-백종현 한국생산기술연구원 청정에너지시스템연구부문장

- PCM 축냉탑차 전문업체 이에스티와 현장 실증시험 중

- 100평 이하 중소형 냉동창고 개보수 및 신규시장 대상 보급

- 축열로 전기요금 40% 이상 절감, 초기투자비 2~3년 내 회수

 

백종현 한국생산기술연구원 청정에너지시스템연구부문장
백종현 한국생산기술연구원 청정에너지시스템연구부문장

기존 냉동·냉장 창고보다 고내 온도변화 폭은 작으면서 전기요금은 40% 이상 절감할 수 있는 축열식 냉동·냉장창고 시스템이 상용화된다.

PCM 축냉탑차 및 축열식 냉난방 시스템 전문업체 이에스티는 한국생산기술연구원의 지원을 받아 중소형 냉동 물류창고 및 저온냉장창고에 PCM 상변화물질을 사용한 PCM 축열식 냉동창고 실증시험을 진행 중이다.

봄철 1차 실증시험을 통해 제상운전 감소 및 최대부하 시간대에 발생하는 부하를 저렴한 심야전기를 적용, 경부하 또는 중부하 시간대로 이전해 일반방식 대비 전력소비량 약 36.3% 감소, 전력요금 약 42.2% 절감하는 것을 확인했다. 또 고내 공기와 PCM 모듈(열교환기)의 온도차가 작고, 자연대류에 의한 열교환으로 제품의 건조 현상도 최소화하는 것으로 나타났다. 여기에 고내 저장품의 품질에 영향을 주는 성에제거(제상) 운전도 축열 시 한 번만 하면 된다.

이에스티의 축열식 냉동창고 상용화 전 실증시험을 지원하고 있는 한국생산기술연구원 청정에너지시스템연구부문 백종현 부문장은 “상용화 시 피크전력의 저감에 따른 국가적 전력수급 안정화에도 기여함으로써 긍정적인 인식제고에 따른 타 분야로의 축열식 시스템 응용확대가 기대된다”면서 “이를 위해서는 한전의 세밀한 전력 수요관리 정책과 요금체계 개선이 필요하다”고 밝혔다.

백종현 부문장으로부터 PCM 축열식 냉동·냉장창고는 무엇이며 상용화를 위한 해결과제, 향후 시장전망에 대해 들어봤다.

 

PCM 축열모듈이 설치된 축열식 냉동창고 실증시험 현장 내부 모습
PCM 축열모듈이 설치된 축열식 냉동창고 실증시험 현장 내부 모습

▶냉동·냉장창고에 축열시스템 도입이 필요한 이유는.

냉동·냉장창고에 일정기간 상품을 보관하고자 하는 고객 측면에서는 상품의 품온이 변질이 되지 않는 안전한 온습도 범위 내로 유지해 그 가치를 보존하는 것이 중요하다. 또 창고를 운영하는 창고업자 측면에서는 보관 성능을 만족시키면서 최대한 경제적인 운영을 도모해야 한다.

냉동·냉장창고에 축열시스템 적용 시도는 고객 및 창고업자의 니즈를 만족하면서 추가적으로 국가 측면에서도 전력수급 안정화라는 장점을 얻을 수 있어 도입 및 확대 필요성이 매우 크다고 볼 수 있다.

▶기존 냉동·냉장창고와의 차이점은.

PCM을 적용한 축열식 냉동시스템의 가장 큰 장점은 일정한 온도 유지를 위한 냉동기 제어방식을 간편하게 구축하고 정확한 온도 유지를 구현할 수 있다는 점이다.

여기에 제상에 사용되는 히터 전력량 감소 및 심야전기 또는 경부하 시간대의 저렴한 전력을 이용해 피크시간대의 부하를 감당함으로써 운영비를 대폭 절감할 수 있다.

또 냉매 또는 브라인 순환 냉각방식에서 유닛쿨러를 제어해 온도조절을 수행하는 것과 비교해 냉동기의 ON/OFF 횟수를 대폭 줄임으로써 시스템의 안정성 및 내구성도 확보할 수 있다.

유닛쿨러의 제상횟수를 1일 기준, 기존 4〜6회에서 1〜2회로 줄임으로써 안정적인 온도유지가 매우 용이하다. 고내 공기와 PCM모듈(열교환기)의 온도차가 작고, 천장에서 방열되며 자연대류에 의한 열교환으로 인해 제품의 건조 현상도 줄일 수 있다.

 

일반식 냉동창고의 실증시험 결과
일반식 냉동창고의 실증시험 결과

 

축열식 냉동창고의 실증시험 결과
축열식 냉동창고의 실증시험 결과

▶축열식 냉동창고 상용화를 위한 실증시험이 진행 중인 것으로 아는데.

현재 축열식 냉동창고 실증시험은 정부연구 과제는 아니고 소액의 기술지원비를 통해 한국생산기술연구원 파트너 기업인 ㈜이에스티에서 진행 중인 현장 적용사례를 도와주고 있다.

