산업용 냉동·냉장 'CO2 초임계 시스템'이 국내 최초로 상용화 개발돼 적용됐다.

한국마이콤은 11월 22일 서울 용산역 그랜드 머큐어 앰버서더 랑데브홀에서 국내 최초로 선보인 산업용 냉동·냉장용 CO2 초임계 시스템 ‘MC-ECO2 신제품 발표회 & 초청세미나’를 업계 관계자 150여 명이 참석한 가운데 성황리에 개최했다.

오무라 토시오 한국마이콤 대표는 환영사를 통해  “올해 창립 50주년을 기념해 탄소중립 사회 실현을 위한 한국마이콤의 신제품인 MC-ECO2를 소개하게 돼 기쁘게 생각한다.”라며 “한국마이콤이 50주년을 맞이하고 새로운 제품을 출시할 수 있게 해주신 고객 여러분께 감사 말씀드린다.”고 말했다.

이어 “CO2 초임계 시스템 ‘MC-ECO2는 지구온난화로 인한 이상기후 및 자연재해에 대한 심각성이 커지면서 환경에 대한 영향을 최소화한 친환경·고효율 시스템으로 평가받고 있다.”라며 “국내 최초의 산업용 CO2 단일냉매 시스템으로 보다 다양한 시장에 적용할 수 있도록 제품 라인업 확장을 위해 새로운 모델도 개발 중에 있다.”고 언급했다.

한국마이콤의 CO2 초임계 시스템 ‘MC-ECO2’는 개발 당시 제품명 노벨(NOBEL)을 내부 브랜드 운영방침에 따라서 마이콤(MYCOM) 콤포넌트(Component)의 약자인 MC 시리즈(MC 500 및 MC 1200) 등과 통일감을 위해 MC-ECO2로 변경했다. 또 MC-ECO2에서 ECO2는 ECO와 CO2의 합성어로 자연냉매 CO2를 단일 냉매로 채용한 친환경 시스템이란 의미를 담고 있다.

‘MC-ECO2’는 올해 초 특허 등록을 완료했으며 현재 200평 규모 냉장창고용 MC-ECO2 C70(16.71RT)과 500평 규모 냉동창고 및 식품동결용 MC-ECO2 F140(47.94RT)이 라인업돼 있다. 올해 초 두 모델 1호기가 O사와 D사에 납품돼 현재 안정적으로 가동 중에 있다.

이날 행사에서는 △프레온 냉매 전환의 솔루션(플랜트 영업부 김창한 팀장) △CO2 초임계 시스템과 국내 설치사례(플랜트 기술부 이창준 부장) △일본 콜드체인의 CO2 초임계 시장 현황과 향후 전망(일본 마에카와제작소 후지카기 노리히토)의 발표가 이어졌다.

한국 탄소배출량 심각한 수준...프레온 냉매 사용 경각심 가져야

김창한 한국마이콤 플랜트 영업부 팀장

김창한 팀장은 ‘프레온 냉매 전환의 솔루션’ 발표에서 이제 프레온 냉매 사용을 멈추고 자연냉매를 선택해야 하는 이유와 글로벌 냉매 트렌드에 대해 소개했다.

세계적으로 기후변화에 대한 심각성이 고조되면서 안토니우 구테흐스 UN사무총장은 지구온난화를 ‘지구열대화’로, 기후위기를 ‘기후지옥’로 표현하기도 했는데 이러한 환경문제의 가장 큰 원인은 우리 산업에서 냉매로 가장 흔하게 쓰이고 있는 HFCs를 포함한 6대 온실가스다.

김창한 팀장은 “한국은 2021년 기준 616백만 톤(MtCO2)의 탄소를 배출하는 세계 10위 탄소배출 국가로서 기후변화 영향도 기온 상승폭 1.6℃, 표층수온 상승폭 1.23℃, 해수면 상승폭 2.97℃로 전 세계 평균보다 높다.”라며 “현재 한국의 탄소배출량과 기후변화 영향은 심각한 수준으로 프레온 냉매 사용에 대한 경각심을 가져한다.”고 언급했다.

이어 “전 세계적으로 프레온 냉매는 오존층파괴물질, 지구온난화물질로서 몬트리올의정서(1987년), 교토의정서(1997년), 키갈리 개정서(2016년) 등에 의해 생산 및 사용이 규제되고 있다.”라며 “A5 그룹1 국가에 속한 한국은 2030년까지 R-22 등 HCFCs를 전폐, 2029년부터 2045년까지 R-404A, R-507A 등 HFCs를 80% 감축해야 한다.”고 밝혔다.

