“열에너지 소비의 60% 이상을 차지하는 산업공정열 생산에 화석연료 사용을 줄이기 위한 전기화는 필수적이며 COP가 높은 히트펌프로 공정열을 공급하기 위한 다양한 온도대역의 히트펌프 개발도 시급하다.”

윤석호 한국기계연구원 열에너지솔루션연구실장은 한국기계연구원 주최 ‘2022 글로벌 기계기술 포럼’ ‘기계연구원 열에너지 탄소중립 기술개발 현황 및 전략’ 주제발표에서 이같이 밝히고 기계연구원의 열에너지 R&D 전략방향, 세부 수행과제, 향후 활용 확대방안에 대해 소개했다.

유럽 14개국의 전체 최종에너지 소비 중 열에너지의 비중은 50%이며 대부분의 열에너지가 건물과 산업용의 난방과 공정열로 사용되고 있다. 이렇게 사용되는 열에너지는 66% 정도가 화석연료를 통해 생산되며 신재생에너지는 13%, 전력은 12%, 지역난방은 9%에 불과하다.

윤석호 실장은 “탄소중립의 기본은 화석연료를 줄이는 것이며 이를 위해서는 열에너지의 근원을 화석연료가 아닌 데서 찾아야 하는데 EU의 경우, 신재생 열에너지 확대에 노력하고 있다.”라며 “우리 정부도 열에너지의 중요성을 인식하고 2050 탄소중립 에너지기술 로드맵에 열에너지 기술개발 전략을 수립해 기계연구원 등 관련 기관과 세부과제를 추진하고 있다.”고 말했다.

기계연구원은 로드맵에 기반해 에너지 수요부문에서 사용되는 에너지 다소비 설비의 탄소중립 전환을 위한 설비의 효율향상, 전기화/무탄소화, 열에너지 이용의 네트워크 기반 최적화, 에너지 이용-수급 최적관리 등 기술개발 추진과제를 도출했고 화석연료 기반 열기기의 전기화 및 무탄소 연료(수소, 암모니아 등)로의 전환, 히트펌프의 활용범위 확장 등을 통해 산업현장의 탄소 배출 저감을 도모할 계획이다.

윤석호 실장은 “기계연구원은 전환, 산업, 건물부문의 열에너지 수요에 맞춰서 온실가스 감축 기술개발 전략을 수립했다.”라며 “열에너지 탈탄소 기술로는 전환부문에서 수열·지열 등 재생에너지를 이용하고 에너지 저장을 활용해 재생에너지 발전량을 증대시키는 방법, 산업부문에서는 공정열의 전기화, 산업용 히트펌프 개발, 열거래 그리고 건물부문은 난방연료인 가스를 비롯한 화석연료 사용을 줄일 수 있는 히트펌프, 4세대 지역난방, 열네트워크 등 열에너지 관련 기술개발 계획을 세우고 세부기술을 추진하고 있다”고 소개했다.

다양한 온도대역의 산업용 히트펌프 개발

우선 산업부문의 열에너지 R&D는 열에너지 공급 전기화와 고온 히트펌프 개발에 초점을 맞추고 있다.

윤석호 실장은 “열에너지 소비의 60% 이상을 차지하는 산업공정열 생산에 화석연료 사용을 줄이기 위한 전기화는 필수적”이라며 “COP가 높은 히트펌프로 공정열을 공급하기 위한 다양한 온도대역의 히트펌프 시제품 개발을 수행 중”이라고 밝혔다.

그동안 기계연구원이 수행한 산업용 히트펌프 연구는 △건물용/산업용 열에너지 네트워크 적용 단위 시스템 개발(2013.08~2018.01) △산업공정용 120℃ 이상 스팀공급이 가능한 300kW급 고온 토출형 히트펌프 개발(2014.07~2018.06) △Low GWP(≤100) 냉매 대응 냉동시스템 원천기술 개발(2015.06~2020.05) △소량 냉매사용 및 냉온수 동시생산이 가능한 산업용 히트펌프 기술(2020.04~2024.12) △350kW급 160℃ 증기생산용 무급유 원심식 히트펌프 개발(2022.04~2026.12) 등으로 압축기, 증발기, 응축기, 냉매/오일, 제어시스템, 사이클 해석, 시스템 통합 등 산업용 고온 히트펌프 관련 핵심기술을 개발을 수행해왔다.

