일본은 2050년 카본 뉴트럴(2050년까지 온실효과 가스 배출 실질 제로)을 목표로 선언함에 따라 향후 탈탄소화를 향한 대처가 더욱 가속화될 것으로 예상된다.

탈탄소화를 위해서, 우선은 에너지 수요의 전기화와 전원의 탈탄소화를 진행시키는 것이 중요하다. 단, 전기화가 어려운 에너지 수요에 대해서는 카본프리 수소나 합성연료를 이용하지만 그럼에도 배출이 불가피한 CO2는 회수해 재사용 또는 땅속에 저류하는 것이 요구된다.

미전화(未電化) 에너지 수요의 대부분은 열 수요이며, 특히 산업부문의 열 수요가 크다. 산업부문의 온도대별 열 수요(〈그림 1〉)을 보면 200℃ 이상의 고온 열 수요의 대부분은 철강·금속·시멘트·화학 등 에너지 다소비형 산업에 한정돼 연소 가열(버너)로서의 이용 형태가 많다.

한편 200℃ 미만의 열은 산업부문 전체 열수요의 27%를 차지하며 다양한 산업에서 수요가 있다. 그중 증기가열(보일러)로서의 이용 형태가 많은 것으로 나타났으며 이 온도대에서 적용이 기대되는 기술이 바로 히트펌프다.

산업용 히트펌프란

이 자료에서는 가장 많이 이용되고 있는 전력구동 증기압축식 히트펌프를 대상으로 한다.

산업용 히트펌프는 비교적 소량의 전력을 투입해 열을 끌어올리는 기술이다. 우리 주위에 친숙한 것으로서 에어컨 난방이나 히트펌프식 급탕기 등에 많이 활용되고 있다.

이러한 민생용 히트펌프는 사람에 있어서 쾌적성을 얻기 위해 이용되지만, 산업용 히트펌프는 생산공정에서 소정의 품질을 얻기 위해 물건의 가열에 이용되는 히트펌프다. 사물의 가열에는 세정·살균·건조·증류·농축 등의 다양한 용도가 있으며, 더욱이 건조라고 해도 사물에 따라 필요한 온도는 크게 다르다. 따라서 산업용 히트펌프에는 다양한 용도로 적용할 수 있도록 폭넓은 사양(공급온도 및 가열능력), 제품 라인업이 요구된다.

냉온 동시 이용과 배열회수

〈그림 2〉에 히트펌프의 성능(COP)과 산업용 히트펌프의 「냉온 동시 이용」과 「배열 회수」의 2가지 특징을 설명한다.

히트펌프의 성능은 투입한 전력량에 대해 얻을 수 있는 열량의 비로 정의되는 COP로 표현된다. 냉동기(그림 내 ‘Ref’)에서는 투입전력량 1에 대해 3의 냉각 열량을 얻을 수 있는 경우, 그 COP는 3이다. 덧붙여 투입전력량과 얻어진 냉각 열량을 합한 4의 열량은 외기로 방출된다.

한편, 외기열원 급탕용 히트펌프(그림 중 ‘HP’)는 투입전력량 1과 외기에서 채열량 3을 합한 열량 4가 물을 데우는 열량이 되고 COP는 4가 된다. 즉 같은 온도차(=온도 리프트)를 끌어올릴 경우, 일반적으로 냉각보다 가열 쪽이 COP는 높다.

다음으로 급탕보다 열수요 온도가 높은 살균의 경우를 생각해 보면 열원이 같은 외기온도일 경우 온도 리프트가 커지는 살균이 급탕보다 COP는 낮아진다. 그러나 온도 리프트가 커져 가열 COP가 2.5일지라도 열원 측을 냉각에 활용할 수 있다면 냉각 COP의 1.5를 더해 종합 COP가 4인 시스템을 구축할 수 있다.

공장에서는 가열과 냉각 수요가 동시에 존재하는 경우가 있어 히트펌프에 의한 냉온 동시 이용을 효과적으로 활용할 수 있다.

살균보다 더 열수요 온도가 높은 건조를 외기열원 히트펌프로 하려면 COP는 낮아진다. 그러나 많은 건조 공정에서는 건조 후 배기를 그대로 외기로 방출하는 경우가 많아 그것을 열원으로 활용할 수 있다면 비교적 낮은 온도 리프트가 되며 COP가 4인 시스템도 구축할 수 있다.

즉, 외기보다도 높은 온도의 배열을 회수함으로써 양호한 COP에서 고온 공급도 가능해진다.

요구되는 COP

여기서는 히트펌프에 요구되는 COP에 대해 설명한다. 요구 COP는 ①경제성, ②에너지 절약성, ③CO2 배출 삭감의 3가지 관점에서 정해진다. 많은 나라에서 요구 COP가 높은 순서대로 ①>②>③이며, 경제성으로 결정되는 것이 현실이다.

〈그림 3〉에 주요국의 산업부문 전력과 천연가스 에너지 가격비(E/G)와 전력의 CO2 배출계수를 나타낸다. 덧붙여 전력요금과 가스요금에는 세금이나 재생가능에너지 부과금 등도 고려돼 있다.

중략

2023년 11월호 해외기술동향 참조