한국기계연구원 히트펌프연구센터는 탄소중립 열에너지의 중요성을 알리고 이를 달성하기 위한 가장 핵심적인 역할을 하는 히트펌프를 선도하기 위해 2024년 2월5일 설립됐다.

 

연구분야는 △고효율 친환경 히트펌프시스템기술 △히트펌프 핵심 기자재기술 △히트펌프 응용 및 열에너지네트워크기술 △에너지시스템의 열공정 및 고성능 에너지 변환기술 등으로 나눠진다.

 

이와 같은 활동을 통해 ‘히트펌프 기술혁신으로 탄소중립에 기여할 수 있는 열에너지 토탈 솔루션 제공’이라는 비전을 공유하고 있으며 송찬호 박사가 히트펌프연구센터 센터장을 맡고 있다. 송 센터장을 만나 히트펌프시장 동향 및 향후 이슈에 대해 들어봤다.

 

■ 지난해 국내·외 히트펌프시장 동향을 평가한다면
히트펌프는 에너지 효율성과 환경이슈에 대응하기 위한 필수적인 기기다.

 

IEA Net Zero Road Map에서는 탄소중립을 위한 핵심기술로서 히트펌프를 지목하고 있으며 캘리포니아 기후행동계획, REPowerEU 등에서는 대량의 히트펌프를 공급하기 위한 계획을 수립하고 있다.

 

또한 MIT 테크놀로지 리뷰가 선정한 10대 미래기술에 히트펌프가 포함돼 있으며 LG전자는 글로벌 히트펌프 컨소시엄을 출범하는 등 국내외 관심이 매우 뜨겁다. 

최근 테슬라 마스터플랜3에서도 미래에너지를 보전하는 수단으로 히트펌프를 지목했는데 탄소중립에 대한 중요성을 강조할수록 히트펌프의 역할이 커지고 있음을 확인할 수 있다.

 

국내·외 모두 에너지효율성을 촉진하고 탄소배출을 줄이는 정부정책에 부흥해 히트펌프보급이 증가하고 있으며 재생에너지와 통합, 열저장 등 중요한 수단으로 자리잡고 있다. 

 

■ 히트펌프분야 주요 이슈는

기술융합과 탄소저감을 위한 에너지효율 향상, 친환경 냉매 등을 주요 이슈로 뽑을 수 있다. 디지털전환의 시대를 맞아 IoT, AI, 빅데이터 등의 ICT기술과 HVAC시스템 통합은 모든 제품에서 추구하고 있으며 각 업체에서는 보다 스마트하고 자동화된 솔루션을 제공하고자 노력하고 있다.

 

 

탄소중립을 위한 히트펌프의 역할이 커지고 있는 가운데 고효율 제품과 스마트제어시스템, 친환경 냉매 적용 제품, 재생에너지 통합시스템을 통해 에너지효율 향상에 집중하고 있다. EU의 냉매규제는 국내의 제품 개발에도 영향을 미치고 있으며 친환경 냉매를 적용한 제품은 꾸준히 등장하고 있다. 

AI 진보에 따라 데이터센터(DC)는 기하급수적으로 증가했는데 여기에 필요한 공조시스템 또한 크게 증가했다. 히트펌프는 DC의 직접적인 냉각뿐만 아니라 버려지는 열을 재활용해 유용한 열로 전환하는 중요한 역할을 하게 된다.

 

■ 전 세계 최대 트렌드인 탄소중립에서 히트펌프의 역할은

 

유럽은 산업에너지 수요의 81%가 열에너지이다. 이중 66%가 공정열 수요이며 화석연료가 공정열의 78%를 공급하는 것으로 파악된다. 우리나라의 경우 화석연료가 산업에너지 수요의 약 80%를 담당하고 있다. 이에 따라 화석연료비중을 낮추는 것이 매우 중요하며 이를 위해 산업공정열의 전기화는 큰 화두다. 

 

히트펌프는 사용하는 전기의 재생전력 비중에 따라 무탄소 또는 저탄소 공정열 공급이 가능하다. 산업공정에서는 보다 높은 공정열을 필요로 하고 있다. 이에 따라 고온 히트펌프의 역할은 점차 중요해질 것으로 보인다. 이와 함께 친환경 히트펌프의 중요성도 증가할 것이다. 

히트펌프는 다양한 용도로 활용가능하며 주거 및 상업용 애플리케이션뿐만 아니라 지역난방 및 대규모 산업공정에서도 핵심적인 역할을 수행한다. 이러한 특징은 전 세계가 추구하는 탄소중립 목표 달성에 중요한 기반을 제공한다.

 

■ 글로벌 히트펌프시장 최대 이슈는
첫 번째는 친환경 냉매로의 전환이다. MCE 밀라노 전시회에서는 R290이 차세대 냉매의 최종 보스로 선전할 정도로 자연냉매, Low GWP 냉매에 대한 제품이 이미 많이 출시됐다. 우리나라는 가연성 때문에 사용이 제한돼 있으나 유럽에서는 이미 보편화됐다. 이러한 이슈에 국내 업계에서도 적극적인 대응이 필요할 것이다. 

