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.

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지난 호(2022년 5월호)까지 살펴본 유럽의 산업용 히트펌프 제조업체와 제품의 특징에 대한 요점을 〈표 1>에 정리한다.

〈그림 1>에 30개 제품 각각의 최대 가열 능력과 최고 공급온도의 관계를 나타낸다. 최고 공급온도가 100°C 미만인 온수공급 히트펌프에 대해서는 폭넓은 가열 능력의 제품 라인업이 갖추어져 있음을 알 수 있다. 유럽에서는 지역열 공급 용도도 있기 때문에 일본 제품(최대 700kW 정도)과 비교해 가열 능력이 큰 것이 특징적이다.

냉매에 대해서는 70°C 공급 클래스에서 R134a(GWP=1,300, A1), 90°C 공급 클래스에서 R1234ze(E)(GWP=1, A2L)가 사용되고 있다. 또, 자연냉매인 R717(GWP=0, B2L)도 자주 사용되고 있다. R717은 대략 100°C 미만에서는 성적계수(COP)와 체적능력(VHC)이 다른 냉매에 비해 크고 열역학적 성능 측면에서 매우 뛰어난 냉매이다.

일본에서는 안전성 측면에서 R717을 채용한 산업용 히트펌프 제품은 흔하지 않지만 유럽에서는 자연냉매의 사용에 긍정적이라는 점에서 GEA Refrigeration사나 Johnꠓson Controls사의 SABROE 브랜드, Star Refrigeration사 등 대형 냉동기 제조사가 R717을 채용하고 있다.

또한 Hybrid Energy사는 100°C 이상에서 R717을 비교적 저압으로 활용하기 위해 R718과 혼합해 압축식·흡수식 하이브리드 히트펌프를 구성하고 있다. 이처럼 R717을 적극 활용하고 있다는 점도 유럽 산업용 히트펌프의 특징이다.

130°C 공급 클래스에서는 R245fa(GWP =858, B1)가 사용되고 있다. 그 이상에서는 최근 개발된 R1233zd(E)(GWP=1정도, A1)나 R1336mzz(Z)(GWP=2정도, A1)가 채용되고 있다. 이러한 도전적인 고온 히트펌프는 대학 및 연구기관발 벤처기업을 포함한 신흥기업이 제품화하고 있다.

또 고객의 요구사양에 맞춰 설계·제작하는 수주생산 방식을 채택하고 있는 업체가 많은 것도 유럽의 특징이다.

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2022년 8월호 참조