윤석호 실장은 “산업용 고온 히트펌프 개발 과정의 기술적 난제는 냉매, 압축기, 윤활유로 대표되는 만큼 Low GWP 냉매와 무급유 터보압축기 개발에 포커스를 두고 과제를 수행해왔다”라며 “2020년 초반에 산업공정용으로 HFO냉매를 적용한 무급유 터보압축기 개발했고 최근 추세에 맞춰 무급유 터보압축기에 Low GWP 냉매를 적용하면서 점차 운용 온도를 높이고 산업공정에 실증할 수 있는 1000RT급 개발과제를 기획하고 있다.”고 언급했다.

기계연구원은 그동안 히트펌프 연구개발로 축적한 노하우를 기반으로 2023년부터 2028년까지 6년 과제로 화석연료에 의존하고 있는 산업공정 열에너지의 탈탄소화를 위한 300℃급 고온 히트펌프 선행기술 연구개발도 추진할 계획이다.

윤석호 실장은 “산업공정열은 100~500℃까지 다양하므로 이 열을 커버하기 위해서는 히트펌프의 고온화 기술은 필수적”이라며 “아직 시장에 적용하긴 이르지만 선행적으로 300℃급 이상의 고온열 히트펌프도 꾸준히 연구개발 해야 하므로 이 프로젝트는 연구소 자체 기본 사업으로 진행하게 됐다”고 말했다.

이 선행기술 연구를 통해 기존 합성냉매 대신 공기나 CO2, 아르곤 등의 천연냉매 사용과 역 브레이튼 사이클을 이용하는 기존과는 다른 방식의 300℃급 고온 히트펌프를 개발하고 300kWh급 히트펌프 열저장시스템 연계기술을 확보해 향후 수MWh급 산업공정열 공급 기반을 마련할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 주요 연구내용은 △300℃급 고온 히트펌프 사이클 설계 및 시스템 통합기술 △300℃ 이상 고온 고체 열저장 기술 △300℃급 고온용 터보기기 개발 등이다.

냉난방 히트펌프…파괴적 혁신기술 개발

기계연구원의 건물부문 열에너지 R&D는 냉난방 히트펌프 기업들의 기술이 선진화돼 있는 만큼 새로운 개념의 파괴적 혁신기술 개발에 초점을 맞추고 있다.

윤석호 실장은 대표적인 수행과제로 △자연냉매를 이용한 냉각시스템으로 ‘350kW급 자연냉매(R-718) 적용 압축식 냉각기술’ 개발 △섹터커플링을 위한 재생열원 연계 히트펌프로 ‘수열 냉난방 및 재생열 하이브리드 시스템 개발 및 실증’ △알키미스트 프로젝트인 차세대 냉난방 기술개발로 ‘전기화학적 압축기를 이용한 화학흡착식 히트펌프’ 개발 △친환경 신냉매 국산화 및 적용시스템 개발 등을 꼽을 수 있다고 소개했다.

올 6월 30일 과제가 끝난 ‘350kW급 자연냉매(R-718) 적용 압축식 냉각기술의 시스템 설계 및 제작, 증발기 R&D 활동을 통해 표면 장력 및 젖음성 고려한 증발기 및 응축기 원천기술 확보, 수증기의 큰 비체적 고려한 터보 압축기 개발, 통합시스템 구축 등 물 냉매(R-718) 이용 압축식 냉각기술 개발 등의 성과를 도출했다.

수자원공사 주관으로 2023년 12월 31일 마무리되는 ’수열 냉난방 및 재생열 하이브리드 시스템 개발 및 실증‘에 참여기관으로 열원의 온도특성에 상관없이 냉난방 에너지를 공급하기 위해 열원 믹스 기술을 적용한 하천수 열원 이용 하이브리드 냉난방시스템 기술을 개발하고 실증하며 성능평가 체계를 구축할 예정이다.

산업부가 주관 알키미스트 프로젝트로 진행하고 있는 ’전기화학적 압축기를 이용한 화학흡착식 히트펌프 개발‘ 과제는 기존의 상식을 뛰어넘는 새로운 방식의 시스템 개발에 초점을 두고 진행 중이다.

