박지훈 댄포스코리아 매니저는 ‘글로벌 냉매 동향 및 적용사례’ 발표에서 CO2의 필요성과 냉동공조 분야 중 냉동 관련 유럽 등 선진국의 냉매 트렌드 및 관련된 규제, 독일 슈퍼마켓(EDEKA Fausten) CO2솔루션 적용사례에 대해 소개했다.

박지훈 매니저는 “지금 전 세계적으로 냉매 트렌드를 가속화시키고 더 관심도가 높아지는 게 지속가능성과 관련된 기업의 성과를 평가하는 ESG(Environment, Social, Governance) 경영의 영향도 있다.”라며 “아직 선진국에서도 SG에 대한 규제나 준수기업 혜택 등이 논의 중이긴 하지만 조만간 선진국을 포함해 우리나라에서도 SG 경영에 대한 요구가 더욱 커질 것”이라고 말했다.

그러면서 “Environment는 지구온난화 관련 영역이고 냉매 트렌드를 선도하는 것 중 하나”라며 “지구 평균온도가 1.5℃만 올라도 환경 변화로 인류와 동식물이 살 수 없을 만큼 지구온난화를 가속화시키는데 그중 하나가 탄소이고 전 세계적으로 이 탄소배출량을 감축하는 게 화두가 되고 있다.”고 언급하며 냉동냉장 업계에서 탄소배출 감축에 기여할 수 있는 자연냉매인 CO2의 필요성과 댄포스의 CO2 냉동솔루션에 대해 설명했다.

CO2는 이미 오랫동안 가장 지속 가능한 천연냉매 중 하나라는 게 입증돼 있다. 또한 댄포스는 지난 20년동안 전 세계 기후변화에서 슈퍼마켓과 식품 및 소매 어플리케이션이 CO2를 이용한 냉동을 최대한 활용할 수 있도록 하는 혁신적인 솔루션을 개발했다. 일례로 덴마크의 한 슈퍼마켓에 CO2 냉매를 사용한 댄포스 솔루션에서 30% 이상의 탄소배출 감소 효과를 거둔 실증데이터가 보고되기도 했다.

박지훈 매니저는 CO2 냉매를 선택해야 하는 이유에 대해 △저온( T) 및 중온(MT) 요구사항을 동시에 만족해 시스템 복잡성 감소 △오존을 파괴하지 않고 가장 낮은 지구온난화지수(GWP) 냉매 △따뜻한 기후지역에서도 구현이 가능한 수익성 있는 솔루션 △모든 기후환경에서 에너지 효율성이 기존 C 시스템보다 우수하다는 점을 들었다.

특히 박 매니저는 CO2 냉매를 사용하면 “그 동안 냉장 및 냉동용으로 구분해 적용하던 냉매나 압축기 방식과 달리 하나의 냉매 서킷에서 중온과 저온을 동시에 사용할 수 있다.”는 점이 가장 큰 메리트라고 강조했다.

이어 “댄포스는 CO2를 이용한 냉동의 최일선에서 CO2 초임계 시스템에 필요한 솔루션을 개발해 전 세계에 설치하고 있다.”라며 △식품안전을 보장하면서 탁월한 에너지 효율성 △AE팀 지원 및 교육을 통해 필요에 맞게 제공 가능한 All-In-One 솔루션 △폐열회수를 통해 효율성 및 비용절감 솔루션 △모든 기후환경에서 최적화된 CALM™ 솔루션 등을 제공하고 있다고 댄포스의 CO2 냉동 솔루션에 대한 파트너십과 전문성을 어필했다.

박지훈 매니저는 최근 탈탄소화 지표로서 기존의 직접적인 CO2 배출 영향(냉매의 물성·GWP, 시스템의 신뢰성, 유지보수)에 더해 간접적인 CO2 배출 영향(전기/에너지 생산을 위한 탄소배출)까지 포함한 총등가온난화지수(Total Equivalent Warming Impact, TEWI)라는 개념이 부가되면서 HAVCR 산업분야에서 기후변화 대응 CO2 배출량 저감을 위해 ‘냉매 규제로 인해 낮은 GWP 냉매 솔루션 선택’ 및 ‘효율규제로 인해 에너지 성능’에 대한 요구사항이 높아지고 있다고 최근 트렌드를 소개했다.

