최근 유럽에서는 탈탄소화를 위한 고효율 산업 전기화 기술로서 산업용 히트펌프가 주목받고 있다. 특히 산업용 히트펌프의 연구개발이 활발해지고 있을 뿐만 아니라 다수의 제품이 시장에 등장하고 도입사례도 증가하고 있다.

본지는 2022년 2월호부터 한국의 산업용 히트펌프의 연구개발이나 보급 확대를 위한 활동에 참고가 될 것으로 생각되는 유럽 산업용 히트펌프의 시장 현황(제품과 도입사례) 및 개발동향에 대해 일본 전력중앙연구소의 조사자료를 번역, 연재한다.

연재 주요 내용

[유럽의 산업용 히트펌프 시장개관]

- 16개 업체에서 30종류의 산업용 히트펌프가 제품화되어 있다. 공급온도는 100°C 미만인 제품의 비율이 높지만 160°C 공급이 가능한 제품도 있다.

- 식품산업으로의 도입사례가 비교적 많고 특히 냉온수 동시 이용 형태가 많이 보이고 있다. 그 중에서도 노르웨이 유제품 공장에서는 완전 전기화 (Electrification)를 달성하고 있다.

- 히트펌프 도입 시 컨설팅 회사가 공장의 에너지를 분석해 히트펌프의 사양이나 프로세스로의 통합 방법을 제안한 사례도 볼 수 있다.

[유럽의 산업용 히트펌프 개발동향]

- 100~-200°C까지의 공급이 가능한 고온 히트펌프의 개발과 실증이 활발해지고 있다.

- 건조공정을 대상으로 한 프로젝트를 많이 볼 수 있으며, 5개의 건조 공정용 히트펌프의 개발 및 실증 프로젝트가 진행 중이다.

- 산업용 히트펌프의 개발과 실증 및 시장투입 전의 성능평가와 신뢰성 확보를 목적으로 대용량 고온 히트펌프의 성능평가가 가능한 2개의 시험설비가 정비됐다.

[산업용 히트펌프 보급 확대를 위한 시사점]

- 유럽의 컨설팅회사와 같이 공장의 프로세스와 히트펌프에 관한 양쪽 모두의 지견을 가지고, 공장과 메이커 사이에서 활동할 수 있는 플레이어가 필요하다.

- 히트펌프 연구개발 프로젝트 수행시 기기 개발까지의 R&D가 주류지만 개발단계에서 사용자도 참가한 실증시험까지를 포함한 RD&D(연구개발 실증, Research Development & Demonstration)가 필요하다.

(지난달에 이어)

증기압축식 히트펌프

증기압축식 히트펌프는 열원이나 열부하의 온도차에 따라 열교환기의 불가역손실(냉매와 2차 매체의 온도차)이 작아지는 사이클이 채 용된다. 〈그림 6>(a)와 같이 열원의 온도구배 (∆Tc）와 열부하의 온도구배（∆Th）가 모두 작 은 경우에는 순냉매를 이용한 아임계 사이클이 채용된다. 〈그림 6>(b)과 같이 ∆Tc는 작고 ∆Th는 클 경우에는 순냉매를 이용한 천임계 사이클이 적합하다. 이 경우, 냉매의 고압 측 은 응축하지 않기 때문에 응축기가 아니라 가 스 쿨러라고 부른다. 나아가 ∆Tc와 ∆Th가 모 두 클 경우에는 비공비혼합냉매를 이용한 사이 클이 적합하다. 더욱이 〈그림 6>(c)에 나타낸 것과 같이 비공비혼합냉매를 사용한 사이클 중 압축식과 흡수식의 하이브리드 방식으로 구성 되는 사이클을 Osenbruck cycle이라 부르 며, 이 호칭은 발안자 August Osenbruck 의 이름에서 유래했다.

일반적으로 탱크 내의 온수온도를 일정 온 도로 유지하는 보온공정과 같이 2차매체를 순환가온하는 경우에는 아임계 사이클이 채용된 다. 한편, 세정 공정과 같이 가열에 사용한 온 수를 배수하고, 비교적 저온도의 급수를 일과 성 가온하는 경우에는 천임계 사이클이 적합 하다. Osenbruck cycle을 채용한 히트펌프 는 유럽에서 몇 개의 공장에 이미 도입돼 가 동 중이다.

에너지 사정 - 전력과 가스

산업용 히트펌프(이후, 단순히 산업용 히트펌 프라고 부르는 경우는 전력 구동의 증기압축식 히트펌프를 가리킨다)는 일반적으로 화석연료 에 의한 연소기기(보일러나 버너 등)의 대체기 기로서 활용돼 에너지비용을 절감함으로써 마 이너스 비용으로 에너지소비량 및 CO2 배출량 을 삭감할 수 있는 기술이다. 단, 에너지 소비 량과 에너지 비용, CO2 배출량의 절감효과는 전력과 연료의 1차에너지 환산계수와 CO2 배 출계수, 에너지 단가에 의존한다. 연소기기에 서 히트펌프로 대체했을 때, 이러한 절감효과 는 다음 식으로 나타낸다.

중략