2021년 에너지통계 핸드북에 따르면 국내 전체 에너지사용량의 62%, 전력사용량의 54%가 산업분야에서 사용되고 있는 것으로 조사됐다.

산업분야의 에너지 사용량을 용도별로 보면 원료부분이 51%, 설비용이 45%, 기타 수송 등에 사용되고 있다. 특히 설비용 부분의 에너지는 절약이 필요한 사항으로 설비용 에너지 중 59%는 열에너지, 41%는 전력이 차지하고 있다.

이처럼 산업분야는 에너지 사용량이 많은 반면 오랜 기간 공정 안정이 우선적으로 고려되면서 고효율 에너지절감 기기의 적용이 더딘 편이었다.

이런 가운데 건물 공조용으로 주로 적용되던 축열식 냉각시스템 중 아이스슬러리 방식이 냉열부하와 온열부하가 동일 현장에서 필요한 식품, 바이오, 제약 등의 산업 프로세스에서 30~80%의 에너지비용 절감효과가 알려지며 더욱 관심을 모으고 있다.

아이스슬러리, 미세 얼음 입자의 신개념 열저장·수송 매체

국내에서 아이스슬러리 축열식 냉각시스템 기술을 선도하고 있는 업체는 아이스솔루션(주)이다.

아이스솔루션은 2003년부터 독자 기술로 아이스슬러리 제빙기 개발에 착수, L사와 W사의 협력을 통해 냉동기와 제빙장치가 일체화된 횡형 칠러 형식의 ‘Ice Chiller’라는 아이스슬러리 제빙장치를 국산화했다.

임효묵 아이스솔루션 대표는 “‘Ice Chiller’는 처음 빙축열 시스템용으로 개발됐지만 고효율, 고밀도 냉열 저장, 장거리 냉열 수송, 열전 달 및 방냉 효율 등이 부각되며 빙축열 시스템뿐 아니라 지역냉방 시스템, 저온분야 축열식 간접 냉각시스템, 식품용 냉각용 얼음 제조 시스템, 특히 지열, 폐열, 공기열 등과 연계한 통합 축열식 냉난방 시스템 등 다양한 용도로 그 활용 범위가 폭넓은 게 특징이다”라고 말했다.

아이스솔루션의 아이스슬러리 제빙기는 세계 최초의 횡형 다관식(Shell & Tube) 열교환기 구조의 제빙기로 플라스틱 재질의 나선형 스크래퍼와 기어를 이용한 단순 구조의 구동장치를 갖추고 있다.

수용액을 윤활 냉각제로 활용하는 플라스틱 기어에 의한 동력전달과 회전력에 의한 스크래퍼 구동으로 기존의 선회 운동 방식에 비해 동력전달 면에서 안정된 구조를 갖고 있으며 용량 확장성이 클 뿐만이 아니라 밀폐된 압송식 아이스슬러리 배출구조로 순환 시스템을 단순화할 수 있는 이점이 있다.

또한 고효율(2단 원심식, 스크류, 왕복동식, 스크롤) 압축기를 사용하고 증발기인 제빙장치와 냉동기를 일체화한 Chiller 형식으로 냉각과 상변화 운전이 가능하며 40~60℃의 온수를 제빙 운전과 동시에 생산할 수 있는 상변화 히트펌프 개념의 장비로 사용될 수 있다.

임 대표는 “무엇보다 ‘Ice Chiller’는 세계 최고의 효율과 최대 용량의 제빙장치이면서도 구조적으로 단순한 공장 완성형 제품으로 기존 제빙장치에 비해 월등한 용량 및 품질과 설치 편의성, 가격 경쟁력을 확보하고 있다”고 말했다.

‘Ice Chiller’에서 만들어지는 아이스슬러리는 평균 0.27mm 크기의 미세 얼음 입자가 물이나 부동액, 소금, 설탕, 알코올 등 물에 잘 녹는 수용액에 혼합돼 있는 신개념의 열저장 및 수송 매체이다. 이러한 아이스슬러리를 축열조에 저장했다가 건물의 냉방이나 산업용 냉장·냉각부하에 대응하는 축열시스템이 ‘Ice Chiller’ 시스템이며 기존의 정적 방식의 빙축열 방식에 비해 다양한 형식의 냉각 및 온열 이용 시스템을 구성할 수 있다.

임효묵 대표는 “아이스슬러리는 일반 펌프로 이송이 가능해 냉열 수송 동력, 배관 크기 및 열교환기 크기를 크게 줄일 수 있으며 넓은 사용온도 범위(0 to -15℃ ), 장기간 저장 가능, 특정 온도 대에 많은 열량을 저장할 수 있다”라며 “특히 다른 빙축열 방식과 달리 두꺼운 얼음층이 형성되지 않아 제빙효율이 높을 뿐만 아니라 융해속도가 빨라 방열효율이 우수하다”고 강조했다.

