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HFO냉매시대 열린다

규제 대응, HFO기반 냉매솔루션 ‘최적’
HFO 전환 늦을수록 국제경쟁력 하락
정부, 인센티브 지원·규제시기 앞당겨야



지난 2016년 10월 유엔기후변화협약 당사국 196개국이 참여한 파리 기후변화협약은 2020년 이후 교토의정서 대체, 선진국과 개도국 온실가스 자발적감축 신기후체제출범, 저탄소경제시대로 전환을 의미한다.

특히 르완다 키갈리에서 열린 개정의정서 당사국 제28차 회의는 CO₂보다 강력한 온실가스인 에어컨냉매의 HFC를 제한하는 것을 170개국이 합의함으로써 선진국은 2019년, 개도국 2024·2029년부터 단계적으로 감축에 들어갈 계획이다.

키갈리 개정의정서에 따르면 우리나라는 A5국 그룹 1에 소속돼 2020~2022년 HFC평균 생산 소비량+HCFC 기준수량의 65%가 기준수량이 되며 2024년 동결, 2029년 10% 감축, 2035년 30% 감축, 2045년 80%로 줄이는 것이 시나리오다. 특히 우리나라는 오는 2020년부터 HCFC계열 냉매인 R22, R123 등 사용이 금지된다.

하지만 국내 냉동공조업계에서는 ‘당장 발등에 떨어진 불이 아니’라는 분위기가 읽힌다. 그나마 수출을 준비 중인 대기업 정도나 차세대 냉매를 적용한 제품을 개발하고 있을 뿐 중소·중견기업에서는 차세대 냉매에 대한 기술개발 일정이 사실상 전무한 실정이었다.

업계의 한 관계자는 “현재 전세계는 기존 HFC냉매에 대한 규제와 함께 새로운 냉매에 대한 관심이 뜨겁다”라며 “하지만 HFC냉매를 신냉매로 취급하고 있던 우리나라에서는 혼란이 오고 있다”고 지적했다. 이는 아직도 HCFC를 사용하고 이제 막 HFC냉매로 전환하려 하고 있는데 새로운 냉매 출현에 어리둥절하고 있다는 것이다.

하지만 최근 분위기는 조금은 역전된 듯하다. HCFC계열 냉매의 최종적인 폐기가 다가오고 HFC의 단계적 축소가 임박하면서 GWP가 낮은 새로운 냉매에 대한 관심이 높아지고 있다.

업계의 한 관계자는 “몬트리올의정서를 기반으로 키갈리의정서로 이어지는 HCFC와 HFC규제에 따라 대안냉매로 CO₂, 암모니아 등 자연냉매와 GWP가 1인 R1234yf, R1233zd, R1234ze 등 HFO냉매와 HFO와 HFC를 혼합한 Low GWP 혼합냉매밖에 없다”라며 “하지만 자연냉매 계열은 압력이 상대적으로 매우 높고 가연성이 높아 시스템 설계 및 유지보수에 가격적, 기술적 부담이 된다”고 밝혔다.

이 관계자는 “특히 냉매용량이 많이 들어가는 대형시스템 경우 가연성 냉매등급이 적용돼 A1급의 냉매가 사용돼야 하는 상황”이라며 “여러 요소들을 고려해 봤을 때 가장 적합한 규제 대응책은 HFO기반의 냉매 솔루션”이라고 강조했다.

또 다른 관계자는 “중·대형 냉동기시장에서는 의외로 쉽게 새로운 냉매로의 전환이 이뤄지고 있다”라며 “중·대형 냉동기는 크게 저압과 중압 냉매 모델로 나뉘는데 저압의 경우 단기적으로는 R514A, 장기적으로는 R1233zd로, 중압냉매는 단기적으로는 R513a, 장기적으로는 R1234ze로 전환될 것으로 보인다”고 밝혔다.

왜? HFO냉매인가
국내외 F-Gas 감축 계획에 따라 Low GWP냉매에 대한 관심이 높아지고 있다. Low GWP냉매가 바로 ‘HFO(Hydrofluoroolefin)냉매’다. 이미 알고 있거나 들어봤던 R1234yf, R1234ze(E) 등이 HFO냉매 중 하나다. HFCs(플루오로 카본)과 마찬가지로 수소, 불소, 탄소로 구성돼 있지만 불포화 상태라는 유일한 차이점이 있다.

차세대 냉매는 대기 내 수명이 매우 짧다. 기존 사용냉매와 달리 대기 중 존속기간이 연단위가 아닌 월 혹은 일로 측정된다. 일반적으로 대기 내 수명이 짧을수록 환경에 끼치는 영향이 더 적다. 이유는 간단하다. 화학물질이 성층권에서 충분히 오래 존속되지 못하기 때문이다.