해당 기업은 생기원이 개발한 PCM 이용 열저장기술을 이전받아 다양한 형태의 축열식 냉동탑차를 국내 물류기업에 성공적으로 보급하고 있으며 인도네시아, 러시아 등에 수출도 하고 있다.

축열식 냉동창고 상용화 시도는 대형 냉동탑차 규모가 이미 소형 냉동창고와 비슷하고, 운영 노하우가 쌓여서 이를 기반으로 비교적 용이하게 접근할 수 있는 기반을 갖추고 있기에 가능한 부분이다.

향후 현장적용 평가가 성공적으로 수행될 경우 국내에 설치된 100평 이하의 중소형 냉동창고의 개보수 및 신규시장을 대상으로 보급할 예정이다.

▶실증시험 설비는 어떻게 구축되어 있는지.

경기도 안성에 위치한 식품가공공장의 실제 사용 중인 일반 냉동창고를 대상으로 실증시험이 이루어지고 있다.

이 냉동창고는 20평 규모로 15마력급 냉동기 2대가 설치되어 있으며 주·야간 쿨러 온도는 -19℃~-16℃로 제어되고 창고 내 증발기 핀에 발생된 성에를 제거하기 위한 제상운전은 4시간마다 30분, 하루 6번 주기로 세팅되어 있었다.

실증시험을 위해 개보수를 진행해 냉동시스템 중 축열모듈과 컨트롤러만 추가 설치공사를 시행했다.

축열모듈은 72개씩 10세트(잠열축열재 756kg)로 구성해 냉동창고 내부 천장, 유닛쿨러 전면에 배치했다.

심야전기를 사용한 축열운전은 저녁 8시부터 아침 8시까지이고 쿨러 온도는 -25~-22℃로 제어된다. 쿨러가 운전되는 동안 제상운전은 하지 않는다. 이어 축열모듈이 방열운전(-19℃~-16℃)을 하는 아침 8시부터 저녁 7시까지 쿨러는 가동되지 않는다. 제상운전은 축열운전이 시작되기 전 30분간 1회만 시행된다.

▶축열식 냉동창고에 적용한 열에너지 저장 기술은.

열에너지 저장(TES) 방법에는 물리적·화학적 프로세스가 있다, 현재까지 상용화되어 사용되고 있는 방식은 물리적 프로세스를 기반으로 한 현열(Sensible Heat) 또는 잠열(Latent Heat)을 이용한 저장방식이 주류를 이루고 있다. 가장 일반적인 축열 방법은 현열을 저장하는 것으로서 전통적으로 돌이나 블록, 물 등을 매체로 사용해 왔다.

축열식 냉동창고에서 열저장 매체로 사용되는 PCM(Phase Change Material, 상변화물질)은 물리적 프로세스 중 상변화 시 동반하는 잠열 특성을 이용해 열에너지를 저장할 수 있는 물질이다. 잠열을 이용해 열에너지를 저장할 경우, PCM 물질은 고액 상변환 물질의 부피 변화가 10% 미만인 것을 선택해 사용한다.

축열식 냉동창고에 적용한 열에너지 저장 기술은 PCM 중 고체-액체 상변화 물질을 기반으로 하는 화학혼합물로 현열 축열에 비해 3〜5배 이상의 열저장 능력을 갖고 있다.

축열식 냉동창고의 핵심기술은.

축열식 냉동창고의 핵심기술은 크게 두 가지다. 먼저 기존 유닛쿨러 출구 측 온도로 상변화(축열)를 하면서 방열 시 품온 유지가 가능한 온도의 PCM 및 PCM 동결 시 나타나는 과냉각 특성 해소기술이다. 또 하나는 공기 흐름을 고려함으로써 효율적인 열교환이 가능한 PCM 모듈 설계 기술이다.

20평형의 축열식 냉동창고에 적용한 PCM의 상변화온도는 –21℃로 잠열량은 약 226.65J/g로 과냉각 현상이 발생한다.

PCM의 과냉각 특성을 개선하기 위해 조핵제를 첨가했다. 조핵제 투입에 의해 PCM 냉각 시 동결온도 부근에서 결정핵을 생성시켜 과냉각 현상 없이 동결과정이 진행된다.

이렇게 제조된 PCM을 열교환이 용이한 구조의 PCM 모듈에 주입하고 밀봉해 냉동창고 상부에 위치한 유닛쿨러의 전면부에 설치함으로써 유닛쿨러에서 냉각된 토출공기가 PCM 모듈 사이를 통과하면서 PCM에 냉열을 저장하는 구조로 운전된다.

▶실증시험 현장에서 진행되는 테스트는.

현장시험에서 중점을 두는 것은 기존 방식과 축열식 냉동창고 간의 온도유지 성능과 에너지사용량의 비교 분석이다. 냉동창고 내 온도와 외기온도, 냉동기 사용전력과 제상 시 투입전력을 며칠간에 걸쳐 측정한다. 시스템 설치 및 운전은 업체에서 하고 데이터 측정 및 분석은 생기원이 분담해 수행하고 있다.

