필요하다. 이는 가정용 냉동기 보급에 있어서는 치명적인 약점이 될 수 있다.

이에 따라 근래 다양한 사이클 개발로 효율은 많이 향상됐으나 보다 콤팩트하고 신뢰성을 높이기 위해서는 각 요소기기, 특히 흡착탑의 고효율화가 필요하다. 흡착탑의 효율 향상 방안은 △흡착탑의 열교환기 형상개선 △흡착탑의 표면처리를 통한 열전달 향상 △흡착제에 특정한 결합재(다공성 금속, 금속 foam, expanded graphite 등)를 이용한 복합체 구성을 통해 열전도를 향상기술로 대변할 수 있다. 또한 흡착제의 흡탈착중량차(Δq)의 향상과 사이클 시간의 단축화, 흡탈착 절환 시 열손실의 저감화기술이 필요하다.

■ 저온구동 냉방시장을 평가하면
흡착식 냉동기는 일본, 독일, 중국 등에서 활발한 연구를 수행하고 있으며 상품화된 시스템은 실리카겔/물계이다. 일본은 세계 최초로 흡착식 냉동기를 상품화했으며 세계 최고 기술을 보유하고 있다. Nishiyodo사에서는 냉동능력 175~500kW급을 판매하고 있으며 COP는 0.60~0.68이다. Mayekawa사는 냉동능력 70~350kW급을 판매하고 있으며 COP는 0.60 정도다. 독일 SorTech사는 태양열 집열기와 연계한 7.5kW, 15kW급 흡착식 냉동기를 판매하고 있으며 COP는 0.56이다. 중국에서도 Shanghai Jiao Tong University(SJTU)를 중심으로 활발한 연구를 수행하고 있으며 냉동능력 10kW급에서 COP 0.39로 알려져 있다.

■ 참여하고 있는 흡착식 개발과제는
최근 종료된 ‘저온 열구동 7kW급 흡착식 냉방시스템 개발’ 과제는 기술혁신과제로 수행됐다. 70℃ 수준의 저온열원에 대한 국내 활용기술이 전무한 상황에서 4년간 연구과정을 통해 기초기술을 확보하는 성과를 이뤘다. 후속사업으로 지난 5월부터 향후 3년간 진행될 2단계 사업은 지역난방수를 이용해 실증사이트에 적용하는 연구다. 삼중테크, 월드이엔씨, 한국지역난방공사와 1단계 사업수행을 통해 확보한 흡착식 냉방시스템 기술을 생산기술연구원, 세종대, 전북대로 구성된 산·학·연과 공동으로 실증한다.

정부가 비전력 냉방 보급에 강력한 의지를 가지고 있으며 하절기 과잉 열 판매로 고민하는 집단에너지사업의 출구역할뿐만 아니라 하절기 첨두부하 완화의 성격을 가지는 지역냉방 보급확대, 신재생열에너지 공급의무화 제도(RHO) 등이 이슈화되고 있는 시점에서 적절한 연구라고 생각된다.

최종 기술개발 목표는 저온 열원(70℃ 온수)을 이용한 COP 0.5 이상의 35 kW급 저전력 흡착식 냉동기를 개발해 최종 시제품을 지역난방수를 이용한 지역냉방사이트 2곳에 구축해 실증연구를 진행하는 것이다. 운전조건 300시간 기준 냉방 실증 Big data를 분석할 예정이다.

■ 에너지저장 연구도 새롭게 시작했는데
열화학식 고밀도 에너지저장에 대한 연구를 새로 시작했다. 축열분야 전문가로서 대외에 알려졌듯 축열분야는 오랫동안 수행했던 연구주제이다. 하지만 흡착식 연구와 결합해 새로 제안한 연구를 시작하게 됐다. 잘 알려진 바와 같이 현열축열이나 잠열축열은 축열밀도 측면에서 한계를 가진다. 또한 단열문제로 장시간 저장이 어렵다.