업계의 한 관계자는 “HFC가 퇴출 압력을 받는 이유중 하나는 대기 내 수명이 상대적으로 길기 때문”이라며 “예를 들어 R134a는 14년 동안 존속하 는 반면 HFO R1234yf는 10.5일, R1234ze는 16.4일간만 잔존한다”고 밝혔다.



HFO냉매는 GWP가 높아 키갈리의정서에 따라 사용량을 줄여야 하는 HFC 냉매와 ODP로 인해 사용이 폐지되는 HCFC 냉매에 대비해 ODP는 제로(0)이며 GWP도 매우 낮은 차세대 냉매다. 국제 협약에 따라 환경에 유해한 냉매는 국가적으로 수입량을 점진적으로 줄여나가거나 사용량을 관리하며 기후변화에 대응하는 추세다.

이렇다보니 기존 R22나 R123, R134a를 대체 가능한 장기적인 Drop-in 솔루션으로 HFO냉매 사용이 증가하고 있다. 성능이나 효율성 측면에서도 양호해 거의 모든 냉동공조 및 냉동·냉장, 히트펌프 등에 적용이 적합하다.

HCFO, HFO, HFO혼합물로 이뤄진 △R1233zd(E) △R1234yf, R1234ze(E) △R1336mzz(Z) △R513A △R514A △R452B 등이 Low GWP냉매에 포함된다.

업계의 한 관계자는 “HCFC계열 냉매의 최종적인 폐기가 다가오고 HFC의 단계적 축소가 임박하면서 GWP가 낮은 새로운 냉매가 해결책으로 등장하고 있다”라며 “과거의 경우 냉매선택은 안전(인화성 및 독성)과 효율 등 다양한 요인 사이에서 균형을 맞췄다”고 밝혔다.

몬트리올의정서가 발효되기 이전에는 안전과 효율을 고려해 염화불화탄소(CFC)를 채택했다. CFC가 오존층파괴의 원인이라는 것이 확인되면서 CFC는 빠르게 폐지됐다. 이어 R134a, R407C, R410A와 같은 ODP가 ‘0’인 HFC와 ODP가 매우 낮은 R22 및 R123과 같은 HCFC로 대체됐지만 ODP ‘0’인 냉매만 사용할 수 있는 상황이 전개되고 있다.

업계의 한 관계자는 “2019년까지 R22는 단계적 폐지의 마지막 단계인 ‘공급중단’에 이르면 자연스럽게 R22 등 HCFC냉매 사용이 줄어들 것”이라며 “결국 HFO냉매가 차세대 냉매로 등극할 수밖에 없는 구조”라고 밝혔다.

HFO냉매 선택기준은
냉매를 제품에 적용할 경우에는 반드시 고려해야 하는 사항이 독성(Toxicity)와 가연성(Flammability)이다. 상업용 냉동기는 냉매의 충전량이 많기 때문에 더욱 사용자의 안전을 고려해 냉매를 선택해야 한다.



미국냉동공조협회(AHRI)는 HVAC 용도의 차세대 냉매와 이의 지속가능성을 조사하기 위해 대체냉매 평가 프로그램(AREP)을 통해 HVAC Community를 조직했다.

업계의 한 전문가는 “많은 신규 Low GWP 냉매에는 인화성이 있다”라며 “이를 나타내기 위해 신규 인화성 등급을 만들었으며 ANSI/ASHRAE 표준 34 냉매명칭 및 안전등급에서는 3개의 인화성 등급을 명시하고 있다”고 밝혔다.

△등급 A1(비인화성) △등급 A2(저인화성) △등급 A3(고인화성)에 ‘점화 및 지속이 어려움’ 혹은 ‘가벼운 인화성’으로 정의되는 4번째 분류–A2L등급을 추가했다.

업계의 한 관계자는 “A2L등급이 실제로 어떤 영향력을 보이는지 확인하기 위해 실험이 추진됐으며 그로 인해 모든 A2L등급의 냉매가 동일하지 않다는 것이 확인됐다”라며 “예를 들어 R452B, R1234yf, and R1234ze(E)는 A2L등급 스펙트럼에서 인화성이 낮은 반면 R32와 암모니아는 인화성이 높아 결국 목적은 가능한 인화성이 낮은 냉매를 사용해야 한다는 것”이라고 밝혔다.

다만 인화성 등급 A2L등급을 고려해 시스템의 안정성 확보가 반드시 요구되지만 냉매의 발화 조건이 제한적이고 확산 속도가 매우 느리기 때문에 인화성 등급 A3인 자연냉매 R290과 같은 높은 수준의 안전성이 요구되지 않는다.

또한 관련 부품은 일반 냉매시스템에 사용되는 부품들과 호환 가능하며 작동 압력 수준이 일반 냉매와 유사하기 때문에 CO₂시스템과 같은 고압설계가 필요치 않아 기술적인 구현이 용이하다.