아이스솔루션이 개발한 ‘Ice Chiller 축열 시스템(ICH 시스템)’은 냉매와 슬러리가 직접 열교환하는 Shell & Tube식 열교환기를 사용한다. 상변화를 이용한 잠열축열방식으로 동일 체적의 축열조로 수축열방식 대비 5~8배로 냉열을 저장하며 얼음의 표면적이 넓고 축열매체가 직접 순환하면서 일정한 온도를 유지하며 열교환하므로 방냉 특성이 매우 뛰어나다. 또한 직접 냉매와 열교환하며 제빙운전 전 기간 100% 용량으로 연속 가동함으로써 정적방식에 비해 15~30% 고효율 제빙 운전이 가능하다.

임효묵 대표는 “조핵제를 사용하지 않는 방식품공장 적용을 위해 제작된 아이스칠러식으로 시스템 수명 기간 중 용량 변화가 거의 없어 장기간 안정적인 효율을 유지할 수 있다”라며 “축열량만으로 주간 부하를 감당하는 비율(축열이용률)이 타 방식보다 매우 높아 실질적인 에너지 비용이 크게 절감되는 등 정적방식 대비 25~40%의 에너지 비용 절감효과를 기대할 수 있다”고 말했다.

이어 “방냉운전에 사용하는 브라인 펌프 용량이 작고 인버터 사용으로 사용 전력량이 적어 기본요금이 1/10 수준으로 연중 부하 현장에서 전력요금 절감 효과가 매우 크다”고 덧붙였다.

‘Ice Chiller’는 소용량에서 대용량까지 공조에서 저온 영역까지의 축냉시스템에 적용이 가능하며 빠른 해빙 속도로 인해 축열과 방열이 분리되어도 피크 대응에 문제가 없어 일일 가동 시간이 길거나, 피크 부하가 집중적으로 클 때는 물론 24시간 부하가 있는 현장에 최적의 시스템을 제공한다. 이로 인해 병원과 호텔, 백화점 등의 빙축열 시스템에 가장 적합한 설비로 평가받고 있다.

아이스슬러리와 식품 직접 접촉 냉각이나 빙 입자 분리해 식품 포장에 이용

아이스솔루션은 이런 점을 십분 활용하기 위해 공조용뿐 아니라 저온 및 산업 냉각분야와 해수제빙용 시장으로 사업영역을 확대하고 있다.

아이스슬러리 축열식 냉각시스템은 공장 가동 초기 대규모 부하가 필요한 Batch Proc ess, 가열 후 빠른 냉각이 필요한 살균 및 냉각 공정, 일일 냉각 부하가 집중되는 순간 냉각부하가 큰 공정에서 -15~+25℃ 범위의 냉각부하를 효과적으로 대응 가능해 장비 용량의 축소와 30% 이상의 에너지 비용의 절감, 운전 신뢰성 증대 등의 장점이 있다.

특히 1~2℃의 낮은 온도의 저온수 공급은 식품 프로세스에서 큰 장점을 갖게 되며 낮은 냉수 온도를 이용한 대온도차 순환방식이 가능해 7/12℃ 순환방식을 2/15℃까지 대온도차를 이용할 수 있으며 이 경우 순환 유량을 60% 이상 줄일 수 있어 배관 공사비와 펌프 및 펌프 운전 동력을 크게 줄일 수 있게 된다.

또한 일정한 온도 유지와 습도가 필요한 곳에 IPF(해수 슬러리 중 얼음 성분 비율) 5~10%의 아이스슬러리를 순환시켜 냉각할 경우 상변화 과정 냉각방식으로 일정 온도 유지할 수 있어 냉각 공기와 온도차를 최소화할 수 있어 고습도를 얻을 수 있는 장점이 있다.

뿐만 아니라 냉각식 제습과 함께 화학 제습이 필요한 공정에 축열방식으로 0℃ 이하의 낮은 온도의 브라인에 의한 냉각식 1차 제습은 2차 화학제습제 재생 부하를 크게 줄여 냉수 또는 냉매 냉각방식에 의한 1차 제습 방식 대비 에너지 절감이 가능하며 제습 장치의 운전 안정성을 크게 증가시킬 수 있으며 냉각 과정에서 발생하는 온열을 최고 60℃ 온도까지 사용할 수 있어 효율적인 제습시스템 구성이 가능하다.

임효묵 대표는 “아이스슬러리 시스템을 가장 효율적으로 사용할 수 있는 프로세스는 0℃ 부근의 낮은 온도의 냉열과 40~60℃의 온열을 동시에 사용하는 도계, 도압, 도축 등과 제빵, 유업, 식료품 가공, 발효식품 가공, 수산물 가공 등 식품산업과 빠른 부하 대응이 필요한 냉각 공정이 필요한 프로세스 등으로 이들 대부분의 경우 슬러리형 축열 시스템에 의한 낮은 온도의 냉열과 온열을 동시에 이용하는 시스템을 구성해 30~80%의 에너지 비용의 절감이 가능하다”고 주장하며 “특히 첨가제로 소금, 설탕 등을 사용해 얻은 아이스슬러리와 식품을 직접 접촉시켜 냉각하거나 아이스슬러리의 빙 입자를 분리해 식품 포장에 이용하는 등 고품질 식품 공정에 매우 큰 혁신을 가져올 수 있다”고 덧붙였다.

