BITZER는 2월 20일(월) 오후 2시 KTX광명역 인근 테이크호텔 3층 루미나스홀에서 탄소배출 저감을 위한 BITZER 솔루션을 주제로 ‘BITZER CO₂ 및 지능형 IQ Products 기술세미나’를 개최했다

이날 세미나에는 변종환 비처·그린포인트 코리아 대표, Mr. Jan Grubel BITZER HQ 상업용 냉동담당을 비롯해 BITZER 협력사인 삼영종합기기 유영덕·유덕호 공동대표, 대성마리프 최성호 사장, 동화윈 이희근 부사장, 위드 권오영 대표 그리고 고객사 등 관련 업계관계자 150여 명이 참석해 CO₂ 냉매 솔루션에 대한 뜨거운 열기 반영했다.

변종환 비처·그린포인트 코리아 대표는 환영사에서 “지금 국내외적으로 친환경 냉매와 장비에 대한 관심이 굉장히 높아지고 있는데 이미 유럽은 물론 심지어 동남아 지역에서도 CO₂뿐만 아니라 친환경 냉매 장비가 적극적으로 적용되고 있는 상황”이라며 “국내에서도 최근 이러한 관심과 기술에 대한 요구 사항들이 많아지고 있어 이런 자리를 마련하게 된 만큼 참석한 업계 관계자분들이 조금이나마 CO₂에 대한 이해를 돕는데 도움이 되길 바란다.”고 말했다.

이어 BITZER 협력사인 삼영종합기기 유영덕·유덕호 공동대표, 대성마리프 최성호 사장, 동화윈 이희근 부사장, 위드 권오영 대표의 축하 인사말도 이어졌다.

유영덕 삼영종합기기 공동대표는 “글로벌 경쟁에 따른 기후문제나 에너지비용 상승은 이제 더이상 유럽 등 다른 나라만의 문제가 아니라 우리나라도 당면한 과제”라며 “비처는 이런 문제를 해결할 수 있는 CO₂ 등 자연냉매 압축기 기술과 에너지솔루션이 가능한 IQ모듈이 항상 준비돼 있는 만큼 오늘 세미나가 국내 CO₂시장과 에너지효율 시장을 좀 앞당기고 활성화하는 계기가 되길 바란다.”고 말했다.

유덕호 삼영종합기기 공동대표는 “이번 세미나는 비처코리아와 협력사들이 작년 하반기 계획 당시 60분 정도를 예상했는데 150분 이상이 신청을 해 최근 CO₂ 냉매와 관련 제품에 대한 고개사들의 관심이 무엇인지 다시 한번 실감할 수 있던 자리였다”라며 “한국 냉동공조산업 발전의 한 축으로 이제 CO₂ 시스템 도입이 절실히 필요한 시기인 만큼 고객사들의 역량과 노하우가 잘 발휘될 수 있도록 비처코리아와 협력사들이 주축이 돼서 최선을 다해 노력하겠다.”고 전했다.

최성호 대성마리프 사장은 “유럽에서 비처 CO₂ 압축기 누적 판매대수는 26만 대를 넘어섰다”라며 “한국의 압축기 소비량이 연간 대략 15,000대 정도이므로 우리나라에서 20년 정도 사용될 CO₂ 압축기가 이미 유럽에서는 소비되고 있는 만큼 이번 기회를 통해서 좀 더 관심을 가지고 우리의 역량을 발휘한다면 한국의 기후변화 대응에 간극을 좁히는 역할을 할 수 있을 것”이라고 말했다.

이희근 동화윈 부사장은 “비처에서 이번 세미나를 준비했다는 것은 그동안 고객들의 CO₂시스템에 대한 많은 관심과 문의에 대해 궁금증을 해소할 수 있는 자리를 마련한 것이라고 생각된다.”라며 “비처 협력사들은 오랜 제조 경험과 역량을 가지고 있고 지속적으로 비처의 기술지원을 받고 있기 때문에 고객사들이 원하는 자연냉매

및 다양한 냉동공조 압축기 솔루션에 대해 다른 어떤 제품보다 경쟁력을 갖고 있다.”고 언급했다.

