한국미래기술교육연구원(원장 박희정)은 지난 6월26일 ‘효율적 열관리를 위한 히트펌프 요소기술 집중교육’을 진행했다고 밝혔다.이번 세미나에서는 미래 자동차를 위한 히트펌프와 중장기 에너지 저장을 위한 히트펌프 등을 주제로 한 발표가 이어졌다.

 

자동차 內 히트펌프 적용사례 주목

 

이호성 한국자동차연구원 열제어기술부분 박사는 자동차에 활용된 히트펌프 요소기술에 대해 설명했다.

 

자동차 내 히트펌프 적용 시 주안점은 안전성을 키우는 것과 저온에서도 주행거리를 높일 수 방안이 고려돼야 한다.

 

전기에서 열로 에너지형태가 바뀌면 효율이 떨어지는 문제를 해결하기 위한 방법들이 고안되고 있다.

 

자동차 내 주로 활용되고 있는 히트펌프시스템은 △공기열원+냉각수열원 △냉각수열원 단독서용 △냉각수열원+가스인젝션 압축기 활용 등이다.

 

자동자기업들은 고효율 히트펌프 기술을 위해 냉각수를 활용하고 있다. 이 때 효율이 높아지며 부품가격 상승 등으로 인한 비용증가를 줄이기 위해 노력하고 있다.

 

글로벌 자동차기업들은 냉매규제 등에 대응하기 위해 CO₂냉매를 활용하고 있다. 폭스바겐은 자연냉매를 활용한 전기차를 개발하고 있다.

 

이호성 한국자동차연구원 열제어기술부분 박사는 “F-GAS 규제 등에 대응한 신냉매에 적응해야 할 것”이라며 “국내도 이에 대응하는 자동차 히트펌프시스템 기술개선이 이뤄져야 할 것"이라고 말했다.

산업용 히트펌프 기술동향 공유

 

IRENA(국제재생에너지기구)는 히트펌프 시장이 35%까지 성장해야 2050 탄소중립 목표 달성이 이뤄질 수 있을 것이라고 예상했다. 이에 따라 산업부문에서는 8,000만대 건물부문에서는 2억9,000만대 까지 보급이 필요할 것으로 예상된다.

 

최봉수 한국에너지기술연구원 박사는 히트펌프 사이클·핵심기술요소와 산업용 히트펌프 관련규제 등에 대한 발표를 진행했다.

 

히트펌프는 열을 저온측에서 고온측으로 이동시키는 장치로 산업 내 에너지효율 상승과 노동력 절감위해 개발됐으며 1857년 스팀히트펌프의 형태로 처음 활용됐다

 

이후 1938년 취리히 시청에서 세계 최초로 중앙난방을 위해 히트펌프를 도입했다. 하천수열을 활용해 100kW가량의 열생산이 가능한 히트펌프로 제작됐으며 현재 R-134A 냉매를 활용해 구동되고 있다.

 

히트펌프는 △압축기 △응축기 △증발기 △팽창장비 등으로 구성된다. 냉매는 압축기에 투입되면서 압력이 높아져 에너지가 증가한다. 이후 응축기에서 열을 외부로 방출하며 온도가 내려가고 팽창밸브를 거쳐 압력이 떨어진 냉매는 증발기에서 열을 흡수하는 방식으로 작동한다.

 

히트펌프는 열원으로 사용할 수 있는 종류는 △공기열 △수열 △지열 △폐열 등이다. 공기열원히트펌프는 대기중으로부터 열을 흡수·방출해 실내 데우거나 차갑게 하는 원리로 빌딩에서 난방목적으로 활용된다.

 

지열히트펌프는 땅에 지중열교환기를 천공한 뒤 열을 흡수·방출하는 히트펌프로 연중 일정온도의 열원을 공급받을 수 있어 효율이 높다.

 

수열히트펌프는 하천수나 해수로부터 열원을 공급받는 시스템으로 지난 2019년 하천수열원이 신재생에너지로 인정돼 보조금 등의 지원혜택을 수혜받을 수 있다. 그러나 부유물로 인한 열교환기 오염으로 지속적인 관리가 필요하다는 단점이 존재한다.

 

히트펌프 핵심구성기기는 △압축기 △열교환기 △팽창장치 △기액분리기 등이다. 구성요소 별 가격비중은 압축기와 열교환기 등이 가장 많이 차지하고 있지만 최근 냉매관련 규제로 신냉매 전환흐름에 따라 냉매가격이 증가속도가 가파른 상황이다.

