HFO가 고 GWP 냉매의 해답이라고 다시 한번 믿어야 하는가?

와이낸드 그로니월드(Wynand Groenewald)는 HFO와 HFO/HFC의 실질적인 여러가지 단점을 들면서 “이러한 화학물질이 장기적으로 환경에 어떤 영향을 미칠지 알 수 없다며 최종 사용자에게 향후의 규정을 준수하지 않는 솔루션에는 투자하지 말 것”을 조언했다.

이어 그는 “모든 냉동 애플리케이션에 사용할 수있는 자연냉매가 있다.”면서 “이는 지구에 해를 끼치지 않으며 전 세계 모든 기후에서 시도되고 테스트됐다.”며 자연냉매의 사용을 권장했다.

지난 몇 년간 우리가 사용하는 냉매가 점점 더 많은 주목을 받았다.

몬트리올 의정서(Montreal Protocol)의 키갈리 개정안(Kigali Amendment)에 따라, 지구온난화지수(GWP)가 높은 HFC 냉매를 단계적으로 줄여야 함에 따라 대체 솔루션이 필요하게 됐다.

CO2, NH3, 탄화수소, 공기, 물과 같은 자연냉매는 냉장 응용분야의 주요한 솔루션으로 점점 그 적용범위가 확대되고 있지만, 다른 한편으로 불화계 화학물질도 공급되고 있다.

1980년대 이후 오존층 고갈 위험이 있는 CFC 기반의 냉매 사용이 금지되면서, 이것을 생산하던 화학물질 회사에 대한 법적 규제도 엄격해졌다. 이로 인해 HCFC 대안(특히 R22) 냉매가 개발됐으며 HFC가 곧 이 자리를 대체하게 됐다. 이후 HFC는 1990년대 초반부터는 가장 흔히 볼 수 있는 냉매가 됐다.

그러나 현재 HFC는 전 세계가 단계적으로 감축 중인 냉매이며, 화학 회사는 HFO로 알려진 저-GWP 대체물질을 개발해 시장에 공급을 추진하고 있다. 문제는 이런 냉매는 그 전세대처럼 수명이 짧을 것이라는 점이다.

그렇다면 4세대 화학 냉매인 HFO가 고-GWP 냉매에 대한 해답이 될 것이라고 다시 한번 믿어야 하는가?

HFO란 무엇인가?

우선 HFO 냉매가 무엇인지 정확히 알아야 할 필요가 있다. HFO(Hydrofluoroolefins, 하이드로플루오르올레핀)는 이중분자 결합이 있는 불포화 HFC이다.

시중에는 현재 R1234yf와 R1234ze 두가지 순수 HFO가 있다. 그 GWP 값은 각각 4와 7이고, 오존파괴지수(ODP)는 0이다.

그러나 이런 HFO는 다소 인화성이 있으며 A2L 냉매로 지정되어 있다. 따라서 충전 한계와 배치를 고려해야 한다.

R1234yf는 현재 소형 냉장기기와 이동식 에어컨(MAC)에 사용되고 있다. R1234ze는 주로 폼(foam)과 일부 냉각기의 발포제로 사용된다.

이런 냉매는 용적 냉동 용량이 상대적으로 낮고, 고정된 시스템 내 장기 안정성에 대한 우려가 제기되고 있다.

이미 몇 가지 위험 신호가 포착되고 있다.

이런 냉매의 인화성 및 안정성에 대한 우려 외에도, 최근에는 HFO 냉매의 환경 영향에 대한 우려도 제기되고 있다.

연구에 따르면, R1234yf는 공기 중으로 방출된 후 2주 안에 대기에서 분해돼 트리플루오로아세트산(TFA)을 생성한다. TFA는 공기 중의 수분과 결합해 비와 함께 지상으로 내려 식수를 오염시킬 수 있다.

대기 중의 R1234yf는 이미 증가해(2018년 유럽 전역에서 채취한 샘플의 71%에서 발견), 냉장장치용 냉매로 의존할 수 없다는 사실을 시사한다. 더욱이, 이러한 물질은 적절히 평가할 수 있을 정도로 충분히 오랜 기간 사용한 것이 아니므로, 미처 발견하지 못한 다른 환경문제가 있을 수도 있다. 그래서 또 다음과 같은 의문을 가질 수도 있다.

“HFO를 사용하면, 또 다른 냉매 관련 환경위기가 조장되지는 않는가?”

그린피스는 에어로졸에 HFO 사용을 금지하고, 쿼터를 통해 사용량을 제한하며, 키갈리 개정에 의거 규제 대상 물질에 대한 부록에 넣을 것을 권장하기도 했다. NGO는 또한 이러한 냉매가 환경에 미치는 위험을 완화시키기 위해 화학산업계에 비용 지불을 촉구했다.

그럼 이러한 냉매 사용을 금지하고 소비자가 대체물질로 이동하기까지 얼마나 걸릴까?

이미 독일의 자동차 제조사 다임러(Daimler)는 냉매의 안정성과 환경 영향을 평가한 후 MAC에 R1234yf 사용을 중단하고 대체 냉매로 CO2를 사용하기 시작했다.