권오영 위드 대표는 "우리는 비처 콘덴싱유니트를 수입공급하는 대리점 "이라며 "오늘 고객사들이 CO2 관련 기술과 비처의 CO2 컴프레서 관련 솔루션에 대해 심도있는 기술정보를 접할 수 있는 기회를 만들어 주신 비처코리아 관계자분들께 감사드린다."고 말했다. 

산업용 CO₂시스템, 사용압력 제한으로 대부분 캐스케이드 적용

이날 세미나는 BITZER HQ 상업용 냉동담당 얀 글루벨(Mr. Jan Grubel)이 BITZER의 CO₂ Technology와 지능형 IQ Products 주제로 3시간 가까이 진행됐다.

얀 그루벨(Jan Grübel) BITZER HQ 상업용 냉동담당은 “우리는 지구와 아이들의 미래 또 우리와 함께 사는 생물에 대한 상호 책임이 있는 만큼 기후변화에 대응하기 위해서 자연냉매 그중에서 CO₂를 냉동산업의 다양한 솔루션에 전반적으로 사용해야 한다”라며 자연냉매 도입 필요성과 비처의 자연냉매 솔루션 및 응용사례, 한국에 적합한 CO₂ 솔루션에 대해 소개했다.

몬트리올 의정서 및 키갈리 개정안 감축 시나리오에 따라 유럽은 이미 R22 사용을 중단했고 한국도 2035년까지 R22 사용이 금지될 예정이다.

얀 그루벨(Jan Grübel)은 “이제 지구온난화로 인한 환경 파괴의 접근에서 GWP가 낮은 또는 ‘0’인 냉매 사용이 필수불가결하다.”라며 “슈퍼마켓이나 물류창고 등과 관련해 새로운 F가스 규제가 부상할 예정이기 때문에 GWP가 낮은 자연냉매(CO2)는 좋은 선택지가 될 것”이라고 언급했다.

기후변화 대응과 온실가스 감축 차원에서 냉동공조 산업의 역할은 GWP 및 ODP가 높은 냉매 등 오존층 파괴물질 사용을 줄이는 것인데 그리 쉬운 일은 아니다. R404A, R410A 및 R22를 대체 가능한 대부분의 낮은 GWP 냉매는 인화성을 가지고 있기 때문이다.

에탄(Ethan)이나 메탄(Methane) 계열은 성능이 우수한 냉매지만 H 성분이 인화성을 증가시켜 인화성이 매우 높다. 여기서 H를 Cl로 대체하면 비등점이 높아지고 인화성이 낮아지지만 CL 성분은 오존층을 파괴한다. 또 Cl을 F로 대체하면 비등점이 낮아지고 안정성이 높아지지만 F 성분은 GWP를 증가시킨다.

얀 그루벨(Jan Grübel)은 “냉매 선택시 GWP를 낮추는데 초점을 맞추면 가연성이 높아지고 안전성 문제, 제품 규정, 적용 규제, 기술적 및 서비스 노하우, 안전장치 관련 추가비용 발생 등 우리 업계가 마주한 냉매 선택의 딜레마”라며 “유럽에서도 아직 이에 대한 갑론을박이 벌어지고 있다.”고 전했다.

몬트리올 의정서 키갈리 개정안에 따른 규제는 전 세계적으로 동일하게 적용되는 것은 아니며 각국 상황에 따라 규제가 진행되고 있다.

아시아 지역에서 R22 냉매의 단계적 감축은 이미 진행 중이며 각 국가별로 HFC 및 HFO 냉매 사용(수입)에 대한 기준점을 설정하고 있다. 특히 아시아지역 중 호주, 뉴질랜드, 싱가폴 및 일본은 F-가스 감축을 위한 규제를 이미 시행하고 있으며 다른 아시아 국가에서도 늦어도 2030년에는 F-Gas 규제가 시작된다.

유럽 F-Gas 규제는 R32 냉매(일본 OEM의 전략에 위험요소)가 대량으로 사용되는 것을 허용하지 않으며, 더 많은 자연냉매 사용을 권고하고 있다.

얀 그루벨(Jan Grübel)은 “현재 유럽의 F-가스 규제와 같이 앞으로의 규제는 특히 대형 AC OEM 업체에게는 큰 부담이며 이러한 규제는 냉동산업의 이익과는 반대로 작용할 것”이라며 “냉동공조 산업계가 새로운 냉매인 ‘자연냉매’에 접근하기 위해서는 시스템 설계부터 제작, 운용까지 솔루션 전반에 대한 지식과 기술 교육이 선행돼야 한다.”고 말했다.

