탄소중립의 기본은 화석연료를 줄이는 것이다. 이를 위해서는 열에너지의 근원을 화석연료가 아닌 데서 찾아야 하는데 세계 각국은 이를 위해 신재생 열에너지 확대를 위해 노력하고 있다. 우리 정부도 열에너지의 중요성을 인식하고 2050 탄소중립 에너지기술 로드맵에 열에너지 기술개발 전략을 수립해 한국기계연구원 등 출연기관과 세부과제를 추진하고 있다.

한국기계연구원에서 열에너지의 중심이자 R&D 활동을 선도하고 있는 곳이 열에너지솔루션연구실이다.

열에너지솔루션연구실 송찬호 실장은 “우리 연구실은 축적된 연구 경험과 전문 연구진의 뛰어난 능력을 바탕으로 우리가 직면하고 있는 탄소중립의 다양한 문제들을 해결하기 위해 히트펌프, 냉동시스템을 비롯한 다양한 열에너지 기술을 개발해왔고 새로운 기술개발을 추진하고 있다.”라며 “조만간 국내외 히트펌프 동향과 연구현황, 기술방향 등 미래 기술을 향한 연구원들의 의지가 반영된 ‘히트펌프 기술로드맵’도 발간할 예정이다.”라고 밝혔다.

국내뿐만 아니라 세계 열에너지 분야를 리딩하는 연구실로 거듭나고 있는 한국기계연구원 열에너지솔루션연구실 송찬호 실장을 만나 연구실의 대표적인 연구성과와 향후 R&D 방향 등에 대해 들어봤다.

한국기계연구원 열에너지솔루션연구실은 어떤 곳인지.

탄소중립 시대를 맞이해 한국기계연구원에서 점점 더 그 역할이 커지고 있는 열에너지솔루션연구실은 히트펌프를 필두로 열시스템 관련 다양한 업무를 수행하고 있다. 특히 ‘에너지설비의 고효율화로 탄소중립에 기여할 수 있는 시스템, 기기, 공정 관련 열에너지 토탈솔루션 제공’을 모토로 각 분야 전문 연구원 17명이 연구 활동에 매진하고 있다.

열에너지솔루션연구실의 주요 연구분야는 △히트펌프 등의 탄소중립 열시스템 기술 △열교환기 등의 열유체기기 및 열전달 향상 기술 △에너지 플랜트 및 에너지 저장시스템의 열공정 기술’로 나눌 수 있다.

각 연구분야를 세부적으로 살펴보면 ‘열시스템 기술 분야’는 친환경 냉매 개발을 동반한 고효율 냉난방 설비 개발, 산업공정 적용을 위한 고온 열공급용 히트펌프 개발 업무 등을 수행하고 있다. ‘열유체기기 및 열전달 향상 기술 분야’는 열교환기, 반응기 등의 요소 기기 개발, 열전달 촉진 기기 연구를 하고 있고, ‘열공정 기술분야’에서는 초고온 열저장 시스템 개발, 탄소자원화를 통한 대용량 장주기 에너지 저장 기술 개발, 카르노 배터리 요소기술 개발 등을 추진하고 있다.

열에너지솔루션연구실의 대표적인 업무분야는.

열에너지솔루션연구실의 활동은 크게 연구분야, 정책분야, 시험분야로 대별할 수 있다. 연구분야는 앞서 소개한 열시스템 기술, 열유체기기 및 열전달 향상 기술, 에너지 시스템의 열공정 기술로 각각 정부 정책 방향에 맞추어 국가과제를 수행하고 있다. 정책분야에서는 그동안 열에너지 정책 과제 보고서를 작성해 열에너지의 국내외 현황과 효율적인 활용 방안에 대해 제시해왔고 현재 진행 중인 히트펌프 기술로드맵을 조만간 완료해 단주기, 장주기에 걸쳐 히트펌프의 나아가야 할 방향을 제시할 예정이다.

또 한국기계연구원은 KOLAS 시험기관으로 특히 냉난방 분야는 우리 연구실에서 시험평가와 시험성적서를 발행하고 있다. 이러한 활동을 통해 국가 R&D를 주도하고 탄소중립에 기여하며 중소기업의 다양한 애로기술 등을 지원하고 있다.

세계 각국이 탈탄소화 산업을 강화하고 있는 가운데 냉난방용뿐 아니라 산업용 분야에서 히트펌프 시스템이 크게 부각되고 있다. 현재 국내외 동향은.