한국의 HFCs냉매 온실가스 배출량은 2022년 약 5,060만 톤으로 2015년(804만톤) 기준 연평균 30% 이상 증가했다. 이 수치는 한국의 산업공정 온실가스 배출량(2020년) 4,850만 톤보다 많으며 HFCs의 배출량은 내년부터 국가 온실가스 인벤토리 보고서에 반영될 예정이다.

김창한 팀장은 “2024년부터 국가 온실가스 인벤토리 보고서 HFCs냉매 배출량이 포함되면 혼합냉매인 R-404A, R507A, R-448A, R-449A도 규제물질이 포함돼 있는 만큼 GWP 기준 수입쿼터 진행으로 인해 수입량의 제한과 원재료 가격상승으로 HFCs냉매 단가 상승이 우려된다.”라며 “정부는 국정감사 서면질의 답변에서 내년부터 국가 인벤토리 합산 및 GWP 규정 신설 등 HFCs 규제가 시작되는 것에 대한 산업계 경쟁력 확보를 위해 자연냉매 설비 전환 지원책을 적극적으로 검토하겠다.”고 전했다.

이어 “4세대 HFOs 냉매는 지구온난화 이슈로 GWP를 낮춰 탄소배출량 감소를 위해 개발된 대체냉매로 순수 HFOs 냉매는 다소의 인화성이 있지만 GWP가 10 미만이다.”라며 “하지만 최근 쉽게 분해되지 않고 환경 및 인체에 잔류해 호흡기 질환 등을 유발하는 독성물질로 PFAS(Per-and polyfluoroalkyl Substances)에 의해 새로운 규제물질로 분류되면서 유럽과 미국에서는 관련 규제를 준비하고 생산 및 사용을 제한하고 있다.”고 언급했다.

김창한 팀장은 “우리가 사용하고 있는 대부분의 냉매가 PFAS 규제물질에 해당되는 만큼 환경보호와 안전 확보를 위해 자연냉매 선택의 중요성 커지고 있다."라며 "향후 노후 설비 교체시에도 의무적으로 자연냉매 설비를 고려해야 한다.”고 강조했다.

 CO2 초임계 시스템 'MC-ECO2...법적 허가, 안전관리자 선임 필요 없어

이창준 한국마이콤 플랜트 기술부 부장

이창준 부장은 ‘CO2 초임계 시스템과 국내 설치사례’ 발표에서 CO2를 이용한 초임계 냉동시스템에 대한 냉동장치와 시스템, 그리고 한국마이콤에서 개발한 CO2초임계 냉동기 MC-ECO2 시리즈 설치 사례에 대해 소개했다.

CO2는 지구온난화지수(GWP 1)와 오존층파괴지수(ODP 0) 걱정 없이 사용이 가능한 친환경 자연냉매로, 다른 냉매에 비해 삼중점은 높고 임계온도(31.1℃)가 낮으며 기화잠열이 높아 냉각효율이 좋고, 암모니아와 달리 불연성, 무독성 물질이다.

이창준 부장은 “이런 장점으로 현재 CO2 냉동장치 시장은 유럽, 일본, 미국, 캐나다에서만 65,000여 개소에 설치되는 등 2021년 대비 40% 이상 폭발적인 성장세를 기록하고 있으며 올해도 성장세를 이어갈 것으로 전망된다."고 말했다.

유럽은 2004년경 스위스 모 슈퍼마켓에 CO2 냉매를 사용한 제품이 처음 설치된 후 2021년 40,000개소, 2022년 57,000여 개소에 CO2 냉동장치가 설치됐으며 뒤를 이어 일본은 6,960개소, 미국과 캐나다는 약 2000여 개소에 설치됐다.

유럽의 경우, 일반적인 냉동장치보다는 쇼케이스, 편의점이나 슈퍼마켓의 냉장고 등에 많이 사용되고 있다.

이창준 부장은 “최근 CO2냉매 전 세계적 사용 트렌드는 기존의 쇼케이스 등 작은 냉동장치 뿐 아니라 규모가 큰 냉동장치나 창고의 냉각장치로 적용범위가 확대되고 있다.”라며 “암모니아의 사용을 꺼리거나 어려운 곳에서는 CO2 단일냉매 시스템인 CO2 초임계 시스템을 적용할 수 있다.”고 강조했다.