자연냉매는 보통 냉매와 달리 안전한 취급 및 장비, 인화성에 대한 안전 규정이 필요하다. 또 기술적으로 냉매 충전량이 작은 시스템 설계, 냉매 누설량 최소화, 냉매회수 및 재생 확대 등도 중요하다.

특히 독일 등 유럽과 같이 정부 차원의 자연냉매 보급 확대 정책도 뒤따라야 한다. 독일의 경우 슈퍼마켓 등에 자연냉매 사용을 장려하기 위해 최대 30% 설치 보조금을 지원하고 있다.

CO2 냉매, 인화성, 독성 없고 안정성 뛰어나... 냉매 규제 관련 장기적 관점에서 고려

얀 그루벨(Jan Grübel)은 △탄화수소(HC) △암모니아(NH3) △이산화탄소(CO₂) 를 대표적인 자연냉매라며 소개했다.

‘탄화수소(HC)’는 냉동업계 잘 알려져 있다. 무독성 탄화수소(HC)는 오존 손상과 관련된 CFC/HCFC/HFC의 환경 친화적 대안으로 적용되고 있다.

HCFC의 단계적 폐지와 관련해 탄화수소는 1990년부터 냉장고와 냉동고에 사용되고 있다.

HC계열인 이소부탄(R600a)은 가정용 냉장고 및 냉동고에서 가장 많이 사용된다. 프로판(R290)은 상업용 히트펌프, 에어컨, 냉동 및 냉동기 응용분야에서 일반적이다.

하지만 탄화수소의 인화성은 HFC 냉매보다 더 높은 수준의 안전성을 요구한다. 석유화학 산업 분야의 경우, 지속적으로 사용되고 있지만 방폭을 위한 고도의 안전조치(방폭설계)는 화학 회사의 표준 요구사항이기도 하다.

암모니아(NH3)는 1908년 냉매 특허를 받았다. 그리고 1913년 프리츠 하버(Fritz Haber)와 칼보쉬(Carl Bosch)는 원소로부터 암모니아를 최초로 대규모로 합성하는 데 성공했다.

현재 전세계적으로 1억 2500만톤의 암모니아가 생산되고 있어 가용성이 높고 우수한 열역학적 특성 및 높은 효율을 지니고 있다.

하지만 암모니아 냉매(R717)는 부식성, 독성, 인화성에 있어 L2 그룹에 속한다. 특히 암모니아는 작동 압력이 다소 높고 인체에 해로운 특성을 지니고 있어 여전히 엄격하고 까다로운 검사기준으로 인해 사용에 제약이 있다.

또다른 자연냉매인 CO₂는 많은 장점이 있다. 오존파괴지수(ODP) 0, 지구온난화지수(GWP) 1로 친환경적이며 인화성, 독성이 없어 냉매 규제와 관련해 장기적으로 고려할 수 있는 냉매다. 또 온난화 기술에서 COP가 양호해서 전력 소비량이 적다.

CO₂ 냉매는 높은 체적 성능과 열전달 계수로 더 작은 압축기와 콘덴서 및 증발기 사용이 가능하고 압력 강하도 낮아 용기류와 배관 등의 사이즈도 줄일 수 있다. 낮은 냉매 순환량도 장점이며 특히 맥주에도 포함됐기 때문에 당연히 안전성이 뛰어나다.

하지만 CO₂ 냉매는 오랜 역사를 가지고 있는 반면 상당히 압력이 높아 안전성 문제도 있다. 열역학적으로 임계온도가 31.1℃로 낮아 토출압력 및 가스냉각 출구온도가 높게 운전되는 시스템에 불리하다. 또 삼중점이 –56℃로 높아 최소 증발온도가 제한되고 공기보다 무거워 누설시 바닥에 가라앉고 냄새로 감지할 수 없다.

얀 그루벨(Jan Grübel)은 “그래서 기계실 장치가 법적으로 요구되며 고압 안전스위치, 수액기 보온, 압력 팽창탱크, 보조냉각장치 등 충분한 안전장치와 능동적인 환기시설도 필요하다.”고 언급했다.