히트펌프 시장 규모는 조사 자료에 따라 차이가 있으나 2021년 기준 약 531억 달러(Markets and Markets, P-6413)이며 연평균 9.5%의 성장을 전망하는 매우 큰 시장이다.

지역별로 살펴보면 아시아-태평양 지역이 가장 크며 대부분은 중국에 집중되고 있는 것이 특징이다. 시장 성장률 측면에서는 북미 지역이 높고 유럽 지역도 연평균 약 18% 증가하며 급성장하고 있다. 다양한 열원 가운데서는 공기열 히트펌프의 비중이 가장 높은 것이 눈에 띈다.

국내 시장은 정부의 적극적인 친환경 정책으로 그 시장 규모가 증대되고 있다. 2020년 기준 국내 히트펌프 시장 규모는 20억 8300만 달러로 아시아-태평양 지역 내에서 12.5%를 차지하며 중국, 인도, 일본에 이어 4번째로 큰 규모로 연평균 약 8.5% 성장이 예상되고 있다.

분야별로 규모를 살펴보면 가정용/상업용/산업용의 비중이 각각 71%, 22%, 7%로 나타나며 20kW 이하 용량에 집중돼 있다.

열에너지솔루션연구실은 히트펌프 특히 산업용 히트펌프 관련해서 다양한 연구가 진행되고 있는 것으로 아는데.

우리 연구실에서는 지금까지 히트펌프와 관련된 다양한 연구를 수행해왔다. 특히 산업용 히트펌프와 냉동기에 연구를 집중하고 있다.

우선 120℃ 고온 히트펌프 개발과 관련해 ‘건물용/산업용 열에너지 네트워크 적용 단위 시스템 개발(2013~2018)’과 ‘산업공정용 120℃ 이상 스팀공급이 가능한 300kW급 고온 토출형 히트펌프 개발(2014~2018)’ 과제에서 열교환기, 스팀탱크 및 압축기 성능시험 등 120℃ 고온 스팀 생산을 위한 히트펌프 개발에 참여했다.

또 전 세계적인 온실가스 감축을 위한 노력에 냉동분야도 동참해 ‘Low GWP 냉매 대응 냉동시스템 원천기술 개발(2015~2020)’ 총괄주관을 맡아서 성공적으로 마무리했다. 최근에는 냉온수 동시생산 저온부(10℃), 고온부(90℃)의 350kW급 무급유 터보압축기를 개발하는 산업용 히트펌프 기술을 개발하고 있으며 이미 냉매로 자연냉매인 물(R-718)을 사용하는 350kW급 압축식 냉각기술 개발 과제도 2022년 완료한 바 있다.

현재는 알키미스트 과제인 ‘전기화학적 압축기를 이용한 화학흡착식 히트펌프 개발(2021~2025)’이 추진 중이다. 이는 COP 10 이상의 혁신적 냉난방 시스템을 개발하는 것으로 흡착소재/반응 및 열교환기/사이클 등의 전주기적인 개발을 목표로 하고 있다. 또 히트펌프의 작동 유체인 냉매를 직접 개발하기 위해 차세대 대체 냉매 개발과 성능평가 인프라 구축 과제(차세대 대체 냉매 및 고효율 냉난방기기 핵심기술 통합 운영 시스템 개발, (2021~2025)도 진행 중이며 여기에는 냉매의 물성평가, 안전성 평가 등의 연구 내용도 포함돼 있다.

올해 막 시작한 ‘1000RT급 ‘대온도차 히트펌프 운영기술 및 현장 실증’ 과제는 실제 산업공정에 적용하는 것으로 제품 개발 후 제지 건조 공정에 설치해 히트펌프 적용의 좋은 사례를 남길 것으로 기대된다.

향후 준비하고 있는 연구과제로는 열의 효율적인 저장과 활용을 포함하는 카르노배터리 시스템, 열에너지의 수요와 공급 사이를 효율적으로 운영하기 위한 열거래를 포함하는 열에너지 네트워크, 데이터 센터 등의 서버 액침 냉각, 자동차 배터리 열관리, 스마트팜 냉난방 시스템 등을 고려하고 있으며 관련된 기획 등의 업무를 수행하고 있다.

열에너지솔루션연구실에서 수행된 연구개발 성과는 어떻게 활용되는지.

연구과제 대부분은 기업체가 함께 참여하고 있다. 따라서 연구 성과들은 함께 연구한 참여 기업의 소중한 자산이 돼 상용화를 위한 초석을 다지는데 기여하고 있다.