한국마이콤은 10여 년 전부터 1차 냉매로 암모니아, 2차 냉매로 CO2 브라인을 사용한 ‘CO2 브라인 시스템(MC시리즈, MC-500, MC-1200)’을 한국에 설치해 운영하고 있다.

‘CO2 브라인 시스템(MC-500)’은 기계실에 암모니아 냉매를, 냉동실이나 냉장실에 CO2를 2차 냉매로 적용한 구조다. 암모니아 대신 R-507나 R-404A 등 프레온 냉매로 대체도 가능하다.

이창준 부장은 “MC-500 같은 경우, 독성이 있는 암모니아는 기계실에만 사용하고 또 최소량만 충전할 수 있는 제품으로 개발해 보급하고 있었다.”라며 “이번에 새로 선보인 MC-ECO2는 2차 냉매가 아닌 초임계 냉각 시스템을 통해서 기계실에서 암모니아를 사용하기 힘든 곳이나 냉매 규정으로 프레온 냉매 사용이 어려운 곳에 자연냉매 CO2를 단일 냉매(1차 냉매)로 적용할 수 있다.”고 밝혔다.

이어 아임계 시스템은 운전시 응축을 하지만 초임계 시스템은 운전시 가스냉각을 하는 차이점이 있다고 설명했다.

기존 냉각 및 냉동장치와 동일한 아임계 시스템은 외기온도가 26℃ 보다 낮을 때, 응축온도가 31.1℃ 이하일 때인 임게점 아래에서 운전하고 초임계 시스템은 외기온도 26℃ 보다 높을 때, 가스쿨러 출구온도가 31.1℃ 이상인 임계점 위에서 운전한다.

이창준 부장은 “압력이 낮으면 낮을수록 좋은 아임계 시스템과 달리 초임계 시스템 운전에서는 적정 압력을 유지하는 것이 중요하다.”라며 “한국마이콤이 새로 선보인 신제품 MC-ECO2는 국내 최초의 CO2 초임계 냉동기로 특허출도 완료했다.”고 강조했다.

MC-ECO2는 탄소중립, ESG경영을 위한 친환경 설비로 전기요금 30% 이상 절감할 수 있는 고효율 장치다. CO2는 편의점에서도 사용되는 안전한 시스템으로 법적 허가나 안전관리자 선임이 필요 없다.

이창준 부장은 “CO2 초임계 시스템 ‘MC-ECO2’는 냉장창고용 C70 모델과 냉동창고 및 식품동결용 F140 모델이 개발, 라인업돼 있으며 무 모델 모두 올해 초 적용돼 시운전 완료하고 현재 안정적으로 가동되고 있다.”라며 “향후 시장 상황에 맞춰 F30(14.8RT), F70(19.8RT) 등 추가 모델을 개발, 선보일 예정이다.”라고 언급했다.

MC-ECO2 C70 모델은 법정냉동능력 16.71RT, 고내온도 –5~+10℃의 냉장창고에, F140 모델은 법정냉동능력 47.94RT, 고내온도 –35~-25℃의 냉동창고에 적용 가능하다. 시스템 구성에서 가스쿨러와 고압제어밸브가 최적의 COP를 구현할 수 있는 장치이며 C70 모델에는 메인압축기와 페러렐압축기,  F140 모델에는 전단압축기,  고단압축기가 적용돼 있는 게 차이점이다.

기존설비와 전력비 사용량을 비교한 한 결과 C70과 F140의 전력비 절감효과는 상당히 큰 것으로 나타났다. 전력사용량은 기존 냉동기는 과거 데이터와 비교해 동절기, 중간기 사용량을. C70와 F140은 올해 하절기 측정값에 계절별 COP를 반영해 계산했다. 기준 전기요금은 C70은 140.2원/kWh, F140은 162.3원//kWh을 적용했다.

O사 냉장창고(0℃)의 경우, 150평 규모로 제품 입출고량은 하루 120톤이다. 기존 R-22 수냉식 37kW 냉동기(2세트)를 MC-ECO2 C70(1세트)으로 교체한 후 연간 전력사용량은 34.8만kW/일에서 19.2만kW/일로 연간 45% 절감해 전기요금은 연간 2,200만원 절감효과를 거둔 것으로 나타났다.

D사 냉동창고(-20℃)의 경우, 500평 규모로 제품 입고량은 하루 55톤이다. 기존 R-22 수냉식 55kW 냉동기(2세트)를 MC-ECO2 F140(1세트)으로 교체한 후 연간 전력사용량은 86.3만kW/일에서 60.0만kW/일로 연간 30% 절감해 전기요금은 연간 4,300만원 절감효과를 거둔 것으로 나타났다.