CO₂ 냉동사이클은 초임계와 미임계로 구분된다. 기체인지 액체인지 정확히 알 수 없는 상태를 임계점이라고 하는데 여기서 100bar 이상 압력에 도달할 수 있다.

CO₂는 31.1℃에서 임계점에 도달한다. 이 온도에서는 액체의 밀도와 기체 상태의 밀도가 같아지며 결과적으로 두 상 사이의 구별이 사라지고 새로운 상이 나타나게 되는 초임계 상태가 된다.

BITZER 2022년 11월 기준 상업용 냉동분야에 265,000대 이상 CO₂ 압축기 판매

산업용에서 사용하는 CO₂시스템은 사용할 수 있는 압축기, 컨트롤, 밸브와 같은 적용 가능한 구성품들이 사용압력에 제한이 있기 때문에 대부분 캐스케이드시스템이 적용되고 있다.

BITZER의 미임계 시스템의 경우 △중온 및 저온 개별식 캐스케이드 HFC-CO₂ 냉각 시스템 △중온/저온 HFC-CO₂ 캐스케이드 시스템 △CO₂ 캐스케이드 + 펌프 순환방식 등의 조합 시스템으로 설계할 수 있다.

초임계 시스템은 △초임계 단단 압축 시스템 △1세대 초임계 캐스케이드 시스템 △2세대 초임계 부스터 시스템 △3세대 초임계 부스터 시스템 + 병렬압축 △초임계 이젝터 시스템 등으로 설계 가능하다.

CO₂냉매를 사용하는 시스템은 다양한 용도로 사용되고 있다. 특히 식품매장용 냉동시스템이나 산업용 냉동, 온수용 히트펌프 등에서 많은 성과를 내고 있다. 식품매장용 냉동에서는 CO₂를 가장 적게 배출할 수 있는 친환경 냉매로, 산업용 냉동에서는 암모니아의 위험성과 효율을 증대시킬 수 있는 대안으로 대두되고 있다.

얀 그루벨(Jan Grübel)은 “BITZER는 2022년 11월 기준 주로 상업용 냉동분야에 265,000대 이상 CO₂ 압축기를 판매했고 철도 등 수송용 및 경산업용 응용분야에도 순조롭게 공급을 진행 중”이라며 “BITZER는 CO₂ 애플리케이션용으로 미임계, 초임계 압축기 등 다양한 제품군을 공급하고 있다.”고 소개했다.

BITZER는 미임계 CO₂ 애플리케이션용 압축기로 SL시리즈와 ME시리즈를, 초임계 CO₂ 애플리케이션용 압축기로 ECOLINE CO₂(TE 시리즈)와 고효율 LSPM 모터(ECOLINE+)를 라인업하고 있다. 여기에 외장형 인버터 시리즈 ‘VARIPACK’과 지능형 ‘IQ 모듈’, 압력용기로 수액기(K시리즈)와 쉘-앤-튜브 가스쿨러를 적용할 수 있다.

미임계 CO₂ 애플리케이션용 SL시리즈는 2.7~80kW(-35°C/–5°C) 범위의 냉각 용량을 가지며, 규격 범위(토출량) 내에서 19가지 모델이 구비돼 있다. 하우징과 구동 기어를 한층 강화했고 최고 15°C의 응축 온도를 고려해 특별히 조정된 모터 외에도 에너지 효율이 개선된 점이 특징이다.

그 밖에도, 사용 한계가 더 높은 응축 온도까지 확장된 동시에 고압 및 저압 측(53/30bar)에서 허용 압력 부하가 확장됐다.

미임계 CO₂ 애플리케이션용 ME시리즈는 토출량 17가지 모델과 2-실린더,4-실린더 및 6-실린더 3가지 하우징 사이즈 등을 갖추고 있으며 높은 정지 압력(100/100bar), 고효율, 원활한 작동 및 높은 신뢰성을 갖추고 있다.

얀 그루벨(Jan Grübel)은 “최근 열회수가 점점 더 중요해지면서 특히 독일의 경우, 가정용이나 산업용 냉동공조 시스템 관련해서 열 근원과 관련한 규정을 변경하고 있다.”라며 “그런 점에서 볼 때 BITZER의 8실린더 초임계 CO₂ ECOLINE ‘CKHE7’은 최적의 솔루션이 될 것”이라고 소개했다.