 

압축기는 △왕복동식 △로터리 △스크류 △스크롤 △원심 등으로 구분된다. 왕복동식 압축기는 소용량에 활용되고 있으며 로터리 압축기는 가운데 고정재, 외부롤러돌아가 유입냉매 가압돼 빠져나는 구조다.

 

스크롤압축기는 외부로부터 유입된 냉매가 가운데로 몰리며 압축되는 방식으로 연속적인 운전이 가능하며 진동적다는 특징이 있다. 원심 압축기는 터보압축기로 냉매가 입펠러로 유입되면 운동에너지를 얻어 이 냉매가 디퓨저장치를 통해 냉매를 배출하는 시스템이다.

 

열교환기는 공기열원에서 주로 활용되는 핀튜브와 대형 히트펌프에 주로 활용되는 판형열교환기와 쉘튜브형 열교환기 등으로 구성된다. 팽창장치는 △모세관식 △온도조절식 △전자식 등으로 구성돼있다.

 

산업공정열 전기화 대안 '히트펌프'

 

전 세계 에너지소비 중 산업공정열이 19%를 차지하는 가운데 산업공정열 열 에너지 중 39%를 차지하는 200℃ 미만의 열을 히트펌프를 활용해 생산할 경우 탄소중립 목표 달성에 더욱 다가갈 수 있을 것으로 분석된다.

 

히트펌프는 산업공정열 온도대별로 △중온 △고온 △초고온 히트펌프로 구성된다. 중온은 현존하는 거의 대부분의 히트펌프로 100℃ 이하에 해당한다. 고온히트펌프는 100~150℃이며 초고온은 150℃ 이상을 생산한다.

 

중온의 산업용 히트펌프는 대부분 식품업이나 지역난방 등에 적용됐다. 특히 지역난방은 공급온도가 균일해 활용사례가 많으며 유럽은 5세대 지역난방을 활용해 온도대역을 낮춰 더욱 활발히 활용 중이다.

 

히트펌프 사용 시에는 열생산조건과 열원취득방안에 대한 고민이 있어야 한다. 또한 저온열원과 고온생산열의 온도차를 의미하는 ‘온도리프트’를 고려해야 한다.

 

최봉수 연구원은 “온도리프트 차이에 의해 히트펌프 효율과 성능이 좌우된다”라며 “생산하는 온도나 열원온도와 더불어 온도리프트를 고려해야 한다”고 말했다.

 

글로벌 선진국들은 산업용 히트펌프 보급 활성화를 위한 투자를 이어가고 있다. 국가차원에서 탄소배출이 많은 산업군에 대해 히트펌프 보급을 장려하고 있는 덴마크는 금속산업에서 발생하는 30~35℃ 폐열을 11MW급 대형 히트펌프로 활용해 95℃열로 공급한다.

반면 국내는 산업에 직접적으로 활용한 사례가 적은 편으로 현재 탄천물재생센터와 서남물재생센터에서 히트펌프를 구동해 지역난방사업자에게 공급하고 있다.

 

최봉수 연구원은 “△산업 △수송 △가정부분 에너지섹터플링을 통해 복합적으로 수요관리를 해야한다”라며 “중온히트펌프는 일상적으로 활용하는 열이 100℃ 이하이며 산업공정열히트펌프 기술개발을 통해 200℃까지 대응가능하도록 설계 시 모든 열 수요를 감당할 수 있을 것”이라고 말했다.

 

한편 고온히트펌프 설계에 있어서는 냉매가 중요한 역할을 한다. 중온히트펌프에는 R-410A 냉매 등이 많이 활용됐지만 고온의 경우 냉매가 분해되거나 임계점이 넘는 경우들이 있다.

 

최근 HFO냉매가 많이 활용되고 있으며 그중엣도 R-718 냉매 효율이 높아 주목받고 있다. 이에 따라 히트펌프 개발초기에 활용됐던 MVR이 고온환경에서 적용되고자 하는 움직임도 나타나고 있다.

 

고온히트펌프는 △재지 △섬유 △목재 등에 활용가능하며 초고온영역대의 경우 현재 유럽 등에서 실증 중인 상황으로 향후 도입이 예상되고 있다.

 

지멘스는 4,000억원의 지원금을 받아 50MW급 히트펌프를 BASF화학공장에 도입할 예정으로 연간 약 16만톤의 탄소배출 저감을 목표로 한다. 공장폐열을 활용해 80℃으로 200℃의 열을 생산하는 것이 목표다.