▶현재까지 진행 성과 및 과제는.

아직 시험이 끝난 상태가 아니라 봄철 데이터로 분석해 보면 고내 온도변화가 크지 않고 에너지절감량이 크게 나타났다.

우선 축열식은 일반식에 비해 고내 온도가 낮게 유지되면서 온도변화가 크지 않은 것을 들 수 있다. 일반식의 경우 제상 시 온도 상승 폭이 크고 냉동기 ON/OFF제어에 의한 잦는 온도변화를 나타낸다. 도어 개폐 시에도 축열식의 경우 고내 온도 상승 폭이 상대적으로 낮고 복원력도 빠르다.

또 하나는 사용전력 저감 이에 따른 전력요금 저감효과를 들 수 있다. 소비전력량은 축열식이 일반식에 비해 36.31% 감소되었지만 전력요금은 42.2%로 더 큰 폭의 절감효과가 있는 것으로 나타났다.

특히 축열식은 피크(Peak)시간대 사용전력이 전무해 전력요금 절감 폭이 상대적으로 더 크게 나타났다. 봄철이 시간대별 전력요금 차등이 낮은 계절임을 감안하면 여름철 및 겨울철의 경우 전력요금 절감 폭은 더욱 커질 것으로 기대된다.

현재 현장시험 진행상황은 여름철 조건에서 일반식 대비 축열식 냉동창고의 비교시험을 진행 중이다. 여름철의 경우 장마시즌과 더불어 고온다습한 외기조건으로 인해 냉동창고 운전 시에 미치는 영향이 클 것으로 예상된다.

특히 착상 진행 특성 및 도어 개폐 시 침입부하가 축열식에 미치는 영향이다. 여름철의 경우 외기조건이 모든 면에서 연중 가장 가혹할 것으로 예상되므로 면밀한 데이터 분석을 통해 안정적인 설계데이터 확보가 우선적으로 해결할 과제다.

 

일반식과 축열식의 소비전력량 비교
일반식과 축열식의 소비전력량 비교

 

일반식과 축열식의 전력요금 비교
일반식과 축열식의 전력요금 비교

▶해외 축열식 냉동창고 기술 및 보급현황은.

해외에서의 축열식 냉동창고 개발은 미국, 일본, 유럽 등에서 꾸준하게 이어져 왔지만 얼만 전까지도 보급이 더딘 편이었다. 하지만 최근 들어 미국의 Viking Cold사에서 적정한 PCM 개발 및 시스템 설계를 완성하면서 자국은 물론 해외시장에서도 도전적으로 영업 및 보급을 시작하고 있다.

특히 태양광 발전 전력을 ESS에 저장하지 않고 TES 방식인 축열식 냉동창고에 적용하는 솔루션을 제공해 많은 관심을 받고 있다.

 

해외사례(축열식 냉장창고에 적용된 TES방식)
해외사례(축열식 냉장창고에 적용된 TES방식)

▶상용화 시 관련산업에 미치는 시너지 효과는.

기존 방식과 비교해 축열식은 초기 투자비가 더 투입되기에 때문에 사용자 측의 경우 도입 결정을 주저하게 된다. 현장적용 사례를 통해 투자회수기간이 2〜3년 미만으로 확인될 경우 저금리 금융상황이 지속되는 현재를 비추어 볼 때 매우 양호한 구매력을 기대할 수 있다고 판단되며 빠른 속도로 보급 확대가 예상된다.

또한 피크전력의 저감에 따른 국가적 전력수급 안정화에 기여함으로써 긍정적인 인식제고에 따른 타 분야로의 축열식 시스템 응용확대도 기대된다.

▶향후 보급확대를 위해 필요한 것은.

축열식 냉동창고의 보급 확대를 위해서는 먼저 콜드체인에 대한 강한 인식제고가 필요하다. 기존에 비해 많이 개선되었지만 아직도 식품에 대한 올바른 온도관리 의미를 가볍게 받아들이거나 알고 있어도 경제적 이유 등으로 제대로 지켜지지 않는 경우가 많다. 축열식 시스템의 경우 온도관리에 대한 장점이 강하므로 인식제고에 따른 효과가 클 것으로 예상된다.

그 다음으로는 한전의 세밀한 전력 수요관리 정책과 요금체계 개선이 필요하다. 이 부분은 정관이 관련되어 여전히 자유스럽지 못한 것을 감안할 수 밖에 없지만, 미국의 경우처럼 지원금 위주가 아닌 실제 전력수요에 따른 전력요금의 차등을 통한 사용자의 절약 또는 기술개발 동기를 유발해야 한다.

앞으로 전력 수요관리에 적극 동참해 전력에너지 저감 또는 피크전력 회피 운전을 하고 있는 사업자 또는 개발제품에 대한 세밀한 차등요금제, 인센티브 제도 등의 도입이 필요하다고 생각한다.

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