실제로 ICH 축열시스템은 배추김치 절임용 절임수 냉각 공급 및 세척 냉수 공급장치로 H농협 김치공장, 가공식품 레토르트 살균 후 냉 각설비로 N사 충주공장, 공정용 크린룸 냉각 부하용으로 J약품 용인공장, 분당 J동물실험실 공조설비 열원용 냉각설비 등에 적용돼 안정적으로 가동 중이다.

아이스솔루션은 이외에도 연중 24시간 부하가 발생하는 데이터센터 백업용으로 인버터 Ice Chiller 축열 시스템 보급도 추진 중이다.

임 대표는 “데이터센터는 정전을 대비해 대규 모 비상발전 설비를 갖춰야 한다”라며 “순간 정 전시 전체 부하의 30%를 Ice Chiller 축열시스템으로 대응할 경우 뛰어난 해빙 능력에 의해 축열량만으로 1시간 이상 냉각시스템 전체 부하를 대응할 수 있는 만큼 비상발전 설비 용량을 줄일 수 있어 초기투자비 절감 효과도 기대할 수 있다”고 말했다.

이어 “수축열설비의 큰 축열조를 크기가 1/6~1/8로 작은 빙축열 축열조로 교체할 수 있으며 낮은 온도의 냉수 공급(1.5℃)이 가능해 부하 장비의 크기를 줄일 수 있어 투자비를 크게 절감할 수 있다”고 강조했다.

협력사와 ‘선박용 해수슬러리 제빙장치’ 개발 추진

아이스솔루션(주)은 아이스슬러리 적용이 활발한 해수용 제빙기 시장 진출을 위해 파트너사와 협업을 통해 육상용 해수 제빙기를 제작하고 필드 테스트와 양산 제품 설계를 진행 중이다.

임효묵 대표는 “해수를 제빙기에서 직접 얼린 해수 슬러리는 물처럼 흐를 수 있어 펌프로 이송이 가능하며 미세입자의 얼음 알갱이의 넓은 표면적을 갖고 있어 매우 빠른 식품냉각이 가능하다”라며 “특히 어획 즉시 해수 슬러리를 이용해 빠른 속도로 냉각할 경우 수산물 선도를 획기적으로 개선하고 냉장 유통기한은 2배 정도 늘릴 수 있어 최근 전 세계적으로 급속히 보급되고 있다”고 밝혔다.

아이스솔루션이 자체 개발한 해수 제빙기는 ‘Ice Chiller’를 해수용으로 사용할 수 있도록 해수와 접촉하는 부분에 내식성이 확보된 재질을 사용하고 해수 슬러리 순환 배관 중간에 재순환 펌프 시스템을 추가해 제빙장치에 일정량의 순환 유량을 확보함으로써 높은 IPF(해수 슬러리 중 얼음 성분 비율)의 해수 슬러리를 하나의 제빙장치에서 직접 얻는 장비이다.

임효묵 대표는 “기존 해수제빙기는 대부분 원통형 단관 방식이거나 드럼 형태로 용량이 매우 적어 제빙기 여러 대를 직렬 또는 병렬 연결해 사용해야 하는데 비해 Ice Chiller는 횡형 다관식 열교환기 구조의 1대의 제빙기로 대용량까지 처리할 수 있으며 1대의 Pre-Chiller와 1대의 제빙기를 결합해 Low IPF 제빙운전과 High IPF 제빙운전을 자유롭게 선택할 수 있다”라며 “Ice Chiller는 휘젓는 형식의 제빙 메커니즘으로 스크래퍼와 전열관이 직접 접촉하지 않아 스크래퍼의 마모가 없으며 사용재질 모두 해수에 대한 내식성을 갖춰 기존 제빙장치보다 장비 수명이 2배 이상 길다”고 강조했다.

해수 Ice Chiller는 선박용 On-Board 제품과 육상용으로 해수냉각식과 공랭식 등 2가지 형태로 제작할 예정이며 단일 기기로 최대 840kW(218RT)용량까지 생산, 공급할 계획이다.

임효묵 대표는 “협력사와 함께 R&D 과제로 ‘선박용 해수슬러리 제빙장치’ 개발을 추진 중이며 더 나아가 선박에서 해수슬러리를 최적으로 활용할 수 있도록 선박 구조 변경 및 조업 방식 개선까지 포함한 R&D도 고려 중”이라고 밝혔다.

이어 “이제 축열시스템은 단순한 심야전기를 이용하는 에너지이용 합리화 시스템에서 열에너지 분야에서 다양한 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템으로 발전해가야 한다”라며 “다양한 신재생에너지 설비와 에너지 저장 역할을 통해 결합함으로써 신재생에너지의 단점을 극복하는 역할을 수행하는 것이 축열 업계가 가야할 길이라고 생각한다”라며 “Ice Chiller 시스템은 이러한 역할을 할 수 있는 차별화된 장점이 있는 만큼 우리는 그 방향으로 나아가려 한다”라고 언급했다.