신규 등급의 인화성을 갖는 냉매를 채택할 수 있도록 관련 규정을 만드는 것이 무엇보다 시급해 보이며 인화성이 적은 A2L등급 냉매를 사용할 수 있도록 적절한 요건을 포함시켜야 한다. 

특히 우리나라는 인화성에 아주 민감하게 반응한다. 가령 R32의 경우 이미 글로벌 냉동공조기업들은 모두 제품에 반영하고 있다. 심지어 대형 칠러용으로도 사용하고 있지만 인화성이 있다는 이유만으로 국내에서는 적용하는 것 자체를 꺼려하고 있다. 그러나 수출 제품을 만들고 있는 LG전자나 삼성전자는 이미 R32를 적용한 제품을 출시했다.



HFO냉매가 개발된 가장 큰 이유는 지속가능성을 위해 GWP가 낮은 냉매를 통해 탄소발생량을 감소시키고자 하는 것이다. 온난화 효과를 계수화한 총온난화지수 TEWI(Total Equivalent Warming Index)는 냉동기 사용 시 간접배출과 직접배출로 구분된다.

간접배출은 냉동기가 사용하는 에너지의 종류와 사용량에 따라 지구온난화에 기여하는 것을 말하며 직접배출은 냉매를 냉동기에 충전 시 혹은 사용 중 발생한 누설로 대기 중에 직접배출돼 온난화에 기여하는 것을 말한다.

연구자료 따르면 실제로 전체 총온난화지수 중 간접배출이 기여하는 것이 95%, 직접배출이 기여하는 것이 5%로 알려져 있다.

이에 따라 냉동기에 GWP가 낮은 냉매를 적용하면 직접배출은 줄일 수 있지만 효율이 떨어질 경우 에너지를 더 많이 사용해 간접배출이 늘어나 전체적으로는 탄소배출량이 증가하게 된다. 여기서 효율은 총 운전시간의 1%를 차지하는 100% 부하의 COP가 아니라 99%를 차지하는 부분부하 효율 (NPLV)을 뜻한다.



상용화는 언제쯤 될까
현재 국내에서 연간 소비되는 냉매기준으로 이산화탄소 배출량은 대략 800만CO₂톤 정도로 보고 있다. 이는 BAU 총량인 약 8억CO₂톤의 약 1% 정도 되는 물량이다. 단일 아이템으로는 상당량의 CO₂배출량을 자랑한다.

우리나라 정부가 국제사회에 약속한 BAU대비 37% 감축량을 고려했을 때 상당히 의미가 있는 수치라고 볼 수 있지만 여전히 냉매를 적용하는 제조사 입장에서는 기존 HFC 혹은 HCFC냉매와 HFO냉매와의 가격차이와 기술개발 비용 때문에 HFO냉매 적용을 부담스러워하고 있다. 이러한 부담이 국내에서 HFO냉매 시스템이 상용화되지 못하고 있는 이유 중 하나다.

업계의 한 관계자는 “국내의 경우는 아직 HFO냉매시장의 움직임은 더딘 상황으로 일부 국책 과제로 HFO냉매를 사용하는 냉동기의 연구 움직임은 있다”라며 “신냉매 사용에 대한 이점이나 HFC냉매 사용에 대한 불이익 등이 없는 상황이어서 시장에서의 요구는 거의 전무한 상태”라고 지적했다.



하지만 유럽 및 북미, 일본의 여러 제조사들은 R1234ze 냉매를 적용한 스크류 칠러 및 히트펌프시스템을 적극적으로 홍보하고 있으며 주로 중·대형 공조시설 및 데이터센터 등에 적용되고 있다. 실제 적용사례는 꾸준히 증가하고 있다.

업계의 한 관계자는 “국내의 경우 HFO냉매 사용과 관련한 기술수준은 이미 갖춰져 있다고 판단되나 선진국에 비해 HFC의 감축 계획에 여유가 있기 때문에 HFO냉매 활성화가 되기까지 다소 시간이 걸릴 것으로 예측된다”고 전망했다.

업계의 또 다른 관계자는 “국내의 경우 2024년 Freezing, 2029년부터 phase-down이 시작되지만 자동차용 냉매는 이미 R1234yf로 전환이 시작됐다”라며 “이외에도 해외 수출용(선진국향) HVAC시스템의 경우 Low GWP 냉매인 HFO계열 냉매를 적용해 테스트가 진행 중”이라고 밝혔다.

이 관계자는 “그러나 HCFC/HFC 냉매 공급난 혹은 가격급등 같은 체감할 만한 압력이 발생하기 이전에는 전면적인 전환은 어려울 전망”이라고 강조했다.

