- 오존층보호법 개정… 오존파괴 지구온난화 물질 생산과 소비 규제
- 가정용·소형 상업용 에어컨 R32로 전환
- R410A 대체 냉매로 R454C 이용 기기도 출시
일본냉동공조산업협회(JRAIA) / 마쓰다 겐지
오존층을 보존하고 지구환경을 보호하기 위해 지구온난화를 막을 대책이 필요하게 되었다. 그 결과 냉장이나 공기조화장치에 사용하던 염화불화탄소(프레온 가스)에 큰 변화가 생겼다. 오존층을 파괴하는 것으로 파악된 염소는 냉매 R11, R12, R502와 수소염화불화탄소(HCFC) 냉매 R22, R123 등의 특정 염화불화탄소(CFC)에서 발견된다. 따라서 이런 냉매는 R410A, R404A, R134a 등 염소가 들어가지 않는 수소불화탄소(HFC) 냉매로 대체됐다. 현재는 지구온난화지수가 낮은 물질(저 GWP 물질)이 점점 이런 물질을 대신하고 있다.
암모니아 냉매를 빼면 과거에 사용하던 CFC가 HCFC에서 다시 HFC로 전환되면서 인화성에 대한 우려는 제기되지 않았다. 그러나 GWP가 낮은 냉매로 옮겨가면 원자 간 화학결합이 약해져 불안정성이 커지고 인화성이 생기는 경향이 있다. 연소성 냉매를 안전하게 사용할 수 있으면서도 에너지 절약 성능을 유지하거나 개선할 수 있는 방법을 찾는 것이 지구온난화에 대처해 냉매를 전환할 때 우리가 직면한 가장 큰 문제 중 하나이다.
일본의 냉매 전환 현황
일본에서는 안전 기준을 제정하기 위해 인화성 냉매의 특성을 밝히고 그 용도에 대한 위험성 평가를 했다. 아울러 냉장 및 공기조화장치 안전기준을 규제하는 고압가스안전법(High Pressure Gas Safety Act)이 완화됐다. ISO 5149, IEC 60336-2-40, IEC 60336-2-89 같은 국제규정도 크게 개정됐다. 지구환경을 보호하기 위한 일본 내 저 GWP 냉매 이동 상황과 관련 법 개정 및 제품별 냉매 전환 현황은 〈그림 1〉에 상세히 나타냈다.
미국 과학자 Rowland et al.가 1974년 Nature지에 특정 염화불화탄소로 인한 오존 고갈 현상을 설명한 논문[1]에서 염화불화탄소 규제란 개념이 처음 나왔다. 냉장 및 공기조화장치에 사용하는 염화불화탄소를 통제하려는 노력은 1987년 몬트리올 의정서를 시작으로 1997년 교토의정서를 토대로 한 지구온난화대책 제정으로 이어졌다.
일본은 뒤이은 1998년에 지구온난화대책 촉구운동을 시작했다. 1999년에는 에너지절약법(Energy Saving Law)을 개정하고 이 법을 근거로 탑-러너제도를 시행했다. 냉매 회수와 파기를 촉구하기 위해 2001년에는 불화탄소회수파기법(Fluorocarbon Recovery and Destruction Act)과 가전제품재활용법(Home Appliance Recycling Act)을 제정하고, 2002년에는 자동차재활용법(Automobile Recycling Act)을 제정했다.
일련의 국제적 합의와 의정서로 그 토대를 마련한 염화불화탄소 냉매 규제와 개선된 일본 법률로 조기에 냉매 전환이 이루어졌다(〈그림 1〉).
2015년 4월에는, 불화탄소회수파기법을 불화탄소의 합리적 이용과 적절한 관리에 관한 법 (불화탄소감축법, fluorocarbon Reduction Act)으로 법명을 정정하고 냉매의 수명주기 전반에 걸친 공공관리 책임을 명확히 했다. 여기에는 냉매 생산, 이용, 관리, 재사용, 파기까지 모두 포함된다. 이 법에서는 냉장 및 공기조화장치 제조사에게 평균 GWP가 특정 제품에 대한 한계 범위를 벗어나지 않는 냉매에 적합한 제품을 시판하도록 요구했다(〈표 1〉). 냉장 및 공기조화기기 제조사는 저 GWP 장비로 불화탄소감축법에 명시된 제품(지정 목표 수치와 목표연도가 정해진 불화탄소를 사용하는 제품)을 생산해야 한다.
