고희환 태양전기 수석연구원은 5월 20일 대한설비공학회 주최로 개최된 ‘탄소중립시대에서 냉동 및 히트펌프의 역할’ 학술강연회 ‘에너지 다소비 공정의 효율향상을 위한 고온 히트펌프 개발동향’ 발표에서 “IEA는 2050년까지 전세계 에너지시스템의 탈탄소화를 위한 가장 핵심수단으로 제시한 것이 전기화로 2050년 넷제로 달성에 약 20% 수준 기여할 것으로 분석하고 있다”라며 “특히 산업부문 전기화를 통한 온실가스 감축의 한 파트로 보일러 대체 고온 히트펌프(P2H)가 제시되어 있다”라고 언급했다.

2100년까지 지구온도 상승폭을 1.5℃ 미만으로 제한하기 위해서는 2030년까지 2010년 대비 CO2 배출량을 최소 45%까지 감축해야 하고 2050년까지 CO2 순배출량 제로(Net-zero)를 달성해야 한다.

또 전세계적으로 오존층 파괴 및 지구온난화를 유발하는 물질인 F-gas(냉매)에 대한 규제 및 냉매충전량 쿼터제가 강화되면서 신기후 체제 협약 준수를 위한 대체냉매 사용 및 충전량 감소에 대한 연구 필요성에 대한 인식도 높아지고 있다.

한국의 경우, 2024년 HFC 사용량 동결을 시작으로 2045년에는 HFC 사용량이 80% 감축된다. 또 2030년 HCFC를 사용한 신규 냉동기 생산이 금지되며 2040년은 HCFC 서비스 사용이 금지될 예정이다.

이런 가운데 산업기기 공정 효율화를 위해 에너지 다소비 공정을 중심으로 선도국과 기술격차를 좁히기 위해 노력 중이며 다양한 효율향상 시도들이 현장에서 반영되고 있는 중이다.

고희환 수석연구원은 “정부는 산업분야 탄소중립 R&D 전략 핵심기술로 에너지 효율향상 중심이 아닌 탈탄소 신공정기술 및 에너지전환 기술개발과 탄소를 획기적으로 저감할 수 있는 ‘한계돌파형(Breakthrough) 혁신기술’에 지원하고 있다”라며 “고온이 요구되는 산업분야에서는 고온 히트펌프 및 관련 공정기술, 재생에너지 사용이 필요한 실정이다”라고 말했다.

보일러 대체 고온 히트펌프는 증기생산, 건조, 가열 등 열원으로 사용되는 연소식 보일러를 히트펌프로 전환하는 기술로 현재 히트펌프는 건물에 주로 적용되고 있다. 히트펌프는 보일러대비 도입비용은 다소 높지만 CO2 발생 60% 저감, 에너지비용 70% 절감 등 월등한 효율 개선에 따른 탄소감축 성능으로 ROI 회수기간의 단축이 가능하다.

가까운 일본은 150℃ 이상의 고온 수요에 대응해 연소식 보일러를 대체할 수 있는 R600a(A3) 적용한 최고 200℃급 배열이용 고온 히트펌프 기술개발을 완료하고 COP 3.5, 500kW 용량의 165℃급 천임계 고온 히트펌프 상용화를 준비 중이다.

유럽 각국도 산업분야 탈탄소화 핵심기술로 135~170℃급 고온 히트펌프 기술개발 및 실증시험을 진행 중이다.

고희환 태양전기 수석연구원은 “한국은 윤활유를 전혀 사용하지 않는 자기부상 고온용 원심 냉매압축기와 Low GWP 고온용 냉매(A1), Falling Film 증발기, 초임계 가스냉각기 등 핵심기술 개발과 COP 2.5 달성을 통해 기존 연소식 보일러 대체가능한 160℃ 증기공급 히트펌프 국산화가 진행중”이라고 밝혔다.

태양전기는 현재 KEIT주관 하에 올 4월1일부터 2026년 12월까지 137억을 투자해 진행중인 ‘350kW급 160℃ 증기생산용 무급유 원심식 고온히트펌프 개발’ 정부과제에 참여 중이다.

개발중인 시스템에는 모든 윤활 관련 부품을 제거한 무급유 시스템인 자기부상 기술이 채용된다. 이를 통해 냉동기 휴지시간은 50% 감축되고 열교환 효율은 12~15% 향상시킬 수 있다. 또 Low GWP 고온용 냉매는 현시점에서 R123가 적합하지만 나라별 생산이 중단 및 중단될 예정이라 가용성 및 비용, 안전성, COP 등을 고려해 열 안정성이 우수한 냉매를 선정 적용된다.

Low GWP 냉매용 열회수 고온 증발기는 냉매 충전량은 대폭 줄이고 열교환기 효율은 높일 수 있도록 Falling Film Type으로 개발된다.

고희환 수석연구원은 “Falling Film Type이 고온 증발기가 적용되면 100% 수입에 의존하던 고가의 냉매 수입 감소와 글로벌 F-gas 규제 및 냉매충전량 쿼터제에 대응 가능하다”라며 “원가 절감을 위해 신기후 체제 협약 준수를 위한 대체 냉매 사용 및 충전량 감소 연구가 뒤따라야 한다”라고 언급했다.

이어 “일반적인 아임계 히트펌프 사이클과 달리 스팀 발생용 고온부가 초임계 영역이므로 초임계 유체를 냉각하기 위한 초임계 가스냉각기 개발도 필요하다”고 말했다.

고희환 수석연구원은 “아직 한국에는 160℃급 히트펌프 개발을 위한 기본 시험/평가설비가 없지만 연구과제 연차별로 기본 시험설비와 산업공정 적용 모의환경 실증실험장치를 제작해 완제품 대비 부품 국산화율 96%의 제품을 상용화할 계획”이라고 밝혔다.