연구는 제품개발 과제와 원천기술 과제로 나눌 수 있고 과제 성격에 따라 연구 결과의 활용도 나뉜다. 제품 개발 과제는 상용화를 고려해 보다 완성도 높은 제품 형태를 구현하는 반면 원천기술 과제는 핵심 기술에 초점을 두고 개발해 다양한 수요 기업에서 그 핵심 기술을 전수받도록 한다. 그래서 이러한 기술 및 제품 개발은 단기간에 이루어지지 않는다. 우리 연구실 모두의 끊임없는 연구와 그 노력의 결과들은 어느 정도 시간을 가지고 향후 기업체로의 기술 이전을 통해 연구원들의 노력이 완성된다고 생각한다.

국내 히트펌프 산업의 기술 수준은 어느 정도 위치에 와 있다고 생각하는지.

현재의 위치에서 보면 국내 히트펌프 산업의 기술수준은 매우 높다고 생각한다. LG전자, 삼성전자 등이 국내외 시장을 이끌고 있고 한국기계연구원, 한국에너지기술연구원, 한국생산기술연구원 등 정부출연 연구 조직도 매우 탄탄하다. 그러나 산업용 및 대용량 히트펌프, 냉동시스템은 해외 선진 기업체가 이끌어가는 형세이며 특히 일본 고베스틸의 경우 165℃ 스팀생산 히트펌프를 개발, 공급하고 있다. 특히 고베스틸은 다음 단계로 200℃ 산업용 히트펌프를 개발 중에 있다.

현재 국내 기술진은 160℃ 스팀 히트펌프를 정부과제로 시제품 개발 수준에서 진행 중이다.

세계 선두권 국가와 기술격차를 줄이기 위해서 어떤 점이 필요한지.

지난 8월 21일 독일 코트부스에 있는 DLR(독일 항공우주연구소)을 방문해 고온 히트펌프 개발 과제를 살펴보고 관련 연구 진행 상황에 대한 회의도 진행하고 돌아왔다. 이곳에서 는 이미 고온부 280℃를 목표로 하는 히트펌프 시작품을 만들었으며 조만간 시운전을 계획하고 있었다. 

그들뿐 아니라 유럽은 탄소중립을 위해 히트펌프가 매우 중요한 수단임을 인지하고 이에 대해 집중하고 있는 상황이다. 보다 고온 영역 달성을 위해 시스템을 구축하고 운전하면 서 관련 데이터를 축적하고 개선하는 모습을 볼 수 있었다. 
우리는 다소 출발이 늦었지만 올 초부터 300℃ 고온히트펌프 개발을 시작한 만큼 우리의 강점인 열교환기, 터보기기에 대한 놀라운 집중력으로 기술개발에 박차를 가한다면 충분히 동등 이상의 성능을 발휘하는 기술개발 성과를 이룰 것으로 생각된다. 
앞으로 상호 교류와 협력 관계를 구축해 이러한 긴장의 끈을 놓치지 않고 꾸준히 연구활동에 매진해야 할 것으로 생각된다.

향후 한국기계연구원 열에너지솔루션연구실의 역할이 더 커질 것 같다. 연구실 방향성에 대해서 한 말씀.

이제는 열에너지가 매우 중요한 키워드가 됐다. 작년 글로벌 기계기술 포럼의 주제가 ‘탄소중립 달성의 열쇠, 열에너지’였을 정도다.

열에너지의 중심을 선도하는 우리 연구실은 직면하는 탄소중립의 다양한 문제들을 해결하고자 노력하고 있다. 그 가운데에는 핵심 요소인 히트펌프가 중요한 역할을 하고 있고 그 외에 열에너지를 다루는 많은 기술을 개발 하고 있다. 지금까지 우리 연구실이 선도해 산학연 협력하에 히트펌프, 냉동공조 시스템에 있어서 많은 솔루션을 제공해 왔다.

우리 연구실의 축적된 연구 경험과 전문 연구진의 뛰어난 능력은 앞으로의 탄소중립 시대에 열에너지 산업 각 분야에서 중요한 촉매제 역할을 할 것으로 생각된다. 조만간 히트펌프 기술 로드맵을 발간할 예정이며 이러한 일련의 과정은 미래 기술을 향한 연구원들의 의지가 반영된 것으로 국내뿐만 아니라 세계에서도 열에너지 분야를 리딩하는 연구실이 되도록 전 연구진이 한층더 노력할 것이다.