이창준 부장은 MC-ECO2의 친환경 경제가치를 국제기준인 생애주기 환경 성능평가(Life Cycle Climate Performance, 이하 LCCP) 방법인 SCOPE 1(냉매 누출), SCOPE 2(전력소비), SCOPE 3(제조 및 폐기, 냉매 제조)으로 비교했을 때 기존 설비를 MC-ECO2로 교체함으로써 줄일 수 있는 탄소배출량을 탄소배출권과 전력으로 환산하면 전력비 절감에 더해 경제적 가치를 창출할 수 있다.“고 강조했다.

LCCP 비교 결과, O사 냉장창고는 기존설비 대비 C70 교체로 온실가스배출량 2,934.4tCO2-e 감축해 탄소배출권 환산시 약 3,800만원, 전력 환산시 4,900만원 절감하는 것으로, 또 D사 냉동창고는 기존설비를 F140 교체로 온실가스배출량 5,383.2tCO2-e 감축해 탄소배출권 환산시 약 6,900만원, 전력 환산시 8,900만원 절감효과로 나타났다.

이창준 부장은 ”MC-ECO2 적용시 전력비 절감효과 만으로 투자금액을 6~7년 만에 회수 가능한데 부가적인 가치를 고려하면 투자회수기간(ROI)은 더 빨라진다.“고 강조했다.

마에카와제작소 CO2 초임계 냉동기, 누적 출하량 130대 넘어서 

후지카기 노리히토 일본 마에카와제작소

일본 마에카와제작소 후지카기 노리히토는 ‘일본 콜드체인의 CO2 초임계 시장 현황과 향후 전망’ 발표에서 일본의 CO2 초임계 시장규모와 전망, 그리고 마에카와제작소의 공냉식 CO2 콘덴싱 유니트 ‘COPEL’의 개발 배경과 도입실적, 한국 시장 맞춤 MC-ECO2 프로모션에 대해 소개했다.

일본 CO2 초임계 설비는 2000년 전후 전력회사를 중심으로 개발된 가정 급탕용 히트펌프 ‘에코큐트’로 시작됐다. 마에카와는 이 당시 이미 CO2용 압축기를 개발한 후 제빙 350kW, 급탕 600kW의 대형 CO2 초임계 설비를 검증하고 있었으며 상품화 개발을 통해 2003년 음료 쇼케이스, 2010년부터 냉동쇼케이스 등 업소용 CO2 초임계 히트펌프 ‘UNIMO’를 선보였다.

후지카기 노리히토는 “UNIMO 적용 기술은 향후 공냉식 CO2 콘덴싱 유니트 ‘COPEL’ 시리즈 상품화에도 큰 영향을 주었다.”라며 “일본과 한국 시장에 1,000대 이상 보급돼 그 기술력과 신뢰성을 인정받고 있는 제품이다.”라고 언급했다.

마에카와제작소는 2003년 UNIMO 론칭 이후 2008년 NH3/CO2 브라인 냉매형 범용기 ‘NewTon’, 2015년 소형·중형 규모의 냉동·냉장용 초임계 설비, 그리고 2019년 공냉식 CO2 콘덴싱 유니트 ‘COPEL’시리즈를 시장에 출시했다.

일본 시장에서 CO2 초임계 관련 프로젝트는 약 7000건 정도 가동 중인데 초창기에는 음료자판기나 슈퍼마켓 쇼케이스에 도입되던 것이 현재는 중소 규모 냉장고나 공냉식 프레온 냉동기를 사용하던 물류센터, 암모니아 냉동기 사용이 익숙지 않은 사업장 등에서 도입이 증가하고 있는 추세다.

후지카기 노리히토는 “일본의 냉동냉장용 콘덴싱 유닛 시장 규모는 연간 약 4만대 정도로 CO2 초임계 냉동기의 용도를 고려했을 아주 큰 시장이 예상된다”고 시장 확장성 증대에 기대감을 드러냈다.

글로벌 주요 시장의 보급대수를 보면 쇼핑몰이나 슈퍼마켓을 위한 냉동·냉장용 RACK 시스템이나 중소규모의 상업용 냉장고를 중심으로 65,000건 이상의 CO2 초임계 시스템이 운영중에 있다.