VARISTEP, 부분부하 및 무부하 기동 기능 갖춰

초임계 CO₂ ECOLINE ‘CKHE7’은 토출량 범위 69.4~99.2m3/h(50Hz 기준)의 두 가지 모터 버전으로 공급된다. 운전 압력(LP 80bar, HP 150bar) 범위가 높아 초임계 및 미임계 운전모드로 적용이 가능해 어플리케이션 범위가 넓다. 검증된 플레이트 설계로 유량 손실이 적고 고효율 운전이 가능하며 가스 맥동 및 진동, 오일비산 비율, 기동 전류 등이 낮아 최적화 운전 특성을 지닌다.

적용된 모터는 고효율, 스타트 델타 기동, 파트 와인딩(선택 사양) 최적화 설계와 신뢰할 수 있는 피스톤 및 커넥팅 로드 설계로 높은 신뢰성을 확보했다.

특히 기계식 용량조절 VARISTEP에 의한 CR운전(50/75/100%)과 최적화된 주파수 인버터 운전으로 완벽한 용량조절이 가능하다. 또 IQ 모듈을 통한 용이한 설치, 통합, 운전 및 서비스가 가능하고 서비스 친화적인 설계로 모든 주요 부품에 쉽게 접근 가능하다.

초임계 ECOLINE CO₂ 및 ECOLINE+ CO₂ 압축기는 높은 에너지 효율성과 낮은 오일 이송 비율 및 낮은 맥동 등이 특징이다.

특히 초임계 ECOLINE+ CO₂ 압축기는 고효율 직입기동 영구자석(LSPM) 모터를 적용했다. LSPM 모터는 유도 전류로 인한 발열효과로 Squirrel Cage 내의 전류 종속 손실이 없어 효율성이 높다.

얀 그루벨(Jan Grübel)은 “ECOLINE+ 시리즈는 초임계 CO₂ 적용 기계식 용량제어 VARISTEP과 지능형(IQ) 모듈을 통합해 다양한 시스템에 쉽고 빠르게 비용 효율적으로 구성할 수 있을 뿐 아니라 IQ모듈은 압축기를 위한 모니터링 옵션은 물론 보호기능이 강화돼 더욱 폭넓은 응용범위에 사용할 수 있다.”라며 “이러한 새로운 기능을 통해 인버터를 사용할 경우에만 가능했던 수준인 시스템 효율을 표준 모델과 비교해 연간 10% 이상 향상시킬 수 있다.”고 강조했다.

이어 “CO₂와 같이 GWP가 낮은 냉매 사용 시 용량조절은 필수 항목이며 부분부하 및 무부하 기동 기능을 갖춘 VARISTEP은 새로운 게임 체인저가 될 것”이라고 강조했다.

VARISTEP 시스템은 실린더 스위치 오프를 기반으로 동작한다. 제어 피스톤에 의해 내부 바이패스가 열리고 체크 밸브까지 균압한다. 밸브 플레이트의 체크 밸브는 시스템의 HP 측에서 역류를 방지한다. VARISTEP은 무단계 작동을 위해 IQ 모듈에 의해 활성화 및 비활성화된다.

VARISTEP 적용하면 요구되는 냉각 용량에 완벽하게 부합하면서도 더 적은 수의 압축기로 시스템 구성이 가능하다. 또 높은 시스템 효율성을 위한 정밀한 흡입 압력과 더 적은 기동 및 정지 횟수, 더 높은 시스템 안정성, 열 회수 응용 시 문제 발생이 감소한다.

여기에 이젝터 또는 단열 가스쿨러(Adiabatic gas cooler)와 같은 효율성을 높일 수 있는 시스템과 연동 시 훨씬 더 쉬운 작동이 가능하다.

이어 얀 그루벨(Jan Grübel)은 △멀티 압축기 시스템 설계 권장 사항 △무단계 압축기 용량제어가 증발온도에 미치는 영향 △슈퍼마켓 중온 냉각시 인버터와 VARISTEP을 적용한 용량조절 방식 및 압축기 구성 솔루션의 예시 △전세계에 적용된 BITZER의 CO₂ 솔루션 등에 대해서 소개했다.