 

초고온영역에서 활용가능성이 높은 기계식 증기 재압축(MVR) 방식은 인화성이 없고 온실효과 좋다는 특징이 있다. 또한 스팀형태로 열이 생성돼 별도의 열교환기가 필요 없으며 효율이 높다.

 

또한 압력이 높으면 고압가스안전관리법에 따라 인증받아야 하는 추가적인 작업이 필요한데 저압 특성으로 고려부문이 줄어든다는 장점이 있다.

 

그러나 MVR 구동 시 히트펌프보다 내부압력이 낮아 대용량 히트펌프에 유리한 터보압축기를 활용해야 한다. 터보압축기는 입출구조건이나 서지 등 고려사항이 많아 설계운전이 어려워 이 부분에 대한 개선도 필요하다.

 

노르웨이 농업협동조합에서는 세계 최초로 공정의 모든 열을 히트펌프로 대체해 주목받고 있다. 공정에서 발생한 30℃ 폐열을 중온히트펌프로 90℃까지 가열한 뒤 MVR을 구동해 약 130℃ 스팀을 생산에 공정에 공급한다. 이를 통해 전체효율을 60~80%까지 향상했으며 탄소배출량을 90~100%까지 줄였다.

 

활발한 기술개발이 이뤄지고 있는 산업용 히트펌프는 현재 규제를 적용받고 있지는 않지만 빌딩이나 주거용 부문에 적용되는 규제들이 향후 산업용으로 확대될 가능성이 있다.

 

특히 냉매부분의 경우 GWP가 높은 냉매사용이 금지될 예정으로 이에 대응하기 위한 신냉매 개발 등이 지속적으로 추진되고 있다. GWP 외에도 PFAS규제도 진행 중으로 최근에는 자연냉매를 활용하는 추세가 높아지고 있다.

 

韓, 산업용 HP 기술개발 활발
한편 국내도 산업용 히트펌프 개발이 지속 추진되고 있다. 에너지기술연구원에서는 120℃ 스팀히트펌프를 개발해 COP가 3.6인 360kW급 히트펌프를 개발했으며 현재는 160℃ 스팀히트펌프를 개발하고 있다.

 

에너지기술평가원은 R&D 과제를 통해 산·학·연 공동으로 100RT급 히트펌프개발을 진행하고 있으며 지난 2023년부터는 1,000RT급 히트펌프를 재지공장에 실증하는 과제도 진행 중이다.

 

103℃가량의 스팀을 추가승압해 MVR 등 방안을 활용하고자 과제를 추진 중이며 내년에 실제 설치를 통해 운전데이터를 취득하며 운전데이터 등을 분석할 예정이다.

 

최봉수 연구원은 “히트펌프가 섹터커플링 등을 통한 산업부문 에너지절감에 기여하기 위해서는 영하 200℃부터 300℃까지 넓은 온도대역을 가진 히트펌프 개발이 이뤄져야 한다”라며 “현재 미국에서 진행중인 한랭지 히트펌프 개발프로젝트에 LG와 삼성이 참여 중인 상황으로 앞으로 더욱 많은 기술개발이 이뤄질 것으로 기대된다”고 말했다.

 

장주기 E저장, 히트펌프 기반 ‘카르노배터리’ 기술 주목

조준현 한국에너지기술연구원 박사는 히트펌프를 적용한 카르노배터리 기술개념을 소개했다.

 

카르노배터리는 이상적인 열역학사이클을 의미하는 카르노사이클 개념에서 유래한 장주기 에너지저장(ESS)기술이다.

 

최근 재생에너지 확대의 필요성이 높아짐에 따라 20GW 이상 규모의 ESS 수요가 예상되는 가운데 히트펌프기반 고온열저장기술로 주목받고 있다.

 

국내도 정부정책에 카르노배터리산업 육성을 담은 내용을 반영하고 있는 상황이다. 최근 발표된 제5차 에너지기술개발계획에도 관련내용이 포함됐다.

 

카르노배터리는 전기를 열로 바꾸는 P2H(Power to Heat), P2T(Power to Thermal), 열저장장치(TES: Thermal Energy Storage), 열을 다시 전기로 전환하는 H2P(Heat to Power) 발전사이클 등으로 구성된다.

 

발전사이클의 효율적 구현을 위해서는 열저장 방식이 핵심이며 저장온도에 따라 적용기술이 달라진다.

 

600℃ 수준에서는 몰튼솔트나 몰튼메탈을 활용할 수 있고, 1,000℃ 이상 고온에서는 돌모래 방식이 유효하다. 또한 낮은 온도 영역에서는 ORC(Organic Rankine Cycle) 발전사이클이 활용된다.