흡착식 고밀도 에너지저장은 아직까지 실험실 수준의 테스트 제품만이 주로 보고되고 있으며 기술측면에서는 초기단계로 해결해야 할 주제가 너무도 많다. 하지만 기본 메카니즘이 동일하고 단지 적용을 냉방이냐 에너지저장이냐의 차이로 구별된다.

최근 종료된 4년간의 흡착냉방 관련 기술혁신과제를 통해 확보된 기술은 이번 과제를 수행하는 탄탄한 기초를 제공해 줄 것이다. 높은 축열밀도, 계간축열로 대별될 수 있는 장기간 축열, 열손실이 거의 없기 때문에 가능할 수 있는 에너지택배 등이 흡착식 축열연구의 필요성을 보여주는 일례가 될 것이다.

■ 연구과제를 통한 기대효과는
저온열원을 활용하지 못해 전기식 시스템에어컨이 주로 설치돼 있는 집단에너지 의무고시 지역내 중소형 건물은 흡착식 냉동시스템을 활용해 냉방을 공급하는 틈새시장이 될 것이다.
열공급자의 열매출 확대와 지역난방 사용자의 냉방사용에 따른 중복 투자비 절감 등 장점이 부각되는 시장이다. 저온열원 활용기술이 확보되면 △지역난방온수+흡착식냉방 △태양열+흡착식냉방 △연료전지+흡착식냉방 △흡착식+압축기 hybrid 등 다양한 형태로 존재하는 저밀도 에너지를 활용할 수 있다.

2012년 산업부문 폐열 추정량은 15Mtoe로 구입 에너지량의 11.7%가 폐열로 버려지고 있으며 이중 90%는 저온열(200℃ 이하)로 그동안 경제성 확보가 어려워 버려지고 있었다. 중온폐열의 경우 제철소에서 버려지는 중저온열은 2014년 현재 연간 3,900Tcal에 이르고 이는 연간 15만가구가 사용할 수 있는 규모다.

특히 기술 혁신을 통해 설비비용과 설치 면적의 문제가 개선돼 흡착식 냉동기가 가정용으로 확대될 경우 그 파괴력은 상상을 초월할 것이다.

최근 단연 화두는 신재생에너지일 것이다. 신재생에너지의 특징인 저밀도, 저온열원이라는 사실과 간헐적인 에너지생산 문제의 해결방법으로 흡착식은 가능성 높은 기술 중 하나로 기여할 것이다.

■ 최근 저술한 저서는
지난해 상반기에 Springer로부터 저술 관련 문의가 왔고 다른 일정 등으로 계속 고사하다가 이번 여름방학 중 시간을 내 참여하게 됐다. 전체를 쓴 건 아니고 챕터 하나를 담당했다. ‘Desiccant Heating, Ventilating, and Air-Conditioning System’이란 제목이며 고체식뿐만 아니라 액체식에 대해서도 다루고 있다. Desiccant wheel modeling, evaluation of performance, Exergy performance, Desiccant air handling processors driven by heat pump, Applications 등의 내용으로 구성돼 있다. 연구자로서 그간 논문형태로는 연구 결과를 많이 발표했지만 주로 해외 논문이다보니 국내에 소개할 기회가 별로 없었다. 그러다보니 데시컨트 관련 연구를 하고 있는지도 모르더라.

■ 마지막으로 하고 싶은 말은
대부분의 에너지원을 수입에 의존하고 있는 우리나라에서는 에너지의 효율적 활용에 대한 연구가 매우 시급하다. 다양한 산업체의 공정에서 버려지는 폐열 등을 효과적으로 활용할 수 있는 흡착식 냉동기 개발은 이러한 수요에 매우 적절한 대응이다. 특히 중온수 흡수식 냉동기의 운전이 곤란한 80℃ 이하의 저온배열을 활용한 새로운 시장 개척이 필요하다.

흡착식 냉동기의 실용화를 위해 흡착제 자체에 대한 연구개발은 물론 흡착탑 구성, 흡착제 충전 방법, 흡착제와 전열면과의 접착 등 흡착탑 고효율화 연구가 지속적으로 이뤄져야 한다.