이런 제품의 GWP는 에너지 절약, 안전, 경제적 효율을 고려해 줄여야 한다. 따라서 목표값과 목표연도는 논의를 통해 결정하고 국가심의위원회의 승인을 받아야 한다.
국제 수준에서는 2015년 12월 프랑스 파리에서 유엔기후변화회의(United Nations Cli�mate Change Conference) COP21이 개최됐다. 여기에서 체결된 파리협정(Paris Agree�ment)에서는 2020년부터 모든 참가국에서 발효되는 형평성 있고 효과적인 법적 틀을 마련했다.
파리협정 채택으로 일본 지구온난화방지본부(Global Warming Prevention Headquar�ter)는 지구온난화대책계획(Global Warming Countermeasures Plan) 초안을 만들었다.
2016년 3월 15일 이후 지구온난화방지본부 회의가 끝난 후 2016년 5월 13일자로 내각이 이 계획을 채택했다. 이 계획은 2030년까지 온실가스 배출량을 2013년 기준 26% 더 감축하기 위한 목표를 세우고 그 감축 과정을 제시하였고, 동시에 2050년까지 온실가스 배출량을 80% 감축한다는 목표를 세웠다. 2016년 10월 14일에 채택된 몬트리올의정서 키갈리수정안(Kigali Amendment)은 생산 소비되는 수소불화탄소(HFC) 양을 (CO2로 변환하여) 단계적으로 감축하는 안을 도입했다. 이 수정안은 최소 20개국이 승인하면 2019년 1월 1일자로 시행될 것이 다. 2018년 7월 4일에 개정된 오존층보호법(Ozone Layer Protection Act)을 통해 일본은 특정 불화탄소를 포함하여 오존파괴 지구온난화 물질 생산과 소비를 (상당량) 규제할 수 있는 법적 토대를 마련하게 됐다.
주목할 만한 저 GWP 냉매
냉장 및 공기조화장치를 저 GWP 냉매용으로 새로 설계하고 구축해 재정비하거나 전환하는 것이 아닌 지구온난화대책으로의 냉매전환은 불화탄소의 GWP를 최소화하기 위한 정책이다.
저 GWP 냉매에는 인화성이 약한 냉매(A2L: 연소속도 10cm/s 이하, 인화성 한계 3.5 vol-%(0.10kg/m3), 연소열 19MJ/kg 이하)인 R32, R1234yf, R1234ze(E)가 있다. 이런 냉매와 이런 냉매의 다른 수많은 혼합물은 ASHRAE 표준 34(〈표 2〉)에 나와 있다.
여기에 등재된 냉매는 R32, R1234yf, R1234ze(E) 계열의 R134a, R125, R152a, R290(프로판), R600(이소부탄), R744(이산화탄소) 등의 혼합물질로 구성되어 있다.
R410A, R134a, R404A처럼 냉장 및 공기조화장치에 쓰이는 많은 냉매가 인화성이 없다고 여겨 ISO 817에 안전 범주 A1로 분류되어 있다. 향후 저 GWP 냉매를 안전하고 효율적으로 사용하게 된다면 A2L, A2 등으로 분류된 혼합 냉매를 반드시 평가해야 한다.
〈표 3〉은 일본 내 주요 제품군에 쓰이는 냉매 현황을 나타낸 것이다. 화살표 왼쪽은 현재 사용하고 있거나 과거에 사용한 냉매이다. 화살표 오른쪽은 GWP를 낮추기 위해 도입한 냉매이다.
화살표 오른쪽에 물음표(?)가 있는 것은 저 GWP 냉매를 찾고 있으나 현 단계에는 적절한 냉매가 없거나 대체물질을 지정할 수 없는 많은 장벽이 있다는 의미이다.
대부분 가정용 에어컨은 R32로 전환됐다. 소형 상업용 에어컨도 R32로 전환됐다. 그러나 VRF나 냉매가 대량 필요한 다른 기기의 경우 인화성이 있는 저 GWP 냉매를 사용하는 것은 적절치 않다. 안전을 보장할 수 있는 통제 기준을 제정하여 공표하기까지 상당한 시간이 걸릴 것으로 예상된다. 이런 이유로 이런 유형의 저 GWP 기기는 시장에서 거의 진전이 없다.
물 가열 용량이 작은 가정용 온수기가 R32 모델로 시장에 등장하였으나 “친환경 온수기”로 알려져 있는 가정용 히트펌프형 온수기는 이산화탄소 냉매를 사용한다. 한편 상업용 온수기는 R410A와 CO2냉매를 사용한다.