그러나 몬트리올의정서 규제에 따라 우리나라는 2013년부터 R22와 같은 HCFC의 감축 규제가 들어가 시장가격이 많이 상승하고 있는 상황이다. 최근 국제적인 R22 생산량 감소로 인한 냉매 가격상승으로 인해 R404a 사용량이 꾸준히 증가하고 있는 추세를 볼 때 향후 HFO냉매에도 영향을 미칠 가능성이 커 보인다.

특히 롯데마트는 콜드체인에 적용되는 R22 적용 냉동냉장시스템에 HFO 혼합냉매인 R448a를 적용했으며 전매장으로 확대할 예정이다. 자동차 에어콘용 역시 규제가 적용되는 국가에 수출비율이 높은 만큼 R134a에서 R1234yf로 전환이 이뤄졌고 올해부터는 국내에서 생산되는 물량에도 적용될 예정이다.

냉동기 부분 역시 Low GWP 냉매 기반의 시스템 개발 국책과제가 진행 중이며 글로벌 냉동공조기업인 트레인, 존슨콘트롤즈(요크)는 R123 대체용으로 GWP가 1인 HFO냉매인 R1233zd를 적용한 시스템을 개발해 시장에 출시했다.

다만 국내에서 가장 큰 부분을 차지하고 있는 R410a를 적용하는 RAC와 VRF는 일부 R32으로 변경되고 있지만 미가연성(A2L등급) 냉매이기 때문에 VRF처럼 시스템에어콘에는 적용하기에는 인식변화 및 제도개선이 없고서는 사실상 어려워 보인다.

결국 국내 감축 계획이 시작되는 2024년을 시점으로 HFO사용에 대한 본격적인 움직임이 시작될 것으로 예상되지만 지금부터 이를 대비한 움직임이 펼쳐질 것으로 보인다.

HFO냉매 활성화를 위해서는 무엇보다 낮은 GWP냉매 사용에 대한 보다 실효성 있는 규제가 필요하며 이와 동시에 제조업체의 제품 개발에 따른 비용 부담을 최소화할 수 있는 지원 및 고효율친환경 제품에 사용에 대한 인센티브 정책도 뒷받침돼야 할 것으로 보인다.

업계의 관계자는 “우리나라와 같은 냉매규제 스케줄 선상에 있는 중국의 경우 HCFC를 많이 이용하는 사용자를 조사해 친환경 냉매 적용 시 인센티브를 주는 정책을 실행하면서 상당부분 실효를 거두고 있다”고 지적했다.



현재 에너지효율등급에는 전기소비량 기준으로만 CO₂배출량이 계산되는 구조이지만 유지보수나 기본적인 냉매 누설량을 더한 CO₂배출량 계산법을 적용한다면 인센티브를 적용하는 것도 보다 효과적으로 신냉매를 적용하는 사례가 나올 것으로 예상된다.

성능면에서도 상황에 따라 HFO기반의 냉매가 기존 냉매보다 좋은 성능을 보이고 있다. 예를 들어 최근 냉동냉장시장에 새로운 트렌드로 떠오르고 있는 R448a의 경우 동일 시스템 조건에서 R404a보다 5~15%의 효율 개선효과를 글로벌 사례에서 찾을 수 있다.

HFO냉매가 아직 HFC냉매 대비해 가격이 비싸지만 에너지효율 측면에서 봤을 때 시스템의 운영비용을 줄일 수가 있다. 친환경성, 규제대응 그리고 에너지효율적인 측면까지 고려했을 때 Total cost측면에서 HFO는 가장 적합한 솔루션이다.

업계의 관계자는 “우리나라는 몬트리올의정서상 개발도상국으로 분류돼 미국, 일본, 유럽 등의 주요 선진국에 비해 냉매규제가 늦은 편”이라며 “이는 업계의 관점에서 볼 때 단기적으로 이득이 될지도 모르겠지만 중장기적인 측면에서는 냉동공조업계의 경쟁력 차원에서 ‘마이너스’라고 본다”고 지적했다.

이미 규제가 시행된 선진국 국가에서는 Low GWP가 적용된 시스템들을 개발해 글로벌 시장에 출시, 판매하고 있다. 이렇게 되면 시스템 특성상 한번 적용되면 시스템교체가 쉽게 이뤄지는 구조가 아닌 만큼 추후 우리나라 기업들이 관련제품을 개발해 글로벌시장에 진출하려해도 진입장벽이 생긴 상황에서 틀을 깨기 쉽지 않다는 뜻이다.

냉동공조산업의 글로벌 경쟁력 확보 차원에서 최대한 빨리 HFO냉매로의 시스템 전환이 이뤄져야 하며 정부의 적극적인 정책지원이 뒷받침돼야 한다.