후지카기 노리히토는 “일본 마에카와제작소는 에너지절감· CO2배출량의 삭감을 기대할 수 있는 장치, 공간의 절약 및 안전하게 오래 사용할 수 있는 장치라는 ‘자연냉매 냉동기 상품개발 콘셉트’를 바탕으로 시대를 앞서 진화를 거듭하는 상품개발에 전념하고 있다,”라며 “CO2 콘덴싱 유니트 ‘COPEL’도 이런 배경하에서 개발된 탈탄소형 제품이다.”라고 밝혔다.

이어 ‘COPEL’ 상품화 개발에 빼놓을 수 없는 존재가 NH3/CO2 2차 냉매 시스템인 ‘NewTon’ 이라며 소개했다.

NewTON은 기계실에 암모니아 냉매만 순환하고 냉장창고 내에 CO2냉매를 순환시키는 구조다. 기존 제품 대비 암모니아 차지(Charge)량을 대폭 줄여 그만큼 안전성도 높다. 냉장창고 내 유닛쿨러에는 CO2냉매만 사용하므로 냉동유로 인한 쿨러의 효율 저하가 거의 없다. 암모니아 컴프레서, 열교환기 그리고 에코노마이저의 효율을 극대화해 에너지절감 효과도 뛰어나다.

후지카기 노리히토는 “NewTon은 2008년 판매를 시작한 이래 에너지 절약에 대한 관심, 암모니아 냉매에 대한 인식 제고, 일본의 국가보조금제도 등에 힘입어 중·대형 냉장창고나 프리저, 아이스링크 등에 2022년 누적 3000대가 출하됐다.”라며 “기존 뉴톤 사용 고객들의 논프레온 냉매 및 소형 공냉식 제품에 대한 니즈가 많아지면서 ‘COPEL’ 개발로 이어졌다.”고 밝혔다.

이어 “그동안 자연냉매를 사용하는 냉동기가 보급되면서 기존 프레온설비보다 에너지절감 효과가 뛰어난 수냉식 소형 장치와 공냉식 중대형 장치 개발로도 이어져 고객들의 선택지가 넓어졌다.”고 말했다.

‘COPEL’ 시리즈는 냉동용 F급과 냉장용 C급으로 용도를 구분해 각각 최적의 냉동 사이클 조건으로 운영할 수 있도록 구성돼 있다.

2019년 저온용(-25℃)으로 냉동능력 30kW급 F30 모델과 냉장창고 보관용(+5℃)으로 냉동능력 70kW급 C70 모델이 론칭된 후 2021년에 저온냉장고용(-25℃) 140kW급 F140 모델, 2022년에 저온~중온용 냉장고용(-25℃) F70 모델을 속속 선보이며 누계 출하대수 130대를 넘어섰다.

후지카기 노리히토는 “COPEL은 대기온도 43℃에서도 물을 사용하지 않고 운전이 가능한 콘셉트로 상품화됐다.”라며 “부가적으로 전 기종의 내염 사양 및 고주파 대책(매트릭스 컨버터) 등을 표준으로 택하고 유니트 쿨러는 코펠에 최적화된 전용기기를 채용하고 있다.”고 밝혔다.

이어 “CO2 냉동기의 여름철 성능저하 문제를 해결하기 위해 가스쿨러에 간접 살수 방식을 채택해 열교환기의 수명 연장은 물론 하절기에는 살수방식, 동절기에는 공냉식 등 계절에 따라서 최적 조건의 선택 운전을 통해 에너지 절약 운전을 실현했다.”고 강조했다.

COPEL F140 및 F70 모델은 일본의‘ 탈프레온·저탄소 사회의 조기 실현을 위한 에너지절약형 자연냉매기기 도입 가속화사업’과 ‘콜드체인을 지지하는 냉동냉장기기의 탈프레온·탈탄소화 추진사업’에 채택되기도 했다.

후지카기 노리히토는 “시즈오카현 OO냉장창고는 2022년 1월 회전수 제어가 적용된 공냉식 F140 모델 2대가 도입된 후 소비전력 22~43% 절감 효과를 거두는 등 NewTon 시리즈와 비슷한 에너지절감 능력을 확인했다.”라며 다양한 적용처의 도입사례롤 소개했다.

이어 “현재 마에가와는 NewTon이나 COPEL 시리즈 라인업을 통해 소규모 장치는 COPEL 시리즈를, 다양한 창고 부하가 있는 고객에게는 NewTon과 COPEL 조합을, 제품 보관실마다 냉동기를 구축해야 하는 고객에게는 COPEL 병렬 구축 등 다양한 제안을 통해 보다 폭넓게 고객 니즈에 대응할 수 있게 됐다.”고 강조했다.