대용량 온수가 필요한 시스템과 온수를 회수, 재가열, 재사용하는 시스템은 시스템 효율을 위해 R410A를 이용한다. R410A를 대신할 대체 냉매로 R454C(GWP가 149로 낮은 값임)을 이용하는 기기도 출시됐다.
R454C가 주류가 될지는 시장 반응에 달려있다.
터보 냉동기의 경우, 저압 냉매(R1233ze(E), R1224yd(Z), R514A)와 고압 냉매(R1234 ze(E), R1234yf)가 등장해 이미 시판되고 있다. 냉매 전환 후에도 성능은 약간 저하되지만 기계 설계를 크게 바꿀 필요는 없다. 당분간은 이런 냉매로 계속 전환이될 것으로 보인다.
한편, 냉각기는 다양한 온도 범위에서 사용하고 있으며 많은 종류의 압축기가 장착된다. 이런 사양에 맞는 냉매가 다양해 적절한 제품을 선택해 평가하기가 불가능하다.
냉장·저온분야 차세대 냉매로는 탄화수소냉매가 바람직
냉장 및 저온 저장 장비의 경우 이산화탄소나 이소부탄 같은 자연냉매를 이용하는 제품이 시판되고 있으나 그 수가 극히 제한적이다. 응축 장비의 경우 이산화탄소 냉매를 사용하는 기기가 시판되었으나 어떤 용도이건 에너지 절약 성능이 충분하지 않다. 기존의 파이프를 사용할 수 없는 새로운 시스템에 이런 장비가 사용되기도 한다. 이런 이유로 수많은 응축 장비가 탄불화탄소 냉매를 이용하고 있다; R448A, R449A, R407H, R463A, 다른 A1 냉매(즉, GWP가 1,500 이하인 냉매)를 이용하는 기기가 출시됐다. 그러나 GWP가 1,000 이하인 냉매는 전혀 시판되지 않았다. 예를 들어, 냉매 R448A와 R449A는 유럽에서는 보강 냉매로 사용되기 시작했지만, 일본의 경우 새로 설계한 기계에만 사용하고 있다.
자동자 에어컨용 냉매는 R134a에서 R1234yf로 전환되었지만 하이브리드 자동차와 전기자동차가 확산되면서 난방용 열원이 감소해 자동차 에어컨은 히트펌프 모델로 전환할 필요가 있다. 그 결과 일부 자동차 모델에서는 이산화탄소 냉매를 사용하는 자동차 에어컨이 사용되기 시작했다.
자동차 에어컨은 지구온난화뿐만 아니라 이런 종류의 히트펌프 사용으로 생기는 부작용과 싸울 수 있는 냉매로 잠재력이 있다.
가정용 냉장고와 자동판매기는 이미 저 GWP 냉매(R600a, 이산화탄소, R1234yf 등)로 전환됐다.
지구온난화대책은 일본 내외부에서 큰 도전이다. 에너지 절약 성능 개선, 저 GWP 냉매로 전환, 냉매 유출 방지 조치가 모두 냉장 및 공기조화 산업에서 해결해야 할 중요한 분야이다.
파리협정과 키갈리수정안에서는 HFC 사용을 줄이도록 요구했다. 다소 연소성이 있는 약인화성 냉매(예: R32, R1234yf, R1234ze(E) 및 상기의 혼합 냉매)와 불화탄소보다 압력이 높은 이산화탄소 냉매를 종종 사용한다. 냉장 및 저온 분야에서도 차세대 냉매로는 탄화수소 냉매가 바람직하다.
여기에서 장단점을 모두 고려해 보아야 한다.
과거에 비해 더 주의해 다루어야 할 냉매, 즉 특히 안전을 보장해야 할 냉매의 수가 늘어나고 있다.
냉장 및 공기조화산업에서 경험이 얼마 쌓이지 않은 인화성 냉매를 안전하게 사용하려면 안전상 위험을 평가하고 위험을 분석하고 경감해야 한다. 이런 전문적인 지식을 이미 보유하고 있는 학계와 규제 기관과 업계 간 협력도 필수이다.
일본 내 업계/정부/학계의 협력을 통한 평가 및 분석 기술을 이용해 인화성 냉매의 위험평가와 안전평가와 분석이 전제된다면 저 GWP 냉매로 가는 강력한 동인을 만들 수 있을 것이다. 이는 현재 지구온난화에 대응하는 한 가지 방법이자 전 세계의 과제가 됐다.