TEWI에서 간접적인 CO2 배출 영향은 예를 들어, 동일한 용량의 냉동설비 중 전기를 더 많이 소비하는 냉동설비의 경우에는 전기 생산 시 탄소배출량이 적은 발전소인지 또 HVACR 업계에서는 에너지 효율(COP)이 높은 설비 등이 이에 해당된다.

2019년에 몬트리올 협약의 수정안으로 HFC계열 냉매의 전 세계적인 단계적 감축과 새로운 기술에 대한 투자를 장려하는 키갈리 수정안(Kigali Amendment: 르완다의 키갈리에서 발표됨)이 발표되면서 2023년 2월 기준 147개국(미국, 중국, 인도 포함)이 몬트리올의정서 및 키갈리 수정안을 비준했다. 한국은 AS국 그룹1에 소속돼 2020년까지 HFC 평균 생산·소비량+HCFC 기준수량의 65%가 기준 수량으로 정해져 2024년까지는 동결, 2029년 10% 감축, 2035년 30% 감축, 2040년 50% 감축, 2045년 80% 감축 일정이 잡혀 있다.

박지훈 매니저는 “유럽의 경우는 이미 거의 절반 이상 F-GAS(HFC 계열)에 대한 냉매 감축이 진행됐고 일본, 호주, 뉴질랜드의 경우는 슈퍼마켓 분야의 CO2 적용이 증가하고 초저온/천연냉매에 대한 ETS(탄소세)에 대한 조사가 가속화 되고 있다.”라며 “아직 한국을 포함한 인도, 동남아시아 국가들은 냉동냉장 분야에서 R22를 사용해도 무방할 정도로 냉매 규제 움직임이 거의 없는 실정이지만 우리나라의 경우 여러 가지 이유로 기존 F-GAS 감축 시나리오 보다는 좀더 앞당겨질 것으로 예상된다.”고 언급했다.

상업용 냉매는 초기 자연냉매를 시작으로 우수한 열역학적, 화학적 성질과 높은 안정성을 갖춘 CFC, HCFC(R22 등)계 냉매를 사용해 오다 이것이 오존층 파괴 물질로 밝혀지며 대체 냉매로 찾은 게 프레온계인 HFC(R134a, R404A, R507C 등) 냉매였다. 하지만 HFC계 냉매는 GWP가 상당히 높아 지구온난화를 가속화시키는 온실가스라는 게 밝혀지며 GWP 1500 이하나 GWP 750 이하인 냉매로 전환되고 있다. 이런 규제 흐름에 따라 현재 냉동냉장 분야에서는 R448A, R449A, R513A 냉매 등으로 전환이 이루어지고 있다.

박지훈 매니저는 “댄포스는 롯데마트 등 대형마트의 냉장냉동 어플리케이션에 R448A, R449A를 적용한 스크롤렉 솔루션 적용사례를 가지고 있다.”라며 “하지만 장기적 관점에서 볼 때 글로벌 시장의 GWP 목표는 150 이하로 HFO계 냉매인 1233zd(E)나 R290(프로판), CO2(R744), 암모니아 등 자연냉매로의 전환이 예상되는데 댄포스는 단기적인 R22 냉매 대응 솔루션부터 중장기적인 냉매 대응 솔루션을 구비하고 있다.”고 강조했다.

이어 “GWP 150 이하 냉매는 독성과 가연성이 있는 만큼 중장기적인 냉매 전환시 안전성에 주의가 필요하다.”라며 “이런 이유로 IEC에서 2019년 6월부터 가연성 냉매의 충진 한도를 A3 500g, A2L 1.2kg(일부 상업용 냉동기기)으로 제한하고 있다.”고 부연했다.

화염 특성에 따른 가연성 범주는 프로판(A3) 39cm/sec, HFC-152a(A2) 23cm/sec, HFC-32(A2L) 6.7 cm/sec, 암모니아(B2L) 7.2 cm /sec이다.