에너지 다소비형 증기압축 사이클을 사용하지 않고 냉난방 에너지를 공급하기 위해 전기화학적 압축기를 적용한 화학흡착식 히트펌프를 이용한 COP 10 이상의 혁신적 냉난방 시스템 기술을 개발하고 성능평가 체계를 구축하게 된다.

이 연구과제를 통해 △40℃ 이하 저온열원 구동 화학흡착 사이클 개발 △고성능 흡착 신소재 및 대용량 합성공정 개발 △NH3 흡탈착 반응기 및 고효율 열교환기 개발 △재생열원 연계 시험평가 기반 구축 등이 이루어질 전망이다.

기계연구원은 ‘차세대 대체 냉매 및 고효율 냉난방 기기 핵심기술·통합운영 시스템 개발’ 과제도 수행 중이다.

주요 연구내용은 △GWP 10 이하, A2L 의 친환경 냉매 및 성능평가 인프라 구축 △대체냉매 안전성 평가기술 개발 △냉매 상평형 물성 데이터 확보 △냉매 안정성/위험성 평가 실험기술 등으로 지속적인 R&D를 통해서 대체냉매 국산화를 선도하고 있다.

전환부문 열에너지 R&D는 발전을 위한 기술개발이 아니라 신재생에너지 발전 시 발생할 수 있는 변동성 극복을 통해 발전량을 확보하는 수단으로 대용량 장주기 에너지저장에서 접근하고 있다. 세부 수행과제는 △용융염을 이용한 550℃급 초고온 열에너지 저장 및 응용기술 개발 △대용량 액체공기 에너지저장 핵심기술 개발 △ 이산화탄소 변환을 위한 P2X 공정 개발 등이 대표적이다.

잉여열 네트워크로 공급하는 양방향 열에너지 네트워크

윤석호 실장은 기계연구원이 진행하고 있는 R&D 과제의 향후 활용 및 확대방안은 양방향 열에너지네트워크, 재생열 이용 확대, 산업용 열에너지 클러스터 구축의 3가지로 압축할 수 있다고 말했다.

우선 냉난방 부문에서는 양방향 열에너지 네트워크 구축이다. 주거, 상업, 공장 건물의 열부하를 연결하는 중저온 열원 네트워크를 구축해 네트워크의 열원을 직접 이용하거나 잉여열을 네트워크로 공급하는 양방향 열에너지 네트워크 최적화 기술이 그것이다.

열에너지 공급망 구축을 위해 재생에너지 섹터커플링 연계, 장주기 대용량 열저장 기술, 다중열원 히트펌프 개발, 미활용 열에너지 회수 등의 기술이 선행돼야 한다. 또 열에너지 사용 최적화를 위해 인공지능 기반 열수요 예측기술, 열생상/열수송/열소비량 관련 실시간 모니터링 및 통계 분석기술, 도심열원 네트워크 위상배치 최적화 기술, IT 기술을 접목한 열거래 기술 개발도 필요하다.

재생에너지 기반 열공급 확대는 화석연료를 사용하지 않고 열에너지를 얻을 수 있는 수단 중 가장 친환경적인 방법이다.

기계연구원은 재생에너지 이용 확대를 위해 현재 활용도가 낮은 태양열, 지열, 수열 등의 저온 재생열에너지의 적극 활용기술 개발에 나서고 있다. 태양광 모듈을 냉각하면서 냉각 과정에서 얻은 폐열을 활용하는 태양광 열복합 모듈인 PVT 기술, 하천수/광역원수 및 기타 지역난방 회수열, 하수열 등 여러 수열에너지를 이용해 열에너지 네트워크 공급 열원으로 변환하는 열에너지 생산기술, 고온열 공정 전기화(P2H) 및 탄소중립 연료공급(P2F)을 포함하는 섹터커플링 기술 등이다.

윤석호 실장은 “산업공정 등에서 배출되는 폐열을 회수해 저장했다가 필요시 활용하는 기술로서 축열재, 축방열기술, 단열 기술 등으로 구성되며 미활용 산업폐열 회수를 위한 열에너지 클러스터 구축은 미활용 열에너지 발생 시점과 열에너지 수요량이 높은 시점이 불일치할 경우에 대응해 유연성 있는 열에너지 활용을 위한 열배터리 개념의 시스템 개발이 필요하다."고 말했다.