 

카르노배터리를 활용하면 폐지된 석탄발전소의 터빈과 송전망 등 기존인프라를 재활용할 수 있어 경제성이 높으며 탄소중립 목표 달성에 유리할 것으로 예상된다. 재생전력으로부터 열을 생산하는 구조로 기업의 RE100 달성에도 유리한 시스템이다.

 

특히 국내는 재생에너지 출력제한으로 인해 섹터커플링 기술 수요가 커지고 있어 이와 함게 카르노배터리 시장 활성화가 기대되고 있다.

 

기존 배터리의 경우 단주기의 역할을 주로 수행했다면 양수발전 대체를 위해서는 장주기·대용량 ESS술이 필요하며 카르노배터리는 이에 적합한 시스템이다.

 

카르노배터리는 이러한 수요에 대응해 재생에너지의 변동성을 예측할 수 있으며 플러스DR형태로 가상발전사업자(VPP)로도 활용가능성이 높다. 그러나 현재 산업용 히트펌프는 160℃ 수준에 머물러있어 장기적으로는 초고온 히트펌프 기술 개발이 필요한 상황이다.

국제에너지기구(IEA)는 국제공동연구를 통해 글로벌 R&D현황 공유, 카르노배터리 적용방향 모색, 경제성·시장·정책분석 등을 수행하고 있다. 현재 카르노배터리의 효율은 40~60% 사이로 용량은 10~1,000MW 대용량까지 개발가능할 것으로 예상된다.

 

조준현 박사는 “대용량 ESS는 전환효율(RTE)보다는 에너지저장·전환단가(LCOS) 관점의 접근이 필요하다”라며 “대부분 장주기 ESS기술은 설비비용(CAPEX)가 가장 큰 비중을 차지하는데 카르노배터리 CAPEX를 낮출 수 있는 가능성이 가장 높다”고 강조했다.

 

독일 지멘스는 현재 전기히터 이용 고온형 카르노배터리를 활용한 실증을 진행했으며 ‘MAN-ES’사는 자체개발한 압축기와 팽창기를 갖춘 초임계 CO₂ 히트펌프를 활용해 발전사이클을 돌려 열뿐만 아니라 전기를 생산하고 있다.

 

구글은 알파라발, 프로만, 지멘스에너지 등과 컨소시엄을 구성해 몰튼솔트에 고온의 열을 저장하며 이를 다시 발전사이클로 전환해 55~65%까지 효율향상을 목표로 하는 프로젝트를 진행 중이다.

 

기존 석탄화력발전소, 카르노배터리 전환 시 비용효율적 
석탄화력발전소가 폐지되는 수순을 밟는 가운데 카르노배터리를 활용한 인프라재활용이 비용효율적인 대안으로 주목받는다.

 

기존 석탄화력발전소에 △송전탑 △송전망 △선로 등이 다 구축돼 비용효율적으로 더욱 주목받는다.

 

폐지된 석탄화력조건에 맞는 증기열저장시스템을 구축하기 위해서는 최소한 538℃의 열이 필요할 것으로 예측되고 있으며 열원은 해수열원을 활용하는 게 가장 적합할 것으로 예상된다.

 

각국은 현재 538℃ 증기를 만드는 것을 1단계 목표로 개발을 진행 중이며 향후에는 1,000℃까지 개발할 것으로 예상된다.

 

일에서는 보일러를 없애며 재생전기로 몰튼솔트에 565℃를 저장한 뒤 열교환을 통해 스팀을 만들어 발전소에 활용하고 있다.

 

석탄화력발전소가 없는 전라도같은 경우에는 공기를 압축해 나오는 열을 가열해 그 열로 터빈을 돌리는 공기압축(Compressed Air)과 열을 결합한 CAES를 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

 

한편 국내 산업단지에 있는 노후된 열병합플랜트는 현재 수MW 수십MW급 △석탄 △중유 △가스보일러를 운영 중인데 이를 카르노배터리 전환 시 ESS기능 추가된 탈탄소 열공급이 가능하며 RE100대응이 가능할 것으로 예상된다.

 

조준현 에너지기술연구원 박사는 “탄소중립 기조로 석탄화력발전소들이 문을 닫고 있는데 카르노배터리를 활용한다면 발전사들이 VPP 사업자가 될 수 있을 것”이라며 “또한 온실가스 감축, 그리드안정화, 지자체 일자리문제 해결, RE100 달성 등 유망하다”고 말했다.