유럽의 산업용 히트펌프 시장 및 기술 동향(6)
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.
지난호에 이어
4. 산업용 히트펌프 적용 성공 사례
다음으로 비교적 상세한 정보가 공개되고 있는 사례에 대해 각각의 도입 배경이나 기술, 효 과를 정리한다. 지난호 표와 이번 호 표에 8가지 성공 사례를 제시한다.
사례 ①부터 사례 ④는 열원과 열 이용이 같은 공장 내의 사례이다. 한편 사례 ⑤에서 사례 ⑧은 지역 열공급 망으로 열융통하고 있는 사례이다.
[사례 ①] 유제품 공장의 분유 건조공정 도입(덴마크)
덴마크 비데베크(Videbæk)에 위치한 Arla Foods사의 유제품 공장에서는 분유를 건조시키기 위해 외기를 150℃까지 가열해야 한다.
해당 공장에서는 건조에 필요한 에너지소비량 삭감을 위해 열교환기나 히트펌프를 이용한 열 회수 시스템을 도입했다.
〈그림 1>에 히트펌프 도입 전후의 시스템 구 성도를 비교해 나타낸다. 그림 (a)에 나타낸 것 처럼 기존 공정에서는 건조에 필요한 열은 모두 가스연소 보일러로 조달하고 있었다. 또 다 른 공정에서 생기는 배열은 냉각탑에서 외기로 방열하고 있었다.
그림(b)에 나타낸 바와 같이 다른 공정에서 생기는 배열을 회수해 건조공정의 급기 예열에 이용하는 시스템을 구축했다. 급기 예열은 배열회수 열교환기와 히트펌프의 2단계로 이루어진다.
우선 45°C의 배수를 외기와 열교환하고 외기온도에서 40°C까지 공기를 가열한다. 이어서 히트펌프로 40°C에서 80°C까지 공기를 가열한다. 히트펌프의 열원으로는 45°C의 배수를 활용한다. 배수는 탱크에 저장함으로써 열 수요와 열원의 시간적 갭을 완화했다.
히트펌프는 열부하의 온도구배(Temperatu re glide)가 40K로 비교적 크기 때문에 R717(암모니아)과 R718(수)의 혼합냉매에 의한 오젠브룩 사이클(Hybrid Energy사의 GreenPAC)이 채택됐다. 히트펌프의 COP는 4.6, 연간 운전시간은 7,400h/y였으며 1차에너지 소비 절감량은 7.2GJ/y, CO2 배출 감소량은 1,400ton/y였다. 투자회수 기간은 2.3년(보조금 포함 시 1.5년)이었다.
Arla Foods사는 에너지 절약과 CO2 배출량 감소에 적극 나서고 있으며 덴마크 에너청에서 자금이 제공되는 히트펌프 실증 프로젝트에 지원했다. Industri Montage그룹의 Innoterm사가 컨설팅 및 엔지니어링을 담당했다.
히트펌프 도입 전에 에너지 이용 상황 분석에 많은 시간을 할애했는데, 이를 통해 효과적으 로 열 회수 시스템을 구축할 수 있었다. 현재 Arla Foods사는 시스템 구성과 운용 방법, 도입 효과에 매우 만족하고 있다.
[사례 ②] 유제품 공장에 냉온 동시 이용한 히트펌프 도입(덴마크)