박지훈 매니저는 CO2 등 자연 냉매로의 전환 시기가 앞당겨 질 수 있다고도 언급했다.

박 매니저는 “중장기적인 대체냉매로 알려진 HFO/HCFO 화합물의 일부 구성 요소(H, F)에서 PFAS(Per-and polyFluoroAlkyl Substances)로 정의된 독성과 알러지 발생가능성(TFA, TriFluoacetic Acid) 우려가 제기되면서 최종 결과에 따라 2027년 HFO 냉매 사용 규제로 이어질 가능성도 있다.”라며 “여기에 GWP 제한으로 R32 등의 생산 중단 가능성도 있어 자연 냉매로의 전환이 좀더 빠르게 진행될 수도 있다.”고 전망했다.

이어 “기후변화에 관한 정부간 협의체(IPCC)는 CO2에 대한 영향을 기준으로 한 새로운 GWP 계산방식 변경 움직임도 있다.”라며 “이 기준에 따라 HFC 분자의 영향이 남아 있는 동안 CO2 분자의 영향이 감소하면 GWP는 증가하게 돼 향후 R454C 및 R455A는 GWP 148→166로, R32는 GWP 675→771로, R454B는 GWP 466→531로 증가하게 돼 R454C, R455A 등 일부 냉매의 경우 GWP 150 이하 냉매로 사용하기 애매할 수 있다.”고 언급했다.

CO2 초임계 시스템 적용 사례- 독일 슈퍼마켓 'EDEKA Fausten'

박지훈 댄포스코리아 매니저는 CO2 초임계 시스템 적용 사례로 독일 슈퍼마켓 ‘EDEKA Fausten’을 소개했다.

DEKA Fausten 슈퍼마켓은 2019년 CO2 초임계 사이클로 구성된 냉동 유니트를 도입해 현재까지 안정적으로 가동 중이다.

냉동부하는 중온용(MT)이 -10℃에 70kW, 저온용( T)이 -32℃에 16kW 용량이다. 가스 쿨러는 3Way 비례제어 밸브를 활용해서 히트펌프 역할까지 수행한다.

이 슈퍼마켓의 CO2 초임계 유니트에는 중온용 압축기(3대)와 저온용 압축기(3대) 각각 한 대씩에는 인버터(Variable Speed Drive, VSD)를 적용했다. 또 중압 형성을 도와주는 IT압축기에도 VSD 모델을 적용했다. 가변속도는 약 30~70Hz 정도로 동일하다. 증발기 용량은 냉장용 70kW, 냉동용 16kW 정도다.

시스템 구성은 폐열 회수를 위한 열교환기, 가스쿨러의 압력을 제어하는 고압팽창밸브(CCMT 16), CTM 콤비 이젝터, 수액기, 어큐뮬레이터 등이다.

박지훈 매니저는 “이 사례는 병렬 압축기로 구성된 중대형 상업용 냉동 시스템을 위한 최적의 솔루션”이라며 “부하 및 유량 변동을 처리하기 위해 복수개의 전자식 코일로 용량제어가 가능한 댄포스 콤비 이젝터가 적용됐다.”고 말했다.

이어 “CO2 냉동기가 설치된 독일 지역은 북유럽으로 연평균 온도가 우리나라보다 5~7℃ 정도 낮다. 이런 기후 조건에서도 월별 에너지 소비량을 측정했을 때 약 19% 정도 에너지 절감효과가 확인됐다.”라며 “사계절이 뚜렸하며 여름이 매우 덥고 겨울이 매우 추운 우리나라 기후 조건에서는 30% 이상의 에너지 절감 효과를 기대할 수 있을 것”이라고 언급했다.

댄포스의 CO2 초임계 사이클용 이젝터는 고압용 이젝터, 저압용 이젝터 그리고 댄포스의 최신 이젝터 기술이 적용된 CALM(CO2 Adaptive Liquid Management) 솔루션이 있다. CALM은 압축기 보호를 위해 제로(0) 과열도로 증발기를 제어하는 동안 어큐뮬레이터의 액냉매 수위를 정밀하게 반복 제어한다.