대형 시스템은 어떤 냉매를 사용해야 하나?

그렇다면 HFO를 대용량 냉동장치 적용 시에는 어떤 식으로 맞출 수 있을까? 앞서도 말했듯이 주요 냉매로 두 가지 순수 HFO 냉매가 있으며, 이 냉매는 가연성으로 인해 사용에 제한이 있다.

그렇다면 ODS R22 및 R407나 R404A, R507A나 R134a와 같은 높은 GWP HFC를 사용하는 대형 냉동장치를 위한 대체 냉매로는 무엇이 좋은가?

HFO라는 미명 하에 대체 냉매가 시판 및 판매되고 있으나, 실질적으로 이는 HFO와 HFC를 혼합한 물질이다. 이런 냉매는 정확히 HFO/HFC 혼합물이라고 불러야 한다.

모순되게도, HFO의 경우 대형 장치에 적합하고, 기존에 사용하던 HFC를 대체하기 위해 용적 냉동용량, 인화성, 더 낮은 GWP 요건을 충족하는 드롭인 가스가 되려면 HFO를 HFC와 혼합해야 한다. 그러나 GWP가 낮을수록 인화성은 높아진다. 아직은 GWP가 더 낮으면서 인화성도 허용 범위인 더 나은 냉매를 찾기 위한 시행착오 선상에 있다.

GWP가 더 낮다고 해도, 우리가 알고 있는 모든 HFO/HFC 냉매 혼합물은 GWP 범위 600~1900으로, 자연냉매에 비하면 아직 갈 길이 멀다. 이는 많은 f-가스 규정에 들어있는 최대값인 150GWP를 초과한다.

HFC 냉매를 대체하기 위해 낮은 GWP 냉매 혼합물을 구매해도, 결국 다른 화학물질과 섞인 HFC 냉매를 구매하는 것과 다를 바 없다는 것이 현실이다.

이런 혼합냉매가 열역학적 특성이나 독성 및 냉장 시스템에 사용되는 물질 및 오일과의 화학 반응성 측면에서 장기적으로 어떤 작용을 하는지에 대해서는 의문이 남아 있다. 아직 이런 의문에 답할 수 있을 정도로 충분한 시험이 이루어지지 않았다.

R448A와 R449A 같은 몇몇 HFO/HFC 대체 혼합물질은 추가로 냉각력이 필요한 고온 배출로 압축기가 받는 압력을 줄여야 한다는 문제가 제기되고 있다.

또한, HFO/HFC 혼합물은 소량 누설 시 어떤 화학물질이 먼저 누출되는지부터 시작해 그 후에 무슨 일이 일어날지는 아무도 모른다. 사용된 모든 분자가 크기와 성질이 다르므로, 다른 물질보다 더 빠르게 혹은 더 느리게 증발하거나 응결할 수 있다. 그렇다면 연속 누설과 냉매 보충이 결합하면서 냉장 시스템 내부 조성이 달라질 수도 있을까? 조성 변화는 온도활주(Temperature Glide)가 일어나게 하고, 이런 시스템 설계를 더욱 어렵게 만든다.

낮은 GWP HFO는 높은 비용이 들어간다.

이는 미래의 규제를 위반하게 될 수도 있는 냉매에 엄청난 비용을 지불하는 셈이다.

왜 더 많은 비용을 지불해가면서 새로운 냉매를 계속 유지하고, 그러면서 다른 솔루션도 재고로 유지하는 부담을 져야 하는가? 표준화하지 않는 이유는 무엇인가?

HFO에 미래는 있는가?

저자는 HFO와 HFO/HFC 혼합물은 장기적으로 봤을 때 미래가 없다는 결론에 도달했다. 최종 사용자에게 하고 싶은 조언은 향후의 규정을 준수하지 않는 솔루션에는 투자하지 말라는 것이다.

전술한 실질적인 단점과 함께, 저자의 가장 큰 관심사는 이러한 화학물질이 장기적으로 환경에 어떤 영향을 미칠지 알 수 없다는 점이다.

HFO/HFC 혼합물은 지속가능한 GWP값을 준수하지 않을 뿐만 아니라, R1234yf가 들어간 혼합물은 수계까지 와야 끝이 나는 대기 TFA에 계속 기여하고 있다.

모든 용도의 냉장설비에 사용할 수 있는 자연냉매가 존재하며, 이 냉매는 우리 지구에 해가 없고, 전 세계 모든 기후에서 시도 및 시험한 냉매이다. 시스템을 보호하고, 비용을 절감하며, 재고를 줄이는 현명한 방법은 바로 자연냉매를 사용하는 것이다.

와이낸드 그로니월드(Wynand Groenewald)는 CO2 히트펌프 석사학위를 가진 기계엔지니어다. 그는 남아프리카, 호주 및 미국의 상업 및 산업 부문을 위한 CO2 냉동 시스템의 설계, 제조, 설치 및 시운전에 15년의 경력을 가지고 있다.

(본지와 기사제휴를 맺은 ACCELERATE 1-2 September 2020에서 발췌, 번역한 기사로 본지의 공식 입장과 반드시 일치하지는 않으며 번역에 오류가 있을 수 있습니다.)