두 번째는 A+++와 같은 고효율에너지등급 제품이다. 제품의 고효율화는 전기에너지 절감으로 이어지고 이는 곧 탄소저감과 직접적으로 연관된다.

 

고효율 제품을 위한 다양한 기술, 예를 들어 AI 탑재 시스템제어기술 등은 선택이 아니라 필수화되고 있다. 이외 저온지역에서의 난방능력 강화, 대용량 고온 히트펌프, 미활용 에너지활용 확대, 디지털화 등이 있다. 특히 중국의 추격이 매우 눈에 띈다. 이제 제품경쟁력은 중국과 우리나라가 차이가 나지 않는다고 한다.

 

■ 올해 히트펌프시장을 전망한다면
지금까지의 트렌드가 가속화될 것이다. 친환경 냉매는 더욱 일반화돼 갈 것이며 고효율제품도 확대될 것으로 기대된다. 주요하게 살펴야 할 분야는 열저장을 포함하는 고온 히트펌프와 히트펌프의 디지털, AI기술이다. 히트펌프 고온화는 이전부터 진행되고 있다. 

냉매의 한계로 히트펌프 토출온도는 200℃ 이하에서 개발되고 있다. 이를 극복하기 위해 공기와 같은 자연냉매를 이용하는 고온 히트펌프가 개발 중이다. 열의 수요, 공급 불일치를 해결하기 위해 열저장은 필수이며 고온열을 저장해 전력생산까지 할 수 있는 카르노배터리도 연구가 시작됐다. 

디지털과 AI기술은 히트펌프에서도 중요한 역할을 한다. 에너지효율을 높일 뿐만 아니라 사람의 쾌적성을 위해 적용되고 있다. 

최근에는 디지털트윈기술을 접목해 실제 제품을 만들지 않고 가상으로 그 결과를 얻을 수 있도록 하는 연구가 시도되고 있다. 건물에서는 많은 데이터를 축적해 히트펌프를 포함하는 열원기기 및 에너지기기에 대한 에너지절감 전략을 제시하고 있다. 산업공정에서는 디지털 활용기술이 아직 미비하지만 점차 적용분야가 넓어질 것이다.

 

■ 국내 히트펌프시장 활성화 방안은
히트펌프 도입을 활성화하기 위해서는 극복해야 하는 여러 장벽들이 있는데 이중 초기비용이 높은 점을 언급할 수 있다. 다른 난방장치들에 비해 히트펌프를 구입, 설치하는 비용이 더 높은데 시장 확대를 위해서는 히트펌프업계와 정부의 공동 조치가 필요하다. 

재정적 지원이 필요하며 효율적인 소비자선택을 위한 에너지요금제도 개편도 필요할 것으로 보인다. 다른 나라에 비해 우리나라는 히트펌프보급·확산을 위한 구체적인 정책 설정이 부족해 이에 대한 방안 마련이 시급하다. 

특히 화석연료 기반 건물 난방방식을 대체할 에너지원에 대한 대안과 보급방안의 구체성이 부족한 것으로 파악된다. 또한 신재생에너지원 범위에 있어서 히트펌프 열원이 제한적으로 포함돼 있어 설치비보조 등혜택을 받을 수 없다. 이로 인해 히트펌프 확산의 저해 요인으로 작용할 수 있는 점이 우려스럽다. 

히트펌프를 이용해 공급되는 난방·급탕·냉방에 대한 전기요금은 신재생에너지 전기요금 체계와 같이 별도로 누진제없는 방식의 요금체제 전환에 대해서도 고려해야 할 것으로 판단된다.

 

■ 업계에 꼭 하고 싶은 말이 있다면
최근 후발주자인 중국이 무섭게 추격해와 이제는 우리와 동등한 위치에서 경쟁하고 있다. 학계와 연구계에서 만들어낸 연구결과를 산업계에서 활용해 실질적인 성과를 낼 수 있도록 협력이 더욱 중요해지고 있다.

 

특히 히트펌프는 탄소중립시대를 이끌 핵심기술로, 이러한 기술이 산업에 성공적으로 접목되기 위해서는 업계와 학계, 그리고 정부 간 유기적인 협력체계가 필수적이다. 기술 상용화를 위해 관련 기관들이 긴밀히 협력하며 글로벌시장의 요구를 이해하고 빠르게 대응할 수 있는 전략이 필요하다.

중국과 경쟁 속에서 우리나라의 차별성을 유지하고 강화하려면 지속가능성을 기반으로 한 기술혁신과 함께 시장트렌드에 맞춘 유연한 대응력이 필수이다. 

한국기계연구원 히트펌프연구센터에서는 히트펌프의 시장선도를 위해 연구개발뿐만 아니라 차별화 전략 수립, 정책 제안 등 다양한 활동을 하고 있으며 국가 산업경쟁력 강화를 위해 